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Die
Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Betätigungseinrichtung
zum Öffnen
und Schließen
eines Wastegatekanals, beispielsweise eines Wastegate-Kanals eines
Turbinengehäuses.
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Die
aktuelle Diskussion um CO2-Emissionen der
Fahrzeuge, sowie ständig
steigende Kraftstoffpreise bewirken, dass der Fahrzeug-Endkunde
verstärkt
auf einen geringeren Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs achtet. Eine
geeignete Maßnahme
zum Erreichen dieses Ziels ist zum Beispiel das sog. „Turbo-Downsizing”. Dieser
Begriff steht für
die Strategie einen kleinvolumigeren Motor zu verwenden, diesen jedoch
durch Aufladung, zum Beispiel durch einen Abgasturbolader, zu verstärken. Dies
bewirkt eine Verschiebung des Motorbetriebspunktes im normalen Fahrbetrieb
hin zu höheren
Lasten und vermindert somit vor allem Drosselverluste, außerdem kann das
Gewicht des Motors bei gleicher Leistung reduziert werden, was ebenfalls
zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch beiträgt. Um die Motorleistung zu erhöhen verdichtet
der Abgasturbolader die vom Motor angesaugte Luft, dadurch gelangt
mehr Luft in den Zylinder, diesem kann nun mehr Kraftstoff zugemessen
werden und somit erhöht
sich das Drehmoment, dass der Motor liefert. Da der Motor allerdings nicht
immer sein maximales Drehmoment zur Verfügung stellen muss ist es sinnvoll
den Grad dieser Aufladung zu variieren.
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Aus
diese Grund ist es zur Zeit gängig
die Leistung an der Turbine, d. h. die Abgasseite des Turboladers,
so einzustellen, dass der Verdichter, d. h. die Frischluftseite
des Turboladers, den gewünschten
Druck aufbaut. Zum Einstellen der Turbinenleistung gibt es mehrere
Verfahren. Ein solches Verfahren basiert auf einer variablen Turbinengeometrie (VTG)
Hierbei wird durch eine Veränderung
in der Anströmung
des Turbinenrades der Staudruck im Abgastrakt vor der Turbine verändert. Unterschiedliche Varianten
dieser Technologie sind beispielsweise die variable Leitschaufel-Verstellung
(VNT = Variable Nozzle Turbine). Diese wird derzeit oft bei Turboladern
im Dieselbereich verwendet. Ein andere Variante dieser Technologie
ist die variable Schiebehülsen Turbine
(VST). Neben Turboladern die nach dem Prinzip der variablen Turbinengeometrie
aufgebaut sind gibt es auch Turbolader die beispielsweise ein Wastegate
aufweisen. Bei dieser Anordnung wird der Druck vor der Turbine eingestellt,
indem ein Teil des Abgasstroms um die Turbine herumgeleitet und
abgeblasen wird. Diese Technologie findet zur Zeit vor allem Anwendung
zur Aufladung von Ottomotoren. Der Vorteil liegt hierbei in der
besseren Verträglichkeit
des Systems gegenüber
hohen Abgastemperaturen.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, das Wastegate bzw. den Wastegate-Kanal
mittels einer Wastegate-Klappe zu betätigen bzw. zu öffnen und zu
schließen.
Das Öffnen
und Schließen
der Wastegate-Klappe erfolgt dabei mittels eines pneumatischen Aktuators.
Die Regelung mittels einem pneumatischen Aktuator birgt einige Nachteile.
Dies sind beispielsweise das Flattern der Klappe im Abgasstrom kurz
vor dem Öffnen
der Klappe und die damit verbundene Zertrümmerung des Klappensitzes.
Außerdem
ist es mit einer Überdruckdose
nur möglich zu
regeln, wenn genügend
Ladedruck vorhanden ist.
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Aus
diesem Grund soll die Regelung durch einen elektrischen Aktuator übernommen
werden. Aufgrund der geringeren Leistungsdichte des elektrischen
Aktuators bezogen auf die Druckdose würde die bisherige Größe des Stellgebers
deutlich überschritten
werden. Die bisherige Schließkinematik
der Wastegate-Klappe mit ihrem hohen Stellmoment hat bei der Regelung
mit einem elektrischen Aktuator eine hohe Dauerbestromung und eine
hohe Energieaufnahme von einem Boardnetz des Pkws zur Folge.
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Es
gibt derzeit unterschiedliche Entwicklungsprojekte, bei denen das
Wastegate zum Beispiel durch eine Elektromotor betätigt wird.
Dabei wird die Drehbewegung mit Hilfe einer Gewindestange in eine
Linearbewegung umgesetzt. Das Problem hierbei ist jedoch, dass der
Motor/Getriebeverbund auf den Punkt der höchsten Stellkraft des Wastegates
ausgelegt sein muss, um es in jedem Fall schließen zu können. Das heißt, der
Antrieb ist für
den größten Teil
des Arbeitsbereichs sehr stark überdimensioniert,
da diese Art von Aktuator in allen Bereichen die gleiche Kraft aufbringen
kann.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Betätigungseinrichtung
für ein
Wastegate eines Turboladers bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Turbolader mit einer Betätigungseinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader
mit einer Betätigungseinrichtung
zum Öffnen und
Schließen
eines Wastegate-Kanals
bereitgestellt, wobei die Betätigungseinrichtung
ein Hubmagnetelement aufweist.
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Der
Turbolader mit der Betätigungseinrichtung
zum Öffnen
und Schließen
eines Wastegates hat dabei den Vorteil, dass dessen Hubmagnetelement
den Weg/Kraftanforderungen zum Öffnen
und Schließen
des Wastegates, beispielsweise mittels einer Wastegate-Klappe, entgegenkommt.
Das heißt, das
Hubmagnetelement kann bei einem geschlossenen Wastegate-Kanal beispielsweise
eine große Kraft
aufbringen und bei einem geöffneten
Wastegate-Kanal geringere Kräfte
bereitstellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo der Elektromotor
auf die größte Stellkraft
einer Wastegate-Klappe ausgelegt werden muss.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Hubmagnetelement derart angeordnet, dass es den Wastegate-Kanal
schließt,
wobei das Hubmagnetelement beispielsweise mit einer Wastagte-Klappe
verbunden ist, zum Schließen
des Wastegate-Kanals.
Grundsätzlich
ist es aber auch möglich ein
oder mehrere Hubmagnetelemente vorzusehen zum Schließen und/oder Öffnen des
Wastegate-Kanals. Der Vorteil des Hubmagnetelementen beim weitgehend
geschlossenen Wastegate-Kanal ist es, dass das Hubmagnetelement
in diesem Fall die größte Kraft
aufbringen kann, während
es beim weitgehend geöffneten
Wastgate-Kanal eine
geringere Kraft zur Verfügung
stellen kann und so den Weg/Kraftanforderungen einer Wastegate-Klappe entgegenkommt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Betätigungseinrichtung
einen Aktuator zum Öffnen
des Wastegate-Kanals auf, beispielsweise ein Federelement. Da das
Hubmagnetelement eine Kraft nur in einer Richtung aufbringt, kann
das Federelement zum Öffnen
des Wastegate-Kanals genutzt werden, wenn beispielsweise der Strom
bei dem Hubmagnetelement abgeschaltet wird. Das Federelement hat
hierbei den Vorteil, dass es sehr kostengünstig ist und außerdem keinen
großen
Bauraum benötigt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das Hubmagnetelement beispielsweise wenigstens ein erstes
und zweites Eiskernelement auf, wobei das erste Eisenkernelement mit
wenigstens einer Spule versehen ist an welche ein Strom anlegbar
ist. Mittels der Stromstärke
kann dabei ein Luftspalt zwischen den beiden Eisenkernelementen
eingestellt werden, wobei beispielsweise wenigstens einer der Eisenkernelemente
beweglich ist, um den Wastegate-Kanal zumindest teilweise oder vollständig zu
schließen.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Federelement derart vorgesehen und ausgebildet, dass wenn
ein entsprechender Strom an das Hubmagnetelement angelegt wird, das
Federelement teilweise oder vollständig zusammengedrückt wird
und, dass wenn der Strom an dem Hubmagnetelement abgeschaltet wird,
das Federelement sich auseinander bewegt bzw. drückt und hierbei den Wastgate-Kanal öffnet. Auf
diese Weise kann sehr einfach ein Öffnen und Schließen des
Wastegate-Kanals sichergestellt werden.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Größe des Luftspalts
beispielsweise durch wenigstens einen oder mehrere Positionssensoren
bestimmt, welche die Position der Eisenkernelemente zueinander und/oder
die Position der Wastegate-Klappe bestimmen. Auf diese Weise kann
die Wastegate-Klappe genauer angesteuert werden, wenn ihre Position
bzw. die damit verbundene Größe des Luftspalts
des Hubmagnetelements bekannt ist.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Größe des Luftspalts
auch indirekt bestimmt werden, beispielsweise durch eine Messeinrichtung
zur Messung des Stroms, der an das Hubmagnetenelement bzw. dessen
Spule angelegt ist. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit
der Luftspaltbestimmung dar.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ein Minimal-Anschlag vorgesehen, um im Wesentlichen eine Berührung der
Eisenkernelemente des Hubmagnetelements zu verhindern bzw. einen
vorbestimmten, minimalen Luftspalt zwischen den Eisenkernelementen
zu gewährleisten, da
die Kraft des Hubmagnetelements hin zu geringeren Luftspalten überproportional
zunimmt.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist ein Maximal-Anschlag vorgesehen. Dieser dient dazu die Größe des Luftspalts
so zu begrenzen, dass das Hubmagnetelement eine vorbestimmte bzw.
ausreichende Kraft aufbringen kann, um ein Funktionieren des Hubmagnetelements
zu gewährleisten.
Dies hat den Vorteil, dass die Eisenkernelemente des Hubmagnetelements
nicht ungewollt soweit auseinander bewegt werden kön nen, dass
das Hubmagnetelement beispielsweise keine ausreichende Kraft mehr
aufbringen kann, um den Wastegate-Kanal zu schließen.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das zweite Eisenkernelement beweglich vorgesehen und beispielsweise über eine Wastgate-Regelstange
mit der Wastegate-Klappe zum Öffnen
und Schließen
des Wastegate-Kanals verbunden. Durch das Bewegen des zweiten Eisenkernelements
kann mittels der Übertragung
durch die Wastgate-Regelstange die Wastgate-Klappe einfach zwischen einer geöffneten
und geschlossenen Position geschwenkt werden. Zum Schwenken der
Wastegate-Klappe
kann diese beispielsweise mit einer drehbaren Lagerung versehen
sein.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Kraft der Betätigungseinrichtung,
die auf das Wastegate einwirken kann, gleich der Kraft, die durch
das Hubmagnetelement erzeugt wird minus der Kraft des Aktuators
zum Öffnen
des Wastegates, beispielsweise des Federelement. Die Kraft der Betätigungseinrichtung
ist dabei vorzugsweise größer als
die Kraft des Abgasmassenstroms und besonders bevorzugt größer als
die Kraft des Abgasmassenstroms plus einer vorbestimmten, dynamischen
Kraft. Das hat den Vorteil, dass zusätzlich noch Beschleunigungskräfte ausgeübt werden
können,
so dass eine dynamische Regelung möglich ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Turbinengehäuses und seines Wastegate-Kanals,
wobei der Wastegate-Kanal über eine
Wastegate-Klappe und eine entsprechende Regelstange gemäß dem Stand
der Technik geöffnet
und geschlossen wird;
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2 ein
Weg-Kraft Diagramm der Schließkräfte einer
Wastegate-Klappe;
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3 eine
schematische Ansicht einer Steuerdose mit einem elektropneumatischen
Wandler (EPW);
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4 ein
schematische Ansicht eines Topfmagnets bzw. Hubmagnets;
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5 Eine
schematische Ansicht einer Anordnung eines Hubmagnets zur Ansteuerung
einer Wastegate-Klappe gemäß der Erfindung;
und
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6 ein
Weg-Kraft Diagramm eines Hubmagneten und einer Rückstellfeder bei der Betätigungseinrichtung
zur Betätigung
der Wastgate-Klappe gemäß der Erfindung.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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Im
Folgenden soll exemplarisch auf eine Turbine mit einem Wastegate
bzw. Wastegate-Kanal eingegangen werden. Die Erfindung bietet vor
allem hier ein besonderes Verbesserungspotential. Grundsätzlich kann
die Erfindung aber auf jede Art von Einrichtung mit einem Wastegate
angewendet werden.
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Im
Allgemeinen funktioniert ein Wastegate 10, wie es in 1 dargestellt
ist, derart, dass wenn eine Wastegate-Klappe 12 zum Öffnen und
Schließen
eines Wastegate-Kanals 14 geschlossen ist, der gesamte
Abgasmassenstrom über
eine Turbine bzw. deren Turbinenrad 16 und Turbinenschaufeln 17 geleitet
wird. Soll nun die Leistung an der Turbine verringert werden, beispielsweise
um den Grad der Aufladung zu verringern, so wird die Wastegate-Klappe 12 entsprechend
geöffnet
und ein Teil des Abgasmassenstroms fließt durch den Wastegate-Kanal 14 des Turbinengehäuses 15 an
der Turbine vorbei. Dies bewirkt, dass sich der Druck vor der Turbine
verringert. Daraus ergibt sich wiederum, dass bei einem geschlossenen
Wastegate 10, die Schließkräfte an der Wastegate-Klappe 12 sehr
viel größer sind
als bei einem geöffneten
Wastegate 10. Ein Aktuator der also für die maximal nötige Kraft
dimensioniert ist, ist daher gleichzeitig für den gesamten übrigen Arbeitsbereich
der Wastegate-Klappe 12 überdimensioniert. In 1 ist
als Aktuator 18 beispielsweise eine Wastegate-Regelstange 20 vorgesehen,
die mit der Wastegate-Klappe 12 über eine drehbare Lagerung 22 gekoppelt
ist, um die Wastegate-Klappe 12 zwischen einer geöffneten
Position und einer geschlossenen Position hin- und her zu schwenken.
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In 2 ist
ein Weg-Kraft Diagramm der Schließkräfte der Wastegate-Klappe 12 gezeigt.
Darin ist gezeigt, dass die Kraft bei geschlossener Wastegate-Klappe 12 am
größten ist.
Mit dem schrittweisen Öffnen
der Wastegate-Klappe 12 kann die Kraft reduziert werden,
bis die Wastegate-Klappe 12 am Ende in einer vollständig geöffneten
Position ist.
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Bisher
ist es aus dem Stand der Technik bekannt, wie in 3 gezeigt
ist, die Kraft zum Schließen
der Wastegate-Klappe 12 über eine Wastegate-Regelstange 20 durch
eine sog. Steuerdose 24 aufzubringen. Die Steuerdose 24 wird
dabei über
einen elektropneumatischen Wandler (EPW) 26 mit einem Steuerdruck
beaufschlagt. Dieser elektropneumatische Wandler 26 moduliert
aus dem Umgebungsdruck und einem von dem Verdichter (nicht dargestellt)
bereitgestellten Überdruck
einen entsprechenden Steuerdruck, der in einer Druckkammer 28 der
Steuerdose 24 eingestellt wird. In 3 ist eine
Steuerdose 24 mit einem elektropneumatischen Wandler 26 und
einem solchen Überdrucksystem dargestellt.
Wenn in der Druckkammer 28 der Steuerdose 24 ein
Umgebungsdruck herrscht, so wird das Wastegate durch das Federelement 30 bzw.
hier die Feder geschlossen gehalten. Die Druckkammer 28 ist
dabei durch eine Membran 29 begrenzt. Hinter der Membran 29 ist
das Federelement 30 angeordnet. Um nun das Wastegate zu öffnen, muss
durch den Verdichter ein wenn auch geringer – Ladedruck erzeugt werden.
Im Falle eines Ottomotors wird der Ladedruck im Teillastbetrieb,
der der am meisten vorherrschende Betriebszustand des Motors ist,
allerdings wieder weggedrosselt. Damit ist die Arbeit zum Verdichten
der Luft jedoch verloren. Somit wird die Gesamteffizienz des Motors
verringert.
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Hierzu
analog kann das Wastegate auch mit Hilfe einer Steuerdose durch
ein sog. Unterdrucksystem betätigen
werden. Bei diesem Unterdrucksystem ist das Federelement bzw. hier
die Feder anders herum verbaut, so dass sie das Wastegate offen
hält. Nun
wird zwischen dem Umgebungsdruck und einem Unterdruck durch einen
elektropneumatischen Wandler EPW ein Steuerdruck eingestellt, der
das Wastegate aktiv zuzieht. Der Vorteil ist hierbei, dass keine
Leistung benötigt
wird um das Wastegate zu öffnen,
außerdem
ist beim Motorstart das Wastegate ebenfalls offen, so dass das Abgas
nicht über
die Turbine fließt
und somit der Katalysator schneller erwärmt werden kann. Ein Nachteil
ist aber, dass eine spezielle Unterdruckpumpe benötig wird,
sowie ein Druckreservoir und entsprechende Verschlauchungen. Diese
zusätzlichen
Bauteile verursachen jedoch weitere Kosten. Außerdem führen sie zu zusätzlichem
Gewicht. Des Weiteren verursacht die zusätzliche Unterdruckpumpe wiederum
Reibungsverluste und verringert somit die Gesamteffizienz des Motors.
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Die
Erfindung sieht nun vor, einen elektrischen Aktuator 32 für die Ansteuerung
des Wastegates 10 zu verwenden, der durch seine Charakteristik den
speziellen Weg/Kraftanforderungen der Wastegate-Klappe 12 entgegen
kommt, d. h. der bei geschlossener Wastegate-Klappe 12 eine
große
Kraft aufbringen kann. Der dafür
aber bei einer geöffneten Wastegate-Klappe 12 keine
großen
Kräfte
zur Verfügung
zu stellen braucht. Für
diesen Einsatzzweck eignet sich sehr gut ein sog. Hubmagnetelement 34 oder
auch Topfmagnet, wie es in 4 dargestellt
ist.
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Bei
dem Hubmagnetelement 34, wie es in 4 gezeigt
ist, wird mit Hilfe von Wicklungen 36 einer Spule 37,
durch die ein elektrischer Strom fließt, ein Magnetfeld erzeugt.
Die Feldlinien werden dabei durch ein erstes Einsenkernelement 38 geführt. Ein weiteres,
zweites Eisenkernelement 40, das beweglich gelagert ist,
schließt
die magnetischen Feldlinien zu einem Ring. Es gibt jedoch einen
Bereich in dem die Feldlinien durch die Luft gehen. Da diese Magnetfeldlinien
das Bestreben haben den Luftspalt 42 zwischen dem ersten
und zweiten Eisenkernelement 38, 40 zu verkleinern,
wird dadurch eine Kraft generiert, wie sie in 4 mit
einem Pfeil eingezeichnet ist.
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Je
kleiner der Luftspalt 42 zwischen den beiden Eisenkernelementen 38, 40 ist,
desto höher
ist die Induktivität
der Spule 37 und desto stärker ist das Magnetfeld bei
gleichem Strom und umso stärker wird
die Kraft. Daraus ergibt sich eine Weg-Kraft Charakteristik für das Hubmagnetelement 34,
die der des Wastegates 10 sehr ähnlich ist. Mit anderen Worten,
das Hubmagnetelement 34 kann dann die größte Kraft
erzeugen, wenn die beiden Eisenkernelemente 38, 40 möglichst
nahe beieinander sind bzw. der Luftspalt 42 zwischen ihnen
möglichst
klein ist. Entsprechend benötigt
die Wastegate-Klappe 12 die größte Kraft, wenn sie den Wastegate-Kanal 14 des Wastegates 10 schließt. Des
Weiteren wird die Kraft des Hubmagnetelements 34 umso kleiner
je weiter die beiden Eisenkernelemente 38, 40 voneinander entfernt
sind bzw. je größer der
Luftspalt 42 zwischen ihnen ist. Entsprechend benötig die
Wastegate-Klappe 12 eine geringer werdende Kraft je weiter
sie in eine geöffnete
Position bewegt wird, bis sie den Wastegate-Kanal 14 vollständig geöffnet hat.
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In 5 ist
nun schematisch ein Beispiel für eine
Anordnung zur Ansteuerung eines Wastegates 10 bei einem
Turbolader gezeigt. Die Wastegate-Regelstange 20 ist dabei
mit einer Betätigungseinrichtung 44 verbunden.
Die Betätigungseinrichtung 44 besteht
dabei beispielsweise aus einem Federelement 30, dem Hubmagnetelement 34,
sowie z. B. einer Führungsschiene 46 für das beweglichen
Eisenkernelement 40 des Hubmagnetelements 34.
Die Führungsschiene 46 ist
dabei schematisch und stark vereinfacht mit einer gestrichelten
Linie in 5 eingezeichnet. Sie kann beispielsweise
auch eine Führung
des Aktuators bilden durch die Stange zwischen den Punkten 48 und 50.
Wahlweise kann die Betätigungseinrichtung 44 zusätzlich mit
wenigstens einem Minimal-Anschlag 48 und/oder einem Maximal-Anschlag 50 versehen
sein. Die Betätigungseinrichtung 44 ist
durch die Wastegate-Regelstange 20 so mit der Wastegate-Klappe 12 verbunden,
dass die magnetische Kraft des Hubmagnetelements 34 das
Wastegate 10 schließt.
Die Wastegate-Klappe 12 wird
dabei über
eine drehbare Lagerung 22 zwischen einer geöffneten
und geschlossenen Position hin- und hergeschwenkt.
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Da
durch das Hubmagnetelement 34 nur Kraft in eine Richtung
erzeugt wird, wird eine Möglichkeit
vorgesehen, um das Wastegate 10 zu öffnen. Dies kann zum Beispiel
durch ein Federelement 30 geschehen, das durch die magnetischen
Kräfte,
die beim Anlegen eines Stroms an die Wicklung 36 der Spule 37 des
Hubmagnetelements erzeugt werden, zusammengedrückt wird und beim Abschalten
des Stroms das Hubmagnetelement 34 bzw. dessen Einsenkernelemente 38, 40 wieder
auseinanderdrückt und
damit das Wastegate 10 öffnet
bzw. die Wastgate-Klappe 12 in eine geöffnete Position bewegt.
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Die
Wastegate-Klappe 12 ist hierbei beispielsweise schwenkbar
ausgebildet, in dem die Wastegate-Klappe 12 mit einer drehbaren
Lagerung 22 versehen ist. Zum Bewegen bzw. Schwenken der Wastegate-Klappe 12 zwischen
einer geöffneten
Position, in welcher der Wastegate-Kanal 14 vollständig geöffnet ist
und einer geschlossenen Position, in welcher der Wastegate-Kanal 14 vollständig geschlossen
ist, ist die Wastegate-Klappe 12 beispielsweise über die
Wastegate-Regelstange 20 mit dem Hubmagnetelement 34 verbunden.
Zum Schließen
des Wastegates 10 bewegt sich das bewegliche, zweite Eisenkernelement 40 des
Hubmagnetelements 34, infolge eines Anlegens eines ausreichenden
Stroms an die Wicklung 36 der Spule 37, in 4 nach
links, so dass der Luftspalt 42 kleiner wird. Dabei wird
die Wastegate-Klappe 12 über die Wastegate-Regelstange 20 in
eine geschlossene Position bewegt. Je nachdem, wie groß der Strom
ist der an die Wicklungen 36 der Spule 37 angelegt
wird, kann der Luftspalt 42 zwischen den beiden Eisenkernelementen 38, 40 eingestellt
werden und damit die Öffnung
bzw. Schließposition
der Wastegate-Klappe 12, so dass der Wastegate-Kanal 14 beispielsweise
nur in einem bestimmten Verhältnis
geöffnet
bzw. nur teilweise geschlossen ist, so dass beispielsweise ein Ladedruck
geeignet eingestellt werden kann.
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Aufgrund
der speziellen Weg-Kraft Charakteristik des Hubmagnetelements 34 handelt
es sich bei diesem Aufbau um ein instabiles System, es ist somit
erforderlich die Bestromung der Wicklungen 36 der Spule 37 des
Hubmagnetelements 34 mit einer geeigneten Regelung zu unterlegen.
Um die Betätigungseinrichtung 44 erfolgreich
regeln zu können,
ist es erforderlich, die Position des Wastegates 10 bzw. der
Wastegate-Klappe 12 zu kennen und damit die Größe des Luftspalts 42 zwischen
den beiden Eisenkernen 38, 40.
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Dies
kann auf verschiedene Arten erfolgen. Einmal kann die Größe des Luftspalts 42 bzw.
die Position der Eisenkernelemente 38, 40 und/oder
die der Wastegate-Klappe 12 direkt durch wenigstens einen oder
mehrere Sensoren, z. B. Positionssensoren, bestimmt werden. Eine
weitere Möglichkeit
ist beispielsweise die Größe des Luftspalts 42 bzw.
die Position der Eisenkernelemente 38, 40 zueinander
indirekt zu bestimmen, durch die Messung des Stroms, der an die
Spule 37 angelegt wird, wenn das Hubmagnetelement 34 beispielsweise
mit einer pulsweise modulierten Spannung (PWM) angesteuert wird.
Auf diese Weise kann man durch das Verhalten des Stromflusses in
der Spule 37 auf deren Induktivität schließen.
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Da
der Abstand des beweglichen, zweiten Eisenkernelements 40 Einfluss
auf die Induktivität hat
kann man durch diese Messung auf den Abstand bzw. den Luftspalt 42 zwischen
den beiden Eisenkernelementen 38, 40 des Hubmagnetelements 34 schließen. Aus
diesem Grund ist in 5 beispielsweise eine Regelungseinrichtung
des Stroms 52 in der Spule 37 sowie eine Auswerteeinrichtung 54 zum Auswerten
des gemessenen Stroms in der Spule 37 vorgesehen, die beispielsweise
Teil der Motorsteuerung ist oder mit dieser gekoppelt ist, die die
Wastegate-Klappe 12 derart ansteuert, so dass diese den Wastegate-Kanal 14 schließt bzw.
teilweise oder vollständig öffnet, wobei
die Größe des Luftspalts 42 dabei
mit berücksichtigt
wird, wie er durch die Mess- und Auswerteeinrichtung 54 bestimmt
wird.
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6 zeigt
nun das Weg-Kraft Diagramm des Federelements 30 und des
Hubmagnetelements 34. Das Federelement 30 übt bei angezogenem
Magneten bzw. Eisenkernelementen 38, 40 eine größere Kraft
aus als bei entspanntem Magneten bzw. Einsenkernelementen 38, 40.
Die Kraft FSteller mit der die Betätigungseinrichtung 44 nun
auf das Wastegate 10 einwirken kann ergibt sich aus der
Magnetkraft FMagnet minus der Federkraft
FFeder. Diese Kraft FSteller der
Betätigungseinrichtung 44 muss
nun beispielsweise größer sein
als die Kraft des Abgasmassenstroms FGas auf
die Wastegate-Klappe 12 und beispielsweise ein Kraftüberschuss
FDyn vorhanden sein, so dass zusätzlich noch
Beschleunigungskräfte
auf die Wastegate-Klappe 12 ausgeübt werden könnten, damit eine dynamische
Regelung möglich
ist.
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Da
die Kraft des Hubmagnetelements 34 hin zu geringeren Luftspalten 42 überproportional
zunimmt, ist es sinnvoll kurz vor dem Schließen des Luftspalts 42 einen
Minimal-Anschlag 48 vorzusehen, um eine Berührung der
beiden Eisenkernelemente 38, 40 des Hubmagnetelements 34 zu
verhindern. Weiterhin ist es sinnvoll in der Betätigungseinrichtung 44 einen
maximalen Anschlag 50 vorzusehen, so dass die Wastegate-Klappe 12 nicht
beliebig weit öffnen
kann. Dies hat den Vorteil, dass verhindert werden kann, dass sich
der Luftspalt 42 zu weit vergrößert und das Hubmagnetelement 34 keine Kraft
mehr aufbringen kann, um das Wastegate 10 zu schließen bzw.
die Wastegate-Klappe
(12) geeignet zu betätigen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale
davon.
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Die
Anordnung und Verbindung des Hubmagnetenelements 34 mit
der Wastegate-Klappe 12 zum Betätigen derselben ist in 5 lediglich
beispielhaft dargestellt. Hierbei ist eine Wastegate-Regelstange 20 und
eine drehbare Lagerung 22 vorgesehen. Es kann jedoch auch
jede andere Anordnung und Einrichtung(en) vorgesehen werden, um
das Hubmagnetelement 34 mit der Wastgate-Klappe 12 derart
zu koppeln, dass die Wastegate-Klappe 12 über das
Hubmagnetelement 34 in eine geschlossene bzw. geöffnete Position
bewegt wird. Dabei kann statt einer Schwenkbewegung der Wastegate-Klappe 12 auch
ein anderer Bewegungsablauf vorgesehen sein, zum Bewegen der Wastegate-Klappe 12 zwischen
einer geöffneten
und geschlossenen Position. Des Weiteren kann das Federelement 30 aus
einer Feder oder aus mehreren Federn zusammengesetzt sein. Ebenso
kann statt einem Federelement zusätzlich oder alternativ jede
andere Einrichtung vorgesehen werden, um die Wastegate-Klappe 12 in
eine geöffnete
Position zu bewegen. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise
auch ein elektrischer, pneumatische und/oder mechanischer Aktuator
sein, um nur ein Beispiel zu nennen. Ebenso ist die Hubmagnetelement-Anordnung
mit den beiden Eisenkernelementen 38, 40 lediglich
beispielhaft und die Erfindung nicht darauf beschränkt. So
kann nicht nur eines der Eisenkernelemente 38, 40 des
Hubmagnetenelements 34 beweglich gestaltet sein, sondern
auch beide. Des Weiteren können
beide Eisenkernelemente 38, 40 mit wenigstens
einer Spule 37 zum Anlegen eines Stroms versehen sein.
Weiter können
auch mehr als zwei Eisenkernelemente 38, 40 bei
dem Hubmagnetenelement 34 eingesetzt werden.