DE102004031230A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ladedruckregelung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung für einen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader (2), wobei die Vorrichtung ein in einer Abgasbypassleitung (11) angeordnetes Regelglied (3) umfasst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Regelglied (3) ein mechanisches Regelglied (3) darstellt und dieses mit einem elektrisch betriebenen Stellglied (52) verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung des Ladeluftdrucks in einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Regelung des Abgasdrucks ein mechanisches Regelglied verwendet wird, das mittels eines elektrischen Stellglieds gesteuert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern.
• Bei Abgasturboladern wird der Abgasstrom verwendet, um eine Turbine anzutreiben, über die wiederum ein Verdichter angetrieben wird, der angesaugte Frischluft komprimiert. Diese komprimierte Frischluft, die auch als Ladeluft bezeichnet wird, wird dann der Brennkraftmaschine zugeführt. Der Ladeluftdruck ist somit abhängig von dem Abgasdruck. Um einen niedrigen Abgasdruck für den Nennleistungspunkt des Motors einstellen zu können, wäre in der Regel eine große Turbine in dem Abgasturbolader notwendig. Dies würde aber eine Trägheit des Systems bewirken, die unerwünscht ist. Weiterhin müssen auch unterschiedliche Betriebszustände in der Brennkraftmaschine eingestellt werden können. Beispielsweise muss zum Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs, das durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, der Ladeluftdruck kurzfristig erhöht werden können.
• Zu diesem Zweck wird eine Abgasbypassleitung mit einem Abgasbypassventil vorgesehen. Das Abgasbypassventil wird auch als Abblaseventil oder Waste-Gate-Ventil bezeichnet. Über die Abgasbypassleitung können Abgase der Brennkraftmaschine an der Turbine des Abgasturboladers vorbeigeleitet werden. Auf diese Weise kann die Antriebskraft für die Turbine und damit für den Verdichter nach Bedarf verringert werden. Zur Einstellung unterschiedlicher Betriebszustände wird das Abgasbypassventil über ein Stellglied geregelt.
• Bei herkömmlichen Abgasbypassventilen wird als Stellglied ein pneumatisch betriebenes Stellglied verwendet. Dieses Stellglied umfasst einen Kolben, der an einem Ende mit dem Abgasbypassventil und an einem gegenüberliegenden Ende mit einem auf Druck ansprechenden Glied verbunden ist. Das auf Druck ansprechende Glied ist typischerweise eine biegsame Membran. Die Membran teilt hierbei einen Raum in zwei Teilräume ein, wobei über die Einstellung von Drücken in den beiden Teilräumen die Position des Ventils beeinflusst wird. Die Drücke in den beiden Teilräumen werden durch einen Steuerblock anhand eines Vorsteuerkennfeldes geregelt. Somit bestehen bei dieser pneumatischen Regelung zwei Regelstrecken. Zum einen müssen die Drücke für die Teilräume des Stellglieds ermittelt werden und zum anderen muss der Ladedruck geregelt werden. Der erzeugte Ladedruck kann hierbei mit einem Soll-Ladedruck verglichen werden. Stimmt der Ist-Ladedruck nicht mit dem Soll-Ladedruck überein, so muss erneut in die erste Regelstrecke eingestiegen und die Drücke in den Teilräumen müssen angepasst werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung für Brennkraftmaschinen zu schaffen, die eine einfache und schnellere Regelung des Ladedrucks erlaubt.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einem ersten Aspekt gelöst durch eine Vorrichtung zur Ladedruckregelung für einen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader, wobei die Vorrichtung ein in einer Abgasbypassleitung angeordnetes Regelglied umfasst. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Regelglied ein mechanisches Regelglied darstellt und dieses mit einem elektrisch betriebenen Stellglied verbunden ist.
• Diese erfindungsgemäße elektromechanische Ladedruckregelung weist eine Reihe von Vorteilen auf: Durch das Vorsehen eines elektrischen Stellers kann zum einen die Regelung vereinfacht werden, da über das elektrisch betriebene Stellglied erfindungsgemäß das Regelglied unmittelbar bewegt wird. Die Bewegung erfolgt mittels mechanischer Verbindung und ohne die Einwirkung einer Pneumatik. Ist das Regelglied in einer vorbestimmten Position, so kann der sich ergebende Ladedruck direkt mit dem Soll-Ladedruck verglichen werden. Sollte dieser Vergleich eine Differenz zwischen den beiden Drücken ergeben, so kann diese einfach durch eine weitere Bewegung des Regelglieds ausgeglichen werden. Zudem arbeitet ein elektrisch betriebenes Stellglied im wesentlichen unabhängig von Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur. Während bei einem pneumatischen Stellglied die Temperatur berücksichtigt werden musste, kann bei einem elektrisch betriebenen Stellglied die Position des Regelglieds somit unabhängig von Temperatureinflüssen zuverlässig eingestellt werden.
• Somit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine erhöhte Steuergeschwindigkeit realisiert werden. Bereits aufgrund der Verringerung des Regelaufwandes kann die Steuergeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf 50% der Steuergeschwindigkeit reduziert werden, die mit einer pneumatischen Steuerung zu erwarten ist. Zudem kann durch einen Elektrosteller die Position des Regelglieds exakt angefahren werden, wodurch ein Nachregeln in der Regel entfallen kann. Auch können Änderungen der Position des Regelglieds und damit des Ladedrucks schnell und genau durchgeführt werden.
• Weiterhin erlaubt die Wahl eines elektrischen Stellers eine kompakte Bauweise. Im Vergleich zu pneumatischen Stellgliedern, bei denen Mittel für den Druckaufbau in dem Stellglied, z.B. über Leitungssysteme bereitgestellt werden müssen, ist bei einem Elektrosteller der benötigte Platz minimiert. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zur pneumatischen Regelung zuverlässiger, da Schwingungen, die bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit bei der Pneumatik auftreten würden, bei der elektromechanischen Regelung nicht auftreten.
• Einen weiteren Vorteil, den die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert, liegt darin, dass die Position des Regelglieds präzise rückgemeldet werden kann. Hierdurch wird die Fehlersuche bei einer Fehlfunktion und eine eventuell einzuleitende Korrekturmaßnahme erleichtert.
• Das elektrisch betriebene Stellglied umfasst vorzugsweise einen Elektromotor, der beispielsweise einen Hebel antreiben kann, der mit dem Regelglied verbunden werden kann. Diese Verbindung zwischen Regelglied und dem Hebel des Elektromotors ist vorzugsweise drehbar ausgelegt. Ein Elektromotor weist den Vorteil auf, dass dieser temperaturresistent bis zu Temperaturen von 200°C eingesetzt werden kann. Zudem kann mit einem relativ kompakten Elektromotor die erforderliche Verstellkraft erzeugt werden. Es können Elektromotoren für den Elektrosteller verwendet werden, die Kräfte bis zu 200 N aufbringen. Über Zwischengetriebe kann die benötigte Verstellkraft variiert werden. Zusätzlich lässt sich über den Hebel am Elektromotor der benötigte Hub und das Drehmoment exakt einstellen.
• Das mechanische Regelglied kann ein Abgasbypassventil darstellen, das in einer bevorzugten Ausführungsform ein Ventil mit Ventilkolben darstellt. Bei dieser Ausgestaltung des Regelglieds kann der Ventilkolben mit dem Stellglied verbunden sein und dessen Position durch das Stellglied verändert werden. Für die Umwandlung einer Rotationsbewegung, die beispielsweise durch den Elektrosteller ausgeführt wird, in eine translatorische Bewegung, beispielsweise des Ventilkolbens, kann zwischen dem Stellglied und dem Regelglied ein Übertragungselement vorgesehen sein. Durch die translatorische Bewegung kann beispielsweise ein Ventilkolben angehoben oder abgesenkt werden. Es ist aber auch möglich, die rotatorische Bewegung beispielsweise direkt dazu zu verwenden, eine Klappe in der Abgasbypassleitung um einen gewissen Winkel zu schwenken und dadurch den Abgasstrom zu regeln. Das Übertragungselement ist erfindungsgemäß ein mechanisches Übertragungselement und kann beispielsweise ein Hebel sein, der durch den Elektromotor angetrieben wird.
• Zwischen Hebel und Ventilkolben wird vorzugsweise ein Verbindungselement verbaut, das beispielsweise eine Öse oder Hülse darstellen kann. Da die Verbindung zwischen dem Hebel und dem Ventilkolben somit nicht starr ist, kann über dieses Verbindungselement die rotatorische Bewegung des Elektromotors in translatorische Bewegung des Ventilkolbens umgewandelt werden.
• Die im Verbindungselement und im Zwischengetriebe auftretenden Spiele werden durch eine Feder ausgeglichen. Diese Feder wird zwischen Verbindungselement und Ventilkolbengehäuse abgestützt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung des Ladeluftdrucks in einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Regelung des Abgasdrucks ein mechanisches Regelglied in einer Abgasbypassleitung verwendet wird, das mittels eines elektrisch betriebenes Stellglieds gesteuert wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in einer Ausführungsform der Ladedruck, der in der Ladeluftleitung herrscht, gemessen werden, in Abhängigkeit der geforderten Motorlast ein Steuersignal für das elektrisch betriebene Stellglied erzeugt werden, dieses Steuersignal an das Stellglied übermittelt werden und aufgrund des Steuersignals das Stellglied das mechanische Regelglied bewegen.
• Vorteile und Merkmale die bezüglich der Vorrichtung beschrieben werden, gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das Verfahren und umgekehrt.
• Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur genauer beschrieben.
• 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Der Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader ist hinreichend bekannt, so dass in der 1 lediglich der Teil der Abgasleitung gezeigt wird, an dem ein Bypass vorgesehen ist. Die Abgasleitung 1, die von der Verbrennungsmaschine über die Turbine 21, insbesondere eine Radialturbine, des Abgasturboladers zu dem Abgasauslass 2 führt, weist eine Bypassleitung 11 auf. Diese Bypassleitung 11 zweigt vor der Turbine 21 von der Abgasleitung 1, insbesondere dem Abgaskrümmerrohr 12, ab und führt unter Umgehung der Turbine 21 zurück zu der Abgasleitung 1. Von dort kann das Abgas gegebenenfalls über Abgasfilter (nicht dargestellt) an die Umwelt abgegeben werden. In der Bypassleitung 11 ist ein Abgasbypassventil 3 vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Abgasbypassventil 3 einen Kolben 31, dessen Teller den Durchmesser der Bypassleitung 11 abdeckt und dessen Kolbenstange in einer Ventilführung 32 geführt wird. Die Kolbenstange des Kolbens 31 ist in der dargestellten Ausführungsform drehbar an einem Hebel 51, der von einem Elektromotor 52 angetrieben wird, befestigt.
• Als Steller dient somit der Elektromotor 52 mit dem daran vorgesehenen Hebel 51 als Übertragungselement. Zwischen Hebel und Ventilkolben wird das Verbindungsmittel 40 verbaut. Zwischen Verbindungsmittel und Ventilführung 32 kann eine Feder (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um diese Teile gegeneinander zu verspannen. Dadurch kann das notwendige Spiel zwischen diesen Teilen ausgeglichen werden und eine zuverlässige Position des Ventilkolben 31 gewährleistet werden.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Ladedruck beispielsweise über einen Drucksensor in der Ladeluftleitung erfasst werden. Der so erfasste Druckwert kann an das Motorsteuergerät des Kraftfahrzeugs oder unmittelbar an ein separates Steuergerät für den Elektro-Steller des Abgasbypassventils geleitet werden, wo ein Steuersignal für den Elektromotor des Elektro-Stellers erzeugt wird. Aufgrund dieses Steuersignals wird der Elektromotor so angetrieben, dass dieser den Hebel 51 und darüber den Kolben 31 des Abgasbypassventils 3 in die erforderliche Stellung bringt. Ist der Ladedruck in der Ladeluftleitung beispielsweise zu hoch, so wird der Elektrosteller das Abgasbypassventil 3 öffnen, um den Strom an Abgas, der zu der Turbine 21 geleitet wird, zu verringern und dadurch die Leistung des Verdichters zu verringern.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es insbesondere auch erleichtert besonderen Situationen, wie dem sogenannten Overboost, hinreichend Rechnung zu tragen. In dieser Situation wird aufgrund der Betätigung des Fahrpedals durch den Fahrer eine plötzliche erhöhte Motorleistung zur Beschleunigung gefordert. In diesem Fall muss der Druck der Ladeluft kurzfristig und schnell erhöht werden. Dieser plötzlichen Anforderungsänderung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zuverlässig Rechnung tragen, da die Steuergeschwindigkeit hierbei sehr hoch ist.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Ladedruckregelung volldynamisch, das heißt bezüglich aller Lastwechsel im Kraftfahrzeug, verwenden zu können. Dies ist bei pneumatisch betriebenen Stellgliedern, die herkömmlicherweise verwendet werden, aufgrund der Eigenschaften, wie Kompressibilität und Strömverhalten, nicht möglich, da diese Eigenschaften schnelle Zustandsänderungen nicht erlauben und somit zu einer langsamen Regelung führen. Zudem wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Ladedruckregelung geschaffen, bei der die Anzahl von Bauteilen im Vergleich zu bekannten Regelungen reduziert wird, da der für die Pneumatik notwendige und aufwändige Aufbau entfällt. Schließlich ist die erfindungsgemäße Regelung einfach zu applizieren und kann darüber hinaus eine Positionsrückmeldung des Ventils für eine einfache Fehlersuche gewährleisten. Da der Elektrosteller gemäß der Erfindung das Abgasbypassventil direkt bewegt, sind Zeitverzögerungen minimiert und liegen beispielsweise im Millisekunden-Bereich. Auch Zustandsänderungen können aufgrund der kurzen Regelstrecke schnell nachgeregelt werden. Für die Fehlersuche reicht bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der einfache Vergleich von Soll- und Ist-Position des Ventils aus.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Ladedruckregelung für einen Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader (2), wobei die Vorrichtung ein in einer Abgasbypassleitung (11) angeordnetes Regelglied (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelglied (3) ein mechanisches Regelglied (3) darstellt und dieses mit einem elektrisch betriebenen Stellglied (52) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch betriebene Stellglied einen Elektromotor (52) umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Regelglied (3) ein Abgasbypassventil, vorzugsweise ein Ventil mit Ventilkolben (31) darstellt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stellglied (52) und dem Regelglied (3) ein Übertragungselement (51) und ein Verbindungselement (40) vorgesehen ist, die der Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung dienen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stellglied (52) und dem Regelglied (3), insbesondere zwischen dem Verbindungselement (40) und Regelglied (3), eine Feder zum Verspannen des Regelglieds (3) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens ein Zwischengetriebe für die Einstellung der Verstellkraft, die auf das Regelelement (3) aufgebracht wird.
7. Verfahren zur Regelung des Ladeluftdrucks in einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des Abgasdrucks ein mechanisches Regelglied verwendet wird, das mittels eines elektrischen Stellglieds gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladedruck, der in der Ladeluftleitung herrscht gemessen wird und in Abhängigkeit der geforderten Motorlast ein Steuersignal für das elektrische Stellglied erzeugt wird, dieses Steuersignal an das Stellglied übermittelt wird und aufgrund des Steuersignals das mechanische Regelglied bewegt wird.