DE202014007678U1

DE202014007678U1 - Turboladersystem

Info

Publication number: DE202014007678U1
Application number: DE202014007678.2U
Authority: DE
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-09-20
Filing date: 2014-09-20
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: CN105443238B; CN105443238A; US20160084155A1

Abstract

Turboladersystem für einen Verbrennungsmotor (110), umfassend eine Turbine mit variabler Geometrie (250) mit beweglichen Flügeln (253), einen elektrischen Aktuator (256), der so gekoppelt ist, dass er die beweglichen Flügel (253) dreht, und ein elektronisches Steuergerät (450), das dafür ausgelegt ist, – den elektrischen Aktuator (256) zu betreiben (600), um die beweglichen Flügel (253) zu drehen, bis sie einen mechanischen Anschlag (260) erreichen, der einer vollständig geöffneten Position entspricht, – einen Positionssensor (259) zu verwenden (700), um den Positionswert (Ω1) der beweglichen Flügel (253) zu ermitteln, sobald sie den mechanischen Anschlag (260) erreicht haben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turboladersystem für einen Verbrennungsmotor, typischerweise ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass ein Verbrennungsmotor einen Turbolader umfassen kann, der vorgesehen ist, um die Effizienz und Leistung des Motors zu erhöhen, indem Luft in die Verbrennungsräume des Motors gedrückt wird.
Der Turbolader umfasst herkömmlicherweise eine Turbine, die in einem Abgasrohr des Motors angeordnet ist, und einen Kompressor, der sich zusammen mit der Turbine dreht und in einem Einlassrohr des Motors angeordnet ist. Die Turbine wird durch die aus den Verbrennungsräumen des Motors kommenden Abgase gedreht und treibt den Kompressor an, der den Druck der Luft erhöht, die in die Verbrennungsräume gerichtet wird.
In einigen Ausführungsformen kann die Turbine eine Turbine mit variabler Geometrie (variable geometry turbine, VGT) sein, auch bekannt als Turbine mit variabler Düse (variable nozzle turbine, VNT). Die VGT umfasst im Wesentlichen ein Turbinengehäuse, ein im Turbinengehäuse untergebrachtes Turbinenrad und eine Vielzahl von beweglichen, aerodynamisch geformten Flügeln, die im Turbinengehäuse um das Turbinenrad herum angeordnet sind, um das vom Turbineneinlass kommende Abgas zu den Schaufeln des Turbinenrads zu leiten.
Diese beweglichen Flügel können mit einem ringförmigen Rahmen mechanisch verbunden sein, der sich im Turbinengehäuse drehen kann und der über eine Getriebehebelanordnung mit einer rotierenden Welle eines Elektromotors (d. h. des VGT-Aktuators) gekoppelt ist. Durch die Anpassung der Winkelposition des ringförmigen Rahmens veranlasst der VGT-Aktuator die Flügel dazu, sich übereinstimmend zu drehen, um den Winkel des Gaswirbels und die Querschnittfläche des Turbineneinlasses zu verändern.
Der VGT-Aktuator wird durch ein elektronisches Steuergerät (ECM) betrieben, das dafür ausgelegt ist, die Ausrichtung der Turbinenflügel auf Basis einer Ladedruckanforderung anzupassen, um die Leistung des Turboladers zu optimieren. Die Ladedruckanforderung kann vom ECM auf Basis einer Anzahl von Motorbetriebsparametern bestimmt werden, die zum Beispiel die Motordrehzahl umfassen.
Dies erfolgt deshalb, weil es mit einem zu weiten Winkel des Gaswirbels und einer zu großen Querschnittfläche nicht gelingt, bei geringen Motordrehzahlen einen ausreichenden Luftladedruck zu erreichen, während ein zu kleiner Winkel des Gaswirbels und eine zu kleine Querschnittfläche den Motor bei hohen Drehzahlen abwürgen, was zu hohen Abgasdrücken, hohen Pumpverlusten und letztlich zu einer geringeren Leistungsabgabe führt.
Potentiell können die Flügel der VGT zwischen zwei mechanischen Endstopp-Positionen rotieren, darunter eine vollständig geöffnete Position und eine vollständig geschlossene Position. In der vollständig geöffneten Position, die gewöhnlich durch einen mechanischen Stift oder einen ähnlichen feststehenden mechanischen Anschlag festgelegt wird, weisen die Flügel ihre maximale Neigung zur Mittelachse des Turbinenrads auf, wodurch die Querschnittfläche und somit der Massendurchsatz der einströmenden Abgase maximiert werden. In der vollständig geschlossenen Position, die gewöhnlich durch einen gegenseitigen Kontakt zwischen den Flügeln festgelegt wird, sind die Flügel fast tangential in Bezug auf die Mittelachse des Turbinenrads ausgerichtet, wodurch die Querschnittfläche und der Massendurchsatz der Abgase minimiert werden.
Das ECM ist derart konfiguriert, dass während des normalen Motorbetriebs diese vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Positionen nie erreicht werden. Stattdessen müssen die Flügel der VGT zwischen einer Minimalflussposition, die nahe der vollständig geschlossenen Position ist, und einer Maximalflussposition, die nahe der vollständig geöffneten Position ist, rotieren.
Insbesondere die Minimalflussposition, bei der es sich um die Position der Flügel der VGT handelt, die einem Maximum (100%) der Ladedruckanforderung entspricht, wird gewöhnlich vom Lieferanten des VGT-Systems bestimmt. Ausgehend von dieser Minimalflussposition können sich die Flügel der VGT nur in einem vorbestimmten maximalen Winkelbereich drehen, wobei das entgegengesetzte Ende folglich die Maximalflussposition definiert.
Um die VGT-Flügel einer VGT daran zu hindern, den mechanischen Anschlag zu erreichen, welcher der vollständig geöffneten Position entspricht, wird der oben genannte maximale Winkelbereich vom VGT-Lieferanten so eingestellt, dass er relativ klein ist, zum Beispiel auf etwa 69° (Grad) Drehung ausgehend von der Minimalflussposition.
Diese Strategie hat jedoch den Nachteil, dass bei vielen VGT die Maximalflussposition zu weit von der tatsächlichen vollständig geöffneten Position entfernt sein kann. Dies kann zu einer Übergeschwindigkeit und/oder einem unkontrollierten Ladedruck des Turboladers führen, wenn versucht wird, einen maximalen Abgasausstoß zu erzielen, insbesondere bei hoher Motordrehzahl und/oder unter extremen Betriebsbedingungen (z. B. heißes Wetter auf Meereshöhe).
ZUSAMMENFASSUNG
Angesichts der obigen Ausführungen besteht ein Zweck einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung somit darin, eine Lösung zu schaffen, die den oben genannten Mängeln abhilft.
Ein weiterer Zweck besteht darin, dieses Ziel mit einer einfachen, rationellen und relativ kostengünstigen Lösung zu erzielen.
Diese und andere Ziele werden durch die Ausführungsformen der Erfindung erreicht, welche die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale aufweisen. Die abhängigen Ansprüche definieren sekundäre Aspekte der Erfindung.
Eine Ausführungsform der Erfindung schafft insbesondere ein Turboladersystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) mit beweglichen Flügeln, einen elektrischen Aktuator (z. B. einen Motor), der so gekoppelt ist, dass er die beweglichen Flügel dreht, und ein elektronisches Steuergerät, das dafür ausgelegt ist:

– den elektrischen Aktuator zu betreiben, um die beweglichen Flügel zu drehen, bis sie einen mechanischen Anschlag erreichen, der einer vollständig geöffneten Position entspricht,
– einen Positionssensor zu verwenden, um den Positionswert der beweglichen Flügel zu ermitteln, sobald sie den mechanischen Anschlag erreicht haben.

Dank dieser Strategie ist es möglich, für jedes einzelne Turboladersystem die Position der beweglichen Flügel zu bestimmen, die tatsächlich der vollständig geöffneten Position der VGT entspricht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den ermittelten Positionswert zu verwenden, um einen Positionsschwellenwert zu berechnen, der einer Maximalflussposition entspricht, über die sich die beweglichen Flügel während des normalen Betriebs des Turboladersystems nicht hinausdrehen dürfen.
Dieser Aspekt hat zur Folge, dass die Maximalflussposition für jedes einzelne Turboladersystem individuell angepasst werden kann, wobei es jedem einzelnen Turboladersystem erlaubt wird, die Flügel in einem optimalen Winkelbereich zu bewegen, wodurch ein unkontrollierter Ladedruck und/oder Übergeschwindigkeitsereignisse im Turbolader verhindert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den Schwellenwert zu verwenden, um eine vorbestimmte charakteristische Kurve zu begrenzen, die die Werte eines vom Positionssensor erzeugten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten der Flügelposition in Beziehung setzt.
Dank dieses Aspekts wird die oben genannte charakteristische Kurve, die für alle VGT derselben Familie die gleiche sein kann und die während des normalen Motorbetriebs verwendet wird, um die Position der Flügel der VGT zu überwachen, durch die vorgeschlagene Strategie nicht verändert, sondern nur auf die Maximalflussposition begrenzt (d. h. abgeschnitten), die für das jeweilige Turboladersystem bestimmt wurde.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den Positionsschwellenwert als Differenz zwischen dem ermittelten Positionswert und einem vorbestimmten Winkelversatz zu berechnen.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft mit einer sehr einfachen Lösung eine zuverlässige Maximalflussposition.
Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das elektronische Steuergerät zur Durchführung der oben vorgeschlagenen Strategie dafür ausgelegt sein kann, den elektrischen Aktuator mit folgenden Schritten zu betreiben:

– Speisen des elektrischen Aktuators mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse, um die beweglichen Flügel in Richtung auf den mechanischen Anschlag zu drehen,
– Verwenden des Positionssensors, um die Position der beweglichen Flügel während der Drehung zu messen,
– Berechnen eines Fehlers zwischen dem gemessenen Wert der Position der beweglichen Flügel und einem Sollwert,
– Verwenden eines Reglers, um einen Tastverhältniswert der elektrischen Spannungsimpulse auf Basis des berechneten Fehlers anzupassen.

Anders ausgedrückt kann das elektronische Steuergerät dank dieses Aspekts der Erfindung den elektrischen Aktuator mittels einer auf einem geschlossenen Regelkreis beruhenden Strategie auf Basis der tatsächlichen Position der beweglichen Flügel der VGT betreiben.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den oben genannten Sollwert der Flügelposition von einem ersten Zielwert zu einem zweiten Zielwert zu verändern, wobei der erste Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die sich vor der vollständig geöffneten Position befindet, und wobei der zweite Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die jenseits der vollständig geöffneten Position ist (wobei sich die erste und die zweite Zielposition auf die Drehrichtung der beweglichen Flügel hin zur vollständig geöffneten Position beziehen).
Diese Lösung ermöglicht es, die Geschwindigkeit zu senken und zu steuern, mit der der elektrische Aktuator die beweglichen Flügel der VGT in Richtung auf den mechanischen Anschlag dreht.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das elektronische Steuergerät die Sollwert-Position im Verlauf der Zeit linear verändern kann.
Auf diese Weise ist es möglich, eine sanfte Annäherung der beweglichen Flügel an den mechanischen Anschlag zu erreichen, der die vollständig geöffnete Position definiert, wobei diese Annäherung langsam genug ist, um eine Beschädigung der beweglichen Flügel zu verhindern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse zu verwenden, um zu erkennen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung, um festzustellen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, festzustellen, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine zuverlässige Lösung zur Feststellung des Erreichens des mechanischen Anschlags.
Sobald die beweglichen Flügel der VGT am mechanischen Anschlag anschlagen, beginnt das Tastverhältnis der elektrischen Spannungsimpulse rasch zu steigen, da der Regler den Fehler zwischen dem gemessenen Positionswert und dem Positions-Sollwert [nicht mehr] kompensieren kann.
Wenn das Tastverhältnis über mehr als einen vorbestimmten Zeitraum einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, bedeutet dies daher, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Um nicht durch mögliche Spitzen des Tastverhältnisses getäuscht zu werden, die zum Beispiel auf Geräusche oder andere vorübergehende Erscheinungen zurückzuführen sind, kann die Feststellung erfolgen, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse den Sollwert länger als während einer vorbestimmten Zeit (eines vorbestimmten Zeitraums) übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den elektrischen Aktuator mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse zu speisen, die einen vorbestimmten Tastverhältnis-Zielwert aufweisen, sobald die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wobei dieser Tastverhältnis-Zielwert der elektrischen Spannungsimpulse kleiner als ihr Schwellenwert ist.
Diese Lösung ermöglicht es, die beweglichen Flügel fest gegen den mechanischen Anschlag gedrückt zu halten, während der elektrische Aktuator davor geschützt wird, mit einem zu hohen Tastverhältnis betrieben zu werden, was zu einer Überhitzung des elektrischen Aktuators führen könnte und/oder bewirken könnte, dass die beweglichen Flügel zu hart am mechanischen Anschlag anschlagen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Regler ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) sein.
Diese Art von Regler ist besonders wirksam bei der Ausführung der vorgeschlagenen Strategie.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt sein, den Positionswert der beweglichen Flügel zu ermitteln, sobald der mechanische Anschlag erreicht wurde, wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden:

– Verwenden des Positionssensors, um die Position der beweglichen Flügel mehrmals zu messen,
– Berechnen eines Durchschnitts der gemessenen Positionswerte,
– Setzen des berechneten Durchschnitts als Positionswert der beweglichen Flügel, welcher der vollständig geöffneten Position entspricht.

Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine wirksame Lösung zur Ermittlung einer belastbaren und zuverlässigen vollständig geöffneten Position der beweglichen Flügel der VGT.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung schafft ein Kraftfahrzeugsystem, das einen Verbrennungsmotor und das Turboladersystem umfasst.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung schafft ein Verfahren zum Betrieb eines Turboladersystems für einen Verbrennungsmotor, wobei das Turboladersystem eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) mit beweglichen Flügeln und einen elektrischen Aktuator (z. B. einen Motor) umfasst, der so gekoppelt ist, dass er die beweglichen Flügel dreht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Betreiben des elektrischen Aktuators, um die beweglichen Flügel zu drehen, bis sie einen mechanischen Anschlag erreichen, der einer vollständig geöffneten Position entspricht,
– Verwenden eines Positionssensors, um den Positionswert der beweglichen Flügel zu ermitteln, sobald sie den mechanischen Anschlag erreicht haben.

Dank dieser Strategie ist es möglich, für jedes einzelne Turboladersystem die Position der beweglichen Flügel zu bestimmen, die tatsächlich der vollständig geöffneten Position der VGT entspricht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt des Verwenden des ermittelten Positionswerts umfassen, um einen Positionsschwellenwert zu berechnen, der einer Maximalflussposition entspricht, über die sich die beweglichen Flügel während des normalen Betriebs des Turboladersystems nicht hinausdrehen dürfen.
Dieser Aspekt hat zur Folge, dass die Maximalflussposition für jedes einzelne Turboladersystem individuell angepasst werden kann, wobei es jedem einzelnen Turboladersystem erlaubt wird, die Flügel in einem optimalen Winkelbereich zu bewegen, wodurch ein unkontrollierter Ladedruck und/oder Übergeschwindigkeitsereignisse im Turbolader verhindert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt des Verwendens des Schwellenwerts umfassen, um eine vorbestimmte charakteristische Kurve zu begrenzen, die die Werte eines vom Positionssensor erzeugten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten der Flügelposition in Beziehung setzt.
Dank dieses Aspekts wird die oben genannte charakteristische Kurve durch die vorgeschlagene Strategie nicht verändert, sondern nur auf die Maximalflussposition begrenzt (d. h. abgeschnitten), die für das jeweilige Turboladersystem bestimmt wurde.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt des Berechnens des Positionsschwellenwerts als Differenz zwischen dem ermittelten Positionswert und einem vorbestimmten Winkelversatz umfassen.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft mit einer sehr einfachen Lösung eine zuverlässige Maximalflussposition.
Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Aktuator zur Durchführung der oben vorgeschlagenen Strategie mit folgenden Schritten betrieben werden kann:

Anders ausgedrückt kann dank dieses Aspekts der Erfindung der elektrische Aktuator mittels einer auf einem geschlossenen Regelkreis beruhenden Strategie auf Basis der tatsächlichen Position der beweglichen Flügel der VGT betrieben werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt umfassen, den oben genannten Sollwert der Flügelposition von einem ersten Zielwert zu einem zweiten Zielwert zu verändern, wobei der erste Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die sich vor der vollständig geöffneten Position befindet, und wobei der zweite Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die jenseits der vollständig geöffneten Position ist (wobei sich die erste und die zweite Zielposition auf die Drehrichtung der beweglichen Flügel hin zur vollständig geöffneten Position beziehen).
Diese Lösung ermöglicht es, die Geschwindigkeit zu senken und zu steuern, mit der der elektrische Aktuator die beweglichen Flügel der VGT in Richtung auf den mechanischen Anschlag dreht.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Sollwert im Verlauf der Zeit linear verändert werden kann.
Auf diese Weise ist es möglich, eine sanfte Annäherung der beweglichen Flügel an den mechanischen Anschlag zu erreichen, der die vollständig geöffnete Position definiert, wobei diese Annäherung langsam genug ist, um eine Beschädigung der beweglichen Flügel zu verhindern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt umfassen, den Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse zu verwenden, um festzustellen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung, um festzustellen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren feststellen, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine zuverlässige Lösung zur Feststellung des Erreichens des mechanischen Anschlags.
Sobald die beweglichen Flügel der VGT am mechanischen Anschlag anschlagen, beginnt das Tastverhältnis der elektrischen Spannungsimpulse rasch zu steigen, da der Regler den Fehler zwischen dem gemessenen Positionswert und dem Positions-Sollwert [nicht mehr] kompensieren kann.
Wenn das Tastverhältnis über mehr als einen vorbestimmten Zeitraum einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, bedeutet dies daher, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Um nicht durch mögliche Spitzen des Tastverhältnisses getäuscht zu werden, die zum Beispiel auf Geräusche oder andere vorübergehende Erscheinungen zurückzuführen sind, kann die Feststellung erfolgen, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse den Schwellenwert länger als während einer vorbestimmten Zeit (eines vorbestimmten Zeitraums) übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Schritt umfassen, den elektrischen Aktuator mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse zu speisen, die einen vorbestimmten Tastverhältnis-Zielwert aufweisen, sobald die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wobei dieser Tastverhältnis-Zielwert der elektrischen Spannungsimpulse kleiner als ihr Schwellenwert ist.
Diese Lösung ermöglicht es, die beweglichen Flügel fest gegen den mechanischen Anschlag gedrückt zu halten, während der elektrische Aktuator davor geschützt wird, mit einem zu hohen Tastverhältnis betrieben zu werden, was zu einer Überhitzung des elektrischen Aktuators führen könnte und/oder bewirken könnte, dass die beweglichen Flügel zu hart am mechanischen Anschlag anschlagen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Regler ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) sein.
Diese Art von Regler ist besonders wirksam bei der Ausführung der vorgeschlagenen Strategie.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Verfahren den Positionswert der beweglichen Flügel ermitteln, sobald der mechanische Anschlag erreicht wurde, wobei die folgenden Schritte ausgeführt werden:

Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine wirksame Lösung zur Ermittlung einer belastbaren und zuverlässigen vollständig geöffneten Position der beweglichen Flügel der VGT.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe eines Computerprogramms, das einen Programmcode zur Ausführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens umfasst, sowie in der Form eines Computerprogramm-Produkts, welches das Computerprogramm enthält, ausgeführt werden. Das Verfahren kann auch als elektromagnetisches Signal ausgeführt sein, wobei das Signal derart moduliert wird, dass es eine Sequenz von Datenbits trägt, die ein Computerprogramm zur Durchführung aller Schritte des Verfahrens darstellen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung schafft ein Turboladersystem, umfassend eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) mit beweglichen Flügeln, einen elektrischen Aktuator (z. B. einen Motor), der so gekoppelt ist, dass er die beweglichen Flügel dreht, und:

– Mittel zum Betreiben des elektrischen Aktuators, um die beweglichen Flügel zu drehen, bis sie einen mechanischen Anschlag erreichen, der einer vollständig geöffneten Position entspricht,
– Mittel zum Verwenden eines Positionssensors, um den Positionswert der beweglichen Flügel zu ermitteln, sobald sie den mechanischen Anschlag erreicht haben.

Dank dieser Strategie ist es möglich, für jedes einzelne Turboladersystem die Position der beweglichen Flügel zu bestimmen, die tatsächlich der vollständig geöffneten Position der VGT entspricht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den ermittelten Positionswert zu verwenden, um einen Positionsschwellenwert zu berechnen, der einer Maximalflussposition entspricht, über die sich die beweglichen Flügel während des normalen Betriebs des Turboladersystems nicht hinausdrehen dürfen.
Dieser Aspekt hat zur Folge, dass die Maximalflussposition für jedes einzelne Turboladersystem individuell angepasst werden kann, wobei es jedem einzelnen Turboladersystem erlaubt wird, die Flügel in einem optimalen Winkelbereich zu bewegen, wodurch ein unkontrollierter Ladedruck und/oder Übergeschwindigkeitsereignisse im Turbolader verhindert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den Schwellenwert zu verwenden, um eine vorbestimmte charakteristische Kurve zu begrenzen, die die Werte eines vom Positionssensor erzeugten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten der Flügelposition in Beziehung setzt.
Dank dieses Aspekts wird die oben genannte charakteristische Kurve durch die vorgeschlagene Strategie nicht verändert, sondern nur auf die Maximalflussposition begrenzt (d. h. abgeschnitten), die für das jeweilige Turboladersystem bestimmt wurde.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den Positionsschwellenwert als Differenz zwischen dem ermittelten Positionswert und einem vorbestimmten Winkelversatz zu berechnen.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft mit einer sehr einfachen Lösung eine zuverlässige Maximalflussposition.
Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Mittel zum Betreiben des elektrischen Aktuators Folgendes umfassen können:

– Mittel zum Speisen des elektrischen Aktuators mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse, um die beweglichen Flügel in Richtung auf den mechanischen Anschlag zu drehen,
– Mittel zum Verwenden des Positionssensors, um die Position der beweglichen Flügel während der Drehung zu messen,
– Mittel zum Berechnen eines Fehlers zwischen dem gemessenen Wert der Position der beweglichen Flügel und einem Sollwert,
– Mittel zum Verwenden eines Reglers, um einen Tastverhältniswert der elektrischen Spannungsimpulse auf Basis des berechneten Fehlers anzupassen.

Anders ausgedrückt kann dank dieses Aspekts der Erfindung der elektrische Aktuator mittels einer auf einem geschlossenen Regelkreis beruhenden Strategie auf Basis der tatsächlichen Position der beweglichen Flügel der VGT betrieben werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den oben genannten Sollwert der Flügelposition von einem ersten Zielwert zu einem zweiten Zielwert zu verändern, wobei der erste Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die sich vor der vollständig geöffneten Position befindet, und wobei der zweite Zielwert eine Flügelposition repräsentiert, die jenseits der vollständig geöffneten Position ist (wobei sich die erste und die zweite Zielposition auf die Drehrichtung der beweglichen Flügel hin zur vollständig geöffneten Position beziehen). Diese Lösung ermöglicht es, die Geschwindigkeit zu senken und zu steuern, mit der der elektrische Aktuator die beweglichen Flügel der VGT in Richtung auf den mechanischen Anschlag dreht.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Mittel zur Veränderung des Sollwerts dafür ausgelegt sein können, den Sollwert im Verlauf der Zeit linear zu verändern.
Auf diese Weise ist es möglich, eine sanfte Annäherung der beweglichen Flügel an den mechanischen Anschlag zu erreichen, der die vollständig geöffnete Position definiert, wobei diese Annäherung langsam genug ist, um eine Beschädigung der beweglichen Flügel zu verhindern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse zu verwenden, um festzustellen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Dieser Aspekt schafft eine zuverlässige Lösung, um festzustellen, wann die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um festzustellen, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine zuverlässige Lösung zur Feststellung des Erreichens des mechanischen Anschlags.
Sobald die beweglichen Flügel der VGT am mechanischen Anschlag anschlagen, beginnt das Tastverhältnis der elektrischen Spannungsimpulse rasch zu steigen, da der Regler den Fehler zwischen dem gemessenen Positionswert und dem Positions-Sollwert [nicht mehr] kompensieren kann.
Wenn das Tastverhältnis über mehr als einen vorbestimmten Zeitraum einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, bedeutet dies daher, dass die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben.
Um nicht durch mögliche Spitzen des Tastverhältnisses getäuscht zu werden, die zum Beispiel auf Geräusche oder andere vorübergehende Erscheinungen zurückzuführen sind, kann die Feststellung erfolgen, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse den Sollwert länger als während einer vorbestimmten Zeit (eines vorbestimmten Zeitraums) übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Turboladersystem Mittel umfassen, um den elektrischen Aktuator mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse zu speisen, die einen vorbestimmten Tastverhältnis-Zielwert aufweisen, sobald die beweglichen Flügel den mechanischen Anschlag erreicht haben, wobei dieser Tastverhältnis-Zielwert der elektrischen Spannungsimpulse kleiner als ihr Schwellenwert ist.
Diese Lösung ermöglicht es, die beweglichen Flügel fest gegen den mechanischen Anschlag gedrückt zu halten, während der elektrische Aktuator davor geschützt wird, mit einem zu hohen Tastverhältnis betrieben zu werden, was zu einer Überhitzung des elektrischen Aktuators führen könnte und/oder bewirken könnte, dass die beweglichen Flügel zu hart am mechanischen Anschlag anschlagen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Regler ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) sein.
Diese Art von Regler ist besonders wirksam bei der Ausführung der vorgeschlagenen Strategie.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können die Mittel zum Ermitteln des Positionswerts der beweglichen Flügel Folgendes umfassen:

– Mittel zum Verwenden des Positionssensors, um die Position der beweglichen Flügel mehrmals zu messen,
– Mittel zum Berechnen eines Durchschnitts der gemessenen Positionswerte,
– Mittel zum Setzen des berechneten Durchschnitts als Positionswert der beweglichen Flügel, welcher der vollständig geöffneten Position entspricht.

Dieser Aspekt der Erfindung schafft eine wirksame Lösung zur Ermittlung einer belastbaren und zuverlässigen vollständig geöffneten Position der beweglichen Flügel der VGT.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun soll die vorliegende Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden.
1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeugsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist der Querschnitt A-A eines zu dem Kraftfahrzeugsystem von 1 gehörenden Verbrennungsmotors.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kraftübertragungssystems, das es den Flügeln der VGT ermöglicht, sich zu drehen.
4 ist eine andere perspektivische Ansicht des Kraftübertragungssystems, die auch den VGT-Aktuator zeigt.
5 ist eine teilweise Rückansicht des Kraftübertragungssystems von 3.
6 ist ein Fließdiagramm, das ein Testverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist ein Diagramm, wobei die Achse [%R] Werte einer Ladedruckanforderung zeigt, wobei die Achse [V] Werte eines von einem VGT-Positionssensors erzeugten elektrischen Spannungssignals, ausgedrückt in Bits, zeigt, wobei die Achse [Ω] Werte einer Winkelposition der Flügel der VGT, ausgedrückt in Grad, zeigt, und wobei die Kurve F eine charakteristische Kurve des VGT-Positionssensors ist, welche die Beziehung zwischen den Werten des erzeugten Signals, den Werten der Ladedruckanforderung und den Werten der Winkelposition der Flügel zeigt.
8 ist ein Diagramm, wobei die Achse [t] Zeitwerte zeigt, wobei die Achse [%DT] Werte des Tastverhältnisses einer Folge elektrischer Spannungsimpulse zeigt, die am den VGT-Aktuator angelegt werden, wobei die Achse [Ω] Werte einer Winkelposition der Flügel der VGT, ausgedrückt in Grad, zeigt, wobei die Kurve SPV die Veränderung eines Sollwerts der Position der Flügel der VGT im Verlauf der Zeit zeigt, wobei die Kurve MV die Veränderung eines gemessenen Werts der Position der Flügel der VGT im Verlauf der Zeit zeigt und wobei die Kurve DT die Veränderung des Tastverhältnisses im Verlauf der Zeit zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Einige Ausführungsformen können ein Kraftfahrzeugsystem 100 beinhalten, das in den 1 und 2 gezeigt ist, und das einen Verbrennungsmotor (ICE) 110 mit einem Motorblock 120 besitzt, der mindestens einen Zylinder 125 mit einem Kolben 140 definiert, wobei der Kolben 140 eine Kopplung aufweist, mit der die Kurbelwelle 145 gedreht wird. Ein Zylinderkopf 130 arbeitet mit dem Kolben 140 zusammen um einen Verbrennungsraum 150 zu definieren. Ein Luft-Kraftstoffgemisch (nicht gezeigt) wird in den Verbrennungsraum 150 eingebracht und entzündet, was zu heißen expandierenden Verbrennungsgasen führt, die zu einer Hin- und Herbewegung des Kolbens 140 führen. Der Kraftstoff wird von mindestens einem Kraftstoffinjektor 160 zur Verfügung gestellt und die Luft durch mindestens einen Einlass 210. Der Kraftstoff wird unter hohem Druck von einem Kraftstoffrohr 170, das fluidzuleitend mit einer Hochdruckpumpe 180, die den Druck des von einer Kraftstoffquelle 190 kommenden Kraftstoffs erhöht, verbunden ist, zum Kraftstoffinjektor 160 geführt. Jeder der Zylinder 125 hat mindestens zwei Ventile 215, die von einer Nockenwelle 135 betrieben werden, die sich zeitgleich mit der Kurbelwelle 145 dreht. Die Ventile 215 lassen selektiv Luft vom Einlass 210 in die Verbrennungskammer 150 und erlauben alternierend den Auslass der Abgase durch den Auslass 220. In einigen Ausführungsformen wird ein Nockenwellenverstellsystem 155 genutzt, um selektiv die zeitliche Abfolge zwischen der Nockenwelle 135 und der Kurbelwelle 145 zu verändern.
Die Luft kann den Lufteinlässen 210 über einen Einlasskrümmer 200 zugeführt werden. Eine Lufteinlassleitung 205 führt dem Einlasskrümmer 200 Umgebungsluft zu. In anderen Ausführungsformen kann eine Drosselklappe 330 gewählt werden, um den Luftstrom zum Einlasskrümmer 200 zu regeln. In weiteren Ausführungsformen wird ein System für komprimierte Luft wie beispielsweise ein Turbolader 230 mit einem Kompressor 240, der sich zusammen mit einer Turbine 250 dreht, eingesetzt. Die Drehung des Kompressors 240 erhöht den Druck und die Temperatur der Luft in der Leitung 205 und dem Einlasskrümmer 200. Ein in der Leitung 205 enthaltender Intercooler 265 kann die Temperatur der Luft reduzieren. Die Turbine 250 dreht sich beim Einströmen der von einem Auslasskrümmer 225 kommenden Abgase, der Abgas vom Auslass 220 durch eine Serie von Leitschaufeln leitet, bevor es durch die Turbine 250 expandiert wird.
Dieses Beispiel zeigt eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT), auch bekannt als Turbine mit variabler Düse (VNT). Die VGT 250 umfasst im Wesentlichen ein Turbinengehäuse 251 und ein im Turbinengehäuse 251 untergebrachtes Turbinenrad 252. Innerhalb des Turbinengehäuses 251 umfasst die VGT 250 ferner eine Vielzahl von beweglichen, aerodynamisch geformten Flügeln 253, wie dies in 3 und 4 dargestellt ist, die in Umfangsrichtung um das Turbinenrad 252 (in 3 und 4 nicht dargestellt) herum angeordnet sind, um das vom Turbineneinlass kommende Abgas zu den Schaufeln des Turbinenrads 252 zu leiten.
Jeder Flügel 253 ist derart mit dem Turbinengehäuse 251 verbunden, dass er sich um eine jeweilige Achse B drehen kann, die parallel zur Drehachse A des Turbinenrads 252 ist. Durch eine Verbindungsstange 254 ist jeder Flügel 253 mechanisch mit einem ringförmigen Rahmen 255 verbunden, der sich im Turbinengehäuse 251 um die Drehachse A des Turbinenrads 252 drehen kann. Auf diese Weise veranlasst jede Drehung des ringförmigen Rahmens 255 um die Achse A alle Flügel 253 dazu, sich gleichzeitig um die Achsen B zu drehen, wodurch sie ihre Ausrichtung ändern. Die Drehung des ringförmigen Rahmens 255 wird durch einen VGT-Aktuator 256 (4), in diesem Beispiel einen Elektromotor (z. B. einen Gleichstrommotor) ausgelöst, der eine rotierende Welle 257 aufweist (3). Die rotierende Welle 257 kann derart angeordnet sein, dass sie sich um eine Achse C parallel zur Achse A dreht, wobei sie mit dem ringförmigen Rahmen 255 durch eine Hebelanordnung 258 verbunden sein kann, so dass eine Drehung der Welle 257 um die Achse C eine Drehung des ringförmigen Rahmens 255 um die Achse A und somit eine Drehung aller Flügel 253 um ihre Achsen B bewirkt. Das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen der Welle 257 und den Flügeln 253 kann zum Beispiel gleich 0,5 sein, d. h. die Drehung der Flügel 253 kann doppelt so schnell sein wie die Drehung der Welle 257.
Der VGT-Aktuator 256 kann durch eine Folge elektrischer Spannungsimpulse betrieben werden, die eine rechteckige Impulswelle definieren können. Diese Folge elektrischer Spannungsimpulse ist durch ein Tastverhältnis gekennzeichnet, d. h. den Prozentanteil einer Wellenperiode, in welcher der Spannungsimpuls aktiv ist. Um die Welle 257 in eine Richtung zu drehen (z. B. im Uhrzeigersinn), weisen die Spannungsimpulse einen positiven Wert auf, und dementsprechend wird das Tastverhältnis durch einen positiven Prozentwert beschrieben. Um die Welle 257 in die entgegengesetzte Richtung (z. B. gegen den Uhrzeigersinn) zu drehen, weisen die Spannungsimpulse einen negativen Wert auf, und dementsprechend wird das Tastverhältnis durch einen negativen Prozentwert beschrieben. In beiden Fällen ist es durch eine Änderung des Absolutwerts des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse möglich, den Mittelwert der elektrischen Spannung zu regeln, die dem VGT-Aktuator 256 zugeführt wird, wodurch die Geschwindigkeit und das Drehmoment der rotierenden Welle 257 geregelt wird.
Insbesondere steigen die Geschwindigkeit und das Drehmoment der rotierenden Welle 257 mit steigendem Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse.
Um die Position der Flügel 253 zu überwachen, kann der Turbolader 230 mit einem Winkelpositionssensor 259 versehen sein, der in 5 gestrichelt dargestellt ist und dafür ausgelegt ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das repräsentativ für die Winkelposition der rotierenden Welle 257 und folglich der beweglichen Flügel 253 ist. Der Positionssensor 259 kann in den VGT-Aktuator 256 integriert sein und Folgendes umfassen: einen Flügelrotor, der direkt mit der Welle 257 gekoppelt ist, und einen Stator, der dafür ausgelegt ist, eine Spannungssignal mit einer Amplitude zu erzeugen, die von der Position der Rotorflügel in Bezug auf den Stator abhängt. Das Spannungssignal kann ein in Form von Bits quantifiziertes digitales Signal sein.
Die Abgase verlassen die Turbine 250 und werden zu einem Abgassystem 270 geführt. Das Abgassystem 270 kann ein Abgasrohr 275 aufweisen, das eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 280 hat. Abgasnachbehandlungssysteme können beliebige Vorrichtungen sein, mit denen die Zusammensetzung der Abgase geändert werden kann. Einige Beispiele von Abgasnachbehandlungssystemen 280 sind katalytische (Zwei- und Drei-Wege-)Konverter, Oxidationskatalysatoren, NOx-Fallen für den Magerbetrieb (lean NOx traps), Kohlenwasserstoffadsorber, Systeme für die selektive katalytische Reduktion (SCR) und Partikelfilter. Andere Ausführungsformen umfassen ein Abgasrückführungssystem (EGR) 300, das mit dem Auslasskrümmer 225 und dem Einlasskrümmer 200 verbunden ist. Das EGR-System 300 kann einen EGR-Kühler 310 aufweisen, um die Temperatur der Abgase im EGR-System 300 zu reduzieren. Ein EGR-Ventil 320 regelt den Fluss der Abgase im EGR-System 300.
Das Kraftfahrzeugsystem 100 kann weiterhin ein elektronisches Steuergerät (ECM) 450 aufweisen, das dazu konfiguriert ist, Signale von oder nach verschiedenen, mit dem ICE 100 verbundenen Sensoren und/oder Geräten zu senden bzw. zu empfangen. Das ECM 450 kann Eingangssignale von verschiedenen Sensoren empfangen, die dafür ausgelegt sind, die Signale zu erzeugen, die proportional zu verschiedenen physikalischen Parametern in Zusammenhang mit dem ICE 110 sind. Die Sensoren umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen Luftmassenfluss- und -temperatursensor 340, einen Druck- und Temperatursensor 350 für den Krümmer, einen Sensor 360 für den Druck im Verbrennungsraum, Sensoren 380 für die Kühlflüssigkeits- und die Öltemperatur und/oder den zugehörigen Füllstand, einen Drucksensor 400 für den Kraftstoff, einen Nockenwellenpositionssensor 410, einen Kurbelwellenpositionssensor 420, Sensoren 430 für den Druck und die Temperatur der Abgase, einen EGR-Temperatursensor 440, einen Positionssensor 445 für das Gaspedal sowie den Positionssensor 259 der Welle 257 des VGT-Aktuators. Weiterhin kann das ECU 450 an verschiedene Steuergeräte Ausgangssignale ausgeben, um den Betrieb des ICE 110 zu steuern, beispielsweise an Kraftstoffinjektoren 160, an die Drossel 330, an das EGR-Ventil 320, an das Nockenwellenverstellsystem 155 und an den VGT-Aktuator 256. Es ist anzumerken, dass gestrichelte Linien benutzt werden, um verschiedene Verbindungen zwischen den verschiedenen Sensoren, Vorrichtungen und dem ECM 450 anzudeuten, wobei aber andere zu Zwecken der Klarheit weggelassen sind.
Das Steuergerät 450 kann eine mit einem Speichersystem und einem Bussystem datenverbundene digitale Mikroprozessoreinheit (CPU) besitzen. Die CPU ist ausgebildet, Befehle, die als ein in einem Speichersystem 460 abgelegtes Programm ausgeführt sind, abzuarbeiten, Eingangssignale vom Datenbus zu erfassen und Ausgangssignale an den Datenbus abzugeben. Das Speichersystem 460 kann verschiedene Speichermedien wie optische, magnetische, Festkörper- und andere nicht-flüchtige Medien besitzen. Der Datenbus kann dafür ausgelegt sein, analoge und/oder digitale Signale an die verschiedenen Sensoren und Steuervorrichtungen zu senden, von diesen zu empfangen und diese Signale zu modulieren. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit den ICE 110 steuern kann.
Das im Speichermedium 460 abgelegte Programm wird dem Steuergerät von außen kabelgebunden oder per Funk zugeführt. Außerhalb des Kraftfahrzeugsystems 100 tritt es regelmäßigerweise auf einem Computerprogrammprodukt in Erscheinung, welches auch als computer- oder maschinenlesbares Medium bezeichnet wird, und das als ein Computerprogrammcode auf einem Träger verstanden werden soll. Der Träger kann dabei flüchtiger oder nicht-flüchtiger Natur sein mit der Folge, dass man auch von einer flüchtigen oder nicht-flüchtigen Natur des Computerprogrammprodukts sprechen kann.
Ein Beispiel für ein flüchtiges Computerprogrammprodukt ist ein Signal, bspw. ein elektromagnetisches Signal wie ein optisches Signal, das ein flüchtiger Träger für den Computerprogrammcode ist. Das Tragen des Computerprogrammcodes kann durch Modulieren des Signals mit einem konventionellen Modulationsverfahren wie QPSK für digitale Daten erreicht werden, so dass binäre Daten, die den Computerprogrammcode repräsentieren, dem flüchtigen elektromagnetischen Signal aufgeprägt sind. Solche Signale werden zum Beispiel benutzt, wenn ein Computerprogrammcode kabellos über eine WiFi-Verbindung zu einem Laptop übertragen wird.
Im Fall eines nicht-flüchtigen Computerprogrammprodukts ist ein Computerprogrammcode in einem substratgebundenen Speichermedium verkörpert. Das Speichermedium ist dann der oben genannte nicht-flüchtige Träger, so dass der Computerprogrammcode permanent oder nicht-permanent auf abrufbare Weise in oder auf dem Speichermedium abgelegt ist. Das Speichermedium kann konventioneller Art sein, wie es im Bereich der Computertechnologie bekannt ist, bspw. ein flash memory, ein Asic, eine CD und dergleichen.
Anstelle eines Motorsteuergeräts 450 kann das Kraftfahrzeugsystem eine andere Art von Prozessor haben, um die elektronische Logik bereitzustellen, bspw. ein eingebettetes Steuergerät (engl. embedded controller), einen Bordcomputer oder jede andere Art von Prozessor, die in einem Fahrzeug verwendet werden kann.
Eine der Aufgaben des ECM 450 ist es, während des normalen Betriebs des Motors 110 die Ausrichtung der beweglichen Flügel 253 der VGT 250 auf Basis einer vorbestimmten Ladedruckanforderung anzupassen. Durch die Änderung der Winkelausrichtung der Flügel 253 verändert das ECM 450 den Winkel des Gaswirbels und die Querschnittfläche des Turbineneinlasses, wodurch der Abgasstrom durch die VGT 250 verändert wird. Die Ladedruckanforderung kann durch das ECM 450 auf Basis mehrerer Motorbetriebsparameter und/oder -zustände bestimmt werden, z. B. auf Basis der Motordrehzahl. Sobald die Ladedruckanforderung bestimmt wurde, kann das ECM 450 den VGT-Aktuator 256 betreiben, um die beweglichen Flügel 235 in eine Position zu bringen, die dieser vorbestimmten Ladedruckanforderung entspricht.
Potentiell können sich die Flügel 253 zwischen zwei mechanischen Endstopp-Positionen drehen, d. h. zwischen einer vollständig geöffneten Position (in 3 und 4 dargestellt) und einer vollständig geschlossenen Position (nicht dargestellt). In der vollständig geöffneten Position, die durch einen mechanischen Stift 260 (siehe 3) oder durch einen anderen ähnlichen feststehenden mechanischen Anschlag festgelegt werden kann, weisen die Flügel 253 ihre maximale Neigung zur Mittelachse A des Turbinenrads 252 auf, wodurch die Querschnittfläche und somit der Massendurchsatz der eintreffenden Abgase maximiert werden. In der vollständig geschlossenen Position, die im Allgemeinen durch einen gegenseitigen Kontakt zwischen den Flügeln 253 bestimmt wird, sind die Flügel 253 fast tangential zur Mittelachse A des Turbinenrads 252 ausgerichtet, wodurch die Querschnittfläche und der Massendurchsatz der Abgase minimiert werden. In anderen Ausführungsformen kann auch die vollständig geschlossene Position durch einen mechanischen Stift anstatt durch gegenseitigen Kontakt zwischen den Flügeln 253 bestimmt werden.
Das ECM 450 ist jedoch so konfiguriert, dass während des normalen Betriebs des Motors 110 diese vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Positionen nie erreicht werden. Stattdessen müssen sich die Flügel 253 zwischen einer Minimalflussposition, die nahe (aber immer noch getrennt von) der vollständig geschlossenen Position ist, und einer Maximalflussposition, die nahe (aber immer noch getrennt von) der vollständig geöffneten Position ist, drehen.
In dem Diagramm von 7 wird eine Minimalflussposition durch den Punkt H angezeigt. Die Minimalflussposition H ist die Position der Flügel der VGT, die einem Maximum (100%) der Ladedruckanforderung entspricht. Diese Position wird gewöhnlich für jede VGT 250 individuell mittels eines Tests bestimmt, der vom VGT-Lieferanten am Ende der Produktionslinie durchgeführt wird. Bei diesem Test wird auch der Positionssensor 259 geeicht, so dass die Minimalflussposition H der Flügel 253 einem vorbestimmten Wert des elektrischen Signals entspricht, das durch den Sensor 259 erzeugt wird, zum Beispiel 3000 Bits. Ausgehend von dieser Minimalflussposition H können sich die Flügel 253 in Richtung auf stärker geöffnete Positionen drehen, die niedrigeren Werten der Ladedruckanforderung und niedrigeren Werten des vom Positionssensor 259 erzeugten elektrischen Signals entsprechen, zum Beispiel gemäß der charakteristischen Kurve F in 7. Diese charakteristische Kurve F, die im Speichersystem 460 in Form eines mathematischen Modells, eines Kennfelds, eines Computercodes oder dergleichen gespeichert sein kann, kann vom Lieferanten der VGT 250 bereitgestellt werden und ist für alle VGT derselben Familie gleich.
Um die Maximalflussposition L zu bestimmen, die durch die Flügel 253 während des normalen Betriebs des Motors 110 erreicht werden kann, kann das ECM 450 des Kraftfahrzeugsystems 100 dafür ausgelegt sein, ein Testverfahren durchzuführen, das im Fließdiagramm von 6 dargestellt ist. Es ist möglich, dieses Testverfahren nur einmal durchzuführen oder während der Lebenszeit des Kraftfahrzeugsystems 100 periodisch zu wiederholen, zum Beispiel wenn der Motor 110 gestartet wird oder nachdem der Motor ausgeschaltet wurde.
Allgemein ausgedrückt wird bei dem Testverfahren das ECM 450 dazu veranlasst, den VGT-Aktuator 256 zu betreiben, um die beweglichen Flügel 253 hin zur vollständig geöffneten Position zu drehen (Block 600), bis sie tatsächlich den mechanischen Stift 260 erreichen, der durch den Punkt Q in der charakteristischen Kurve von 7 angezeigt wird.
Sobald die Flügel 253 an dem mechanischen Stift 260 anschlagen, verwendet das ECM 450 bei dem Testverfahren den Positionssensor 259, um den Wert Ω₁ zu ermitteln, welcher der Position Q entspricht, die von den Flügeln 253 tatsächlich erreicht wurde (Block 700).
Anschließend kann das ECM 450 den ermittelten Positionswert Ω₁ verwenden, um einen Positionsschwellenwert Ω₂ zu berechnen, der die Maximalflussposition L definiert und dieser entspricht (Block 800).
Beispielsweise kann der Wert der Maximalflussposition Ω₂ mit der folgenden Gleichung berechnet werden: Ω₂ = Ω₁ – Δ wobei es sich bei Ω₁ um den ermittelten Positionswert, ausgedrückt als Winkelabstand von der Minimalflussposition H, und bei Δ um einen vorbestimmten Winkelversatz handelt. Dieser Winkelversatz kann ein Eichparameter sein, der durch einen Versuchsvorgang bestimmt und anschließend im Speichersystem 460 gespeichert werden kann. Der Winkelversatz Δ wird insbesondere so festgelegt, dass er groß genug ist, um zu verhindern, dass während des normalen Betriebs des Motors 110 die Flügel 253 den mechanischen Stift 260 berühren können, und dies auch im Fall kleiner Steuerungsfehler des VGT-Aktuators 256. Der Winkelversatz Δ kann beispielsweise etwa 2,5° (Winkelgrad) betragen.
Der berechnete Wert der Maximalflussposition Ω₂ wird schließlich als Winkelgrenze gesetzt, über die sich die beweglichen Flügel 253 während des normalen Betriebs des Motors 110 nicht hinausdrehen dürfen.
In einigen Ausführungsformen kann der berechnete Wert der Maximalflussposition Ω₂ mit der charakteristischen Kurve von 7 in einen entsprechenden zulässigen Minimalwert der Ladedruckanforderung umgewandelt werden.
Dank dieser Strategie wird die charakteristische Kurve F (die für alle VGT 250 derselben Familie gleich ist) auf eine spezifische Maximalflussposition L (die Ω₂ entspricht), begrenzt (bzw. bei dieser Position abgeschnitten), die für jede VGT 250 individuell bestimmt wird.
Bei dem Testverfahren können die beweglichen Flügel 253 hin zur vollständig geöffneten Position gedreht werden, wobei eine Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis angewendet wird, die schematisch in 6 dargestellt wird.
Dank dieser auf einem geschlossenen Regelkreis beruhenden Strategie legt das ECM an den VGT-Aktuator 256 eine Folge elektrischer Spannungsimpulse an (Block 605), um die Position der Flügel der VGT 253 mit dem Positionssensor 259 zyklisch zu messen (Block 610), wobei ein Fehler E (d. h. eine Differenz) zwischen dem gemessenen Wert MV der Flügelposition und einem vorbestimmten Sollwert SPV berechnet wird (Block 615) und anschließend der Fehler E als Eingabe in einen Regler 620, zum Beispiel einen Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) verwendet wird, der dafür ausgelegt ist, das Tastverhältnis DT der elektrischen Spannungsimpulse so anzupassen, dass der berechnete Fehler E minimiert wird.
Der Sollwert SPV und der gemessene Wert MV der Flügelposition können beide als Winkelabstand von der Minimalflussposition der beweglichen Flügel 253 ausgedrückt werden.
Bei dieser Regelung mit geschlossenem Regelkreis kann das ECM 450 den Sollwert SPV der Flügelposition verändern, wie dies durch den Block 625 von 6 dargestellt ist und durch das Diagramm von 8 im Einzelnen veranschaulicht wird.
Insbesondere setzt das ECM 450 anfänglich den Sollwert SPV auf einen vorbestimmten ersten Zielwert TV1, der eine Flügelposition repräsentiert, die sich mit Sicherheit vor der vollständig geöffneten Position Ω₁ befindet, die durch den mechanischen Stift 260 definiert wird (bezogen auf die Drehrichtung der Flügel hin zur vollständig geöffneten Position). Gemäß diesem Beispiel wird der erste Zielwert TV1 so gewählt, dass er kleiner als der Wert Ω₁ ist, der die vollständig geöffnete Position repräsentiert. Da insbesondere der exakte Wert Ω₁ noch unbekannt ist, kann der erste Zielwert TV1 so gewählt werden, dass er kleiner als eine Reihe von Positionswerten ist, die statistisch gesehen die vollständig geöffnete Position Ω₁ mit Sicherheit enthalten. Der erste Zielwert TV1 kann ein Eichwert sein, der mit einem Versuchsvorgang bestimmt und im Speichersystem 460 gespeichert wird.
Während der Sollwert SPV gleichbleibend auf diesem ersten Zielwert TV1 gehalten wird, verändert sich das Tastverhältnis DT der elektrischen Spannungsimpulse in Reaktion auf die Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis, wodurch der VGT-Aktuator 256 betrieben wird, um die Flügel 253 zu der Position zu drehen, die dem Wert TV1 entspricht.
Sobald die Flügel 253 Position erreicht haben, die dem ersten Zielwert TV1 entspricht, kann das ECM 450 den Sollwert SPV allmählich vom ersten Zielwert TV1 zu einem zweiten Zielwert TV2 verändern. Der zweite Zielwert TV2 repräsentiert eine Flügelposition, die sich mit Sicherheit jenseits der vollständig geöffneten Position Ω₁ befindet, die durch den mechanischen Stift 260 definiert wird (bezogen auf die Drehrichtung der Flügel hin zur vollständig geöffneten Position). Gemäß diesem Beispiel wird der zweite Zielwert TV2 so gewählt, dass er größer als der Wert Ω₁ ist, der die vollständig geöffnete Position repräsentiert. Da insbesondere der exakte Wert Ω₁ noch unbekannt ist, kann der zweite Zielwert TV2 so gewählt werden, dass er größer als eine Reihe von Positionswerten ist, die statistisch gesehen die vollständig geöffnete Position mit Sicherheit enthalten. Der zweite Zielwert TV2 kann ein Eichwert sein, der mit einem Versuchsvorgang bestimmt und im Speichersystem 460 gespeichert wird.
Während sich der Sollwert SPV vom ersten Zielwert TV1 zum zweiten Zielwert TV2 verändert, passt die Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis automatisch das Tastverhältnis DT der elektrischen Spannungsimpulse an (siehe 8), wodurch der VGT-Aktuator 256 die Flügel 253 allmählich zu der Position dreht, die dem Zielwert TV2 entspricht. Da der Zielwert TV2 eine Flügelposition jenseits der vollständig geöffneten Position repräsentiert, erreichen die Flügel 253 nie den Zielwert TV2, sondern stoßen bereits früher gegen den mechanischen Stift 260.
Die Veränderung des Sollwerts SPV vom ersten Zielwert TV1 zum zweiten Zielwert TV2 kann im Verlauf der Zeit linear sein. Insbesondere die Veränderungsrate (d. h. die Neigung der Rampe, die TV1 und TV2 verbindet) kann so gewählt werden, dass sich die Flügel 253 langsam genug an den mechanischen Stift 260 annähern, um einen heftigen Aufprall zu vermeiden. Die Veränderungsrate kann ein Eichparameter sein, der mit einem Versuchsvorgang bestimmt und im Speichersystem 460 gespeichert wird.
Wenn die Flügel 253 den mechanischen Stift 260 erreicht haben, beginnt der Absolutwert des Tastverhältnisses DT des elektrischen Spannungsimpulssignals abrupt zu steigen (es ist zu beachten, dass die Tastverhältniswerte im Diagramm von 8 negativ sind), da der Regler 620 den zunehmenden Fehler E zwischen dem Sollwert SPV und dem gemessenen Positionswert MV nicht mehr kompensieren kann.
Das ECM 450 kann dieses Phänomen nutzen und dafür ausgelegt sein, den Absolutwert des Tastverhältnisses DT der elektrischen Spannungsimpulse zu überwachen und festzustellen (Block 630 von 6), dass die beweglichen Flügel 253 den mechanischen Stift 260 erreichen, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse einen vorbestimmten Schwellenwert DTth übersteigt (Block 635).
Um nicht durch mögliche Spitzen des Absolutwerts des Tastverhältnisses, die zum Beispiel auf Geräusche oder andere vorübergehende Erscheinungen zurückzuführen sind, getäuscht zu werden, kann die Feststellung erfolgen, wenn der Absolutwert des Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse den Schwellenwert DTth länger als während eines vorbestimmten Zeitraums übersteigt.
Der Tastverhältnis-Schwellenwert DTth und der Zeitraum können Eichparameter sein, die mit einem Versuchsvorgang bestimmt und im Speichersystem 460 gespeichert werden. Der Tastverhältnis-Schwellenwert DTth kann beispielsweise etwa 30% betragen.
Sobald festgestellt wurde, dass sich die Flügel 253 in der vollständig geöffneten Position befinden, kann das ECM 450 die Regelungsstrategie mit geschlossenem Regelkreis stoppen, aber den VGT-Aktuator 256 weiterhin betreiben, um die Flügel 253 gegen den mechanischen Stift 260 zu drücken (Block 635). Zu diesem Zweck kann das ECM 450 dafür ausgelegt sein, an den VGT-Aktuator 256 eine Folge elektrischer Spannungsimpulse anzulegen, die einen vorbestimmten Tastverhältnis-Zielwert (d. h. Absolutwert) DTtar aufweisen.
Der Zielwert DTtar unterscheidet sich von 0 (null), ist aber kleiner als der Schwellenwert DTth, so dass die beweglichen Flügel 253 fest am mechanischen Anschlag 260 gehalten werden, aber der VGT-Aktuator nicht überhitzt wird.
Der Zielwert DTtar kann ein Eichparameter sein, der mit einem Versuchsvorgang bestimmt und im Speichersystem 460 gespeichert wird. Der Tastverhältnis-Zielwert DTtar kann zum Beispiel etwa 28% betragen.
Während sich die beweglichen Flügel 253 in diesem Zustand befinden, führt das ECM 450 die oben genannte Ermittlung der vollständig geöffneten Position durch (Block 700 von 6).
Insbesondere kann das ECM 450 dafür ausgelegt sein, die Position der beweglichen Flügel 253 mehrmals mit dem Positionssensor 259 zu messen (Block 705), um einen Durchschnitt der gemessenen Werte der Flügelposition (Block 710) zu berechnen und schließlich den berechneten Durchschnitt als Positionswert Ω₁ zu setzen, welcher der vollständig geöffneten Position der beweglichen Flügel 253 entspricht (Block 715).
Schließlich kann das ECM 450 den ermittelten Positionswert Ω₁ verwenden, um den Wert der Maximalflussposition Ω₂ zu berechnen, wie dies oben erklärt wurde (Block 800). In der vorstehenden Zusammenfassung und genauen Beschreibung wurde wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt; es sollte jedoch beachtet werden, dass es eine große Anzahl von Abänderungsmöglichkeiten gibt. Es sollte auch beachtet werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu dienen, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder den Aufbau in welcher Weise auch immer einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende Zusammenfassung und genaue Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung zur Umsetzung von wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform bieten, wobei es sich von selbst versteht, dass verschiedene Abänderungen bei den Funktionen und Anordnungen der anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Äquivalenten definiert ist.
Bezugszeichenliste

100: Kraftfahrzeugsystem
110: Verbrennungsmotor (ICE)
120: Motorblock
125: Zylinder
130: Zylinderkopf
135: Nockenwelle
140: Kolben
145: Kurbelwelle
150: Verbrennungsraum
155: Nockenwellenverstellsystem
160: Kraftstoffinjektor
170: Kraftstoffrohr
180: Kraftstoffpumpe
190: Kraftstoffquelle
200: Einlasskrümmer
205: Lufteinlassleitung
210: Einlass
215: Ventile
220: Auslass
225: Auslasskrümmer
230: Turbolader
240: Kompressor
250: Turbine
251: Turbinengehäuse
252: Turbinenrad
253: Flügel
254: Verbindungsstange
255: ringförmiger Rahmen
256: VGT-Aktuator
257: rotierende Welle
258: Hebelanordnung
259: Positionssensor
260: mechanischer Stift
265: Intercooler
270: Abgassystem
275: Abgasrohr
280: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
300: Abgasrückführungssystem (EGR)
310: EGR-Kühler
320: EGR-Ventil
330: Drosselklappe
340: Luftmassenfluss- und Temperatursensor
350: Sensor für Krümmerdruck und -temperatur
360: Verbrennungsdrucksensor
380: Sensoren für Kühlflüssigkeits- und Öltemperatur und den zugehörigen Füllstand
400: Kraftstoffleistendrucksensor
410: Nockenwellenpositionssensor
420: Kurbelwellenpositionssensor
430: Sensoren für Druck und Temperatur der Abgase
440: EGR-Temperatursensor
445: Gaspedalpositionssensor
450: elektronisches Steuergerät (ECM)
460: Speichersystem
600: Block
605: Block
610: Block
615: Block
620: Regler
625: Block
630: Block
635: Block
640: Block
700: Block
705: Block
710: Block
715: Block
800: Block
A: Drehachse
B: Drehachse
C: Drehachse

Claims

Turboladersystem für einen Verbrennungsmotor (110), umfassend eine Turbine mit variabler Geometrie (250) mit beweglichen Flügeln (253), einen elektrischen Aktuator (256), der so gekoppelt ist, dass er die beweglichen Flügel (253) dreht, und ein elektronisches Steuergerät (450), das dafür ausgelegt ist, – den elektrischen Aktuator (256) zu betreiben (600), um die beweglichen Flügel (253) zu drehen, bis sie einen mechanischen Anschlag (260) erreichen, der einer vollständig geöffneten Position entspricht, – einen Positionssensor (259) zu verwenden (700), um den Positionswert (Ω₁) der beweglichen Flügel (253) zu ermitteln, sobald sie den mechanischen Anschlag (260) erreicht haben.
Turboladersystem nach Anspruch 1, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den ermittelten Positionswert (Ω₁) zu verwenden (800), um einen Positionsschwellenwert (Ω₂) zu berechnen, der einer Maximalflussposition entspricht, über die sich die beweglichen Flügel (253) während des normalen Betriebs des Turboladersystems nicht hinausdrehen dürfen.
Turboladersystem nach Anspruch 2, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Schwellenwert (Ω₂) zu verwenden, um eine vorbestimmte charakteristische Kurve (F) zu begrenzen, die die Werte eines vom Positionssensor (259) erzeugten elektrischen Signals mit entsprechenden Werten der Flügelposition in Beziehung setzt.
Turboladersystem nach Anspruch 2, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Positionsschwellenwert (Ω₂) als Differenz zwischen dem ermittelten Positionswert (Ω₁) und einem vorbestimmten Winkelversatz (Δ) zu berechnen.
Turboladersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den elektrischen Aktuator (236) mit den folgenden Schritten zu betreiben: – Speisen (605) des elektrischen Aktuators (256) mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse, um die beweglichen Flügel (253) in Richtung auf den mechanischen Anschlag (260) zu drehen, – Verwenden (610) des Positionssensors (259), um die Position der beweglichen Flügel (253) während der Drehung zu messen, – Berechnen (615) eines Fehlers (E) zwischen dem gemessenen Wert (MV) der Position der beweglichen Flügel und einem Sollwert (SPV) davon, – Verwenden eines Reglers (620), um den Wert (DT) eines Tastverhältnisses der elektrischen Spannungsimpulse auf Basis des berechneten Fehlers (E) anzupassen.
Turboladersystem nach Anspruch 5, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Sollwert (SPV) der Flügelposition von einem ersten Zielwert (TV1) zu einem zweiten Zielwert (TV2) zu verändern (625), wobei der erste Zielwert (TV1) eine Flügelposition repräsentiert, die sich vor der vollständig geöffneten Position befindet, und wobei der zweite Zielwert (TV2) eine Flügelposition repräsentiert, die jenseits der vollständig geöffneten Position ist.
Turboladersystem nach Anspruch 6, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Sollwert (SPV) vom ersten zum zweiten Zielwert im Verlauf der Zeit linear zu verändern.
Turboladersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Tastverhältnis-Absolutwert (DT) der elektrischen Spannungsimpulse zu verwenden (635), um festzustellen (630), wann die beweglichen Flügel (253) den mechanischen Anschlag (260) erreicht haben.
Turboladersystem nach Anspruch 8, wobei das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt ist, festzustellen (630), dass die beweglichen Flügel (253) den mechanischen Anschlag (260) erreicht haben, wenn der Tastverhältnis-Absolutwert der elektrischen Spannungsimpulse einen vorbestimmten Schwellenwert (DTth) davon übersteigt (635).
Turboladersystem nach Anspruch 9, wobei das elektronische Steuergerät dafür ausgelegt ist, den elektrischen Aktuator (256) mit einer Folge elektrischer Spannungsimpulse zu speisen (640), die einen vorbestimmten Tastverhältnis-Zielwert (DTtar) aufweisen, sobald die beweglichen Flügel (253) den mechanischen Anschlag (260) erreicht haben, wobei dieser Tastverhältnis-Zielwert (DTtar) der elektrischen Spannungsimpulse kleiner als der Schwellenwert (DTth) davon ist.
Turboladersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei der Regler (620) ein Proportional-Integral-Differenzial-Regler ist.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Steuergerät (450) dafür ausgelegt ist, den Positionswert (Ω₁) der beweglichen Flügel (253) mit folgenden Schritten zu ermitteln: – Verwenden (705) des Positionssensors (259), um die Position der beweglichen Flügel (253) mehrmals zu messen, – Berechnen (710) eines Durchschnitts des gemessenen Positionswerts, – Setzen (715) des berechneten Durchschnitts als Positionswert (Ω₁) der beweglichen Flügel (253), welcher der vollständig geöffneten Position entspricht.
Kraftfahrzeugsystem (100), umfassend einen Verbrennungsmotor (110) und ein Turboladersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.