DE102008051817B4

DE102008051817B4 - Verfahren zum Betätigen eines Wastegateventils

Info

Publication number: DE102008051817B4
Application number: DE102008051817.4A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hagelstein Dirk; Jens Kühlmeyer; Florian Noodt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: DE102008051817A1

Abstract

Verfahren zum Betätigen eines Wastegateventils, insbesondere einer Wastegateklappe, in einem Bypasskanal einer Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Wastegateventil mittels eines elektrischen Antriebs von einem Steuergerät verstellt wird und mittels eines Wegsensors ein Verstellweg des Wastegateventils bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Inbetriebnahme des Steuergerätes das Wastegateventil in Richtung einer geschlossenen Position, bei der der Bypasskanal verschlossen ist, solange verstellt wird, bis eine vollständig geschlossene Position erreicht wird, wobei die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass wenigstens ein vorbestimmter Parameter der Verstellung des Wastegateventils einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei diese so erkannte Position des Wastegateventils als vollständig geschlossene Position in dem Steuergerät und/oder dem elektrischen Antrieb des Wastegateventils gespeichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betätigen eines Wastegateventils in einem Bypasskanal einer Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Wastegateventil mittels eines elektrischen Antriebs von einem Steuergerät verstellt wird und mittels eines Wegsensors ein Verstellweg des Wastegateventils bestimmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Ladedruckregelung bei Motoren mit Abgasturboaufladung erfolgt bei Wastegate-Turboladern nach dem Stand der Technik mittels pneumatischen Druckaktuatoren. Bei aufgeladenen Ottomotoren kommen zum überwiegenden Teil Turbolader mit Starrgeometrie in der Turbine und Wastegate-Regelung zur Anwendung, da hier dem breiten Einsatz der beim Diesel zur Anwendung kommenden VTG-Technologie (verstellbare Turbinengeometrie) vor allem die hohen Kosten, die eine Folge der deutlich höheren Abgastemperaturen gegenüber dem Diesel sind, im Wege stehen. Für preissensitive Anwendungen wird der turboaufgeladene Ottomotor daher auch in Zukunft über Starrgeometrie-ATL und Wastegate-Regelung verfügen.
Die Entwicklung bei diesen Motoren wird auch hier zunehmend von einem hohen Drehmoment bei relativ niedrigen Drehzahlen (LowEnd-Torque) und einem verzögerungsfreien Ansprechverhalten geprägt. Diesen Sachverhalten wird mit einer Abgasturbolader(ATL)-Auslegung Rechnung getragen, die speziell für den unteren Drehzahlbereich optimiert ist. Solche ATL's sind bezüglich ihres Durchsatzvermögens, bezogen auf das Hubvolumen des Motors, sehr klein, womit sie schon bei kleinen Abgasmassenströmen hohe Druckverhältnisse über den Lader realisieren können. Bei hohen Motordrehzahlen und großen Abgasmassenströmen müssen entsprechend große Abgasmengen über das Wastegate an der Turbine vorbei geführt werden.
Die Anforderung an den Wastegate-Aktuator leitet sich daraus entsprechend derart ab, dass im LowEndTorque-Betrieb und im transienten Betrieb das Wastegate (WG) mit hoher Kraft geschlossen werden muss und im Bereich der Nennleistung ausreichend Regelreserve vorhanden sein muss, damit auch in der Höhe die Nennleistung sicher eingeregelt werden bzw. eine Abregelung zum Schutz vor Überdrehzahl am ATL erfolgen kann. Darüber hinaus soll der Abgasgegendruck im Teillastbetrieb so gering wie möglich sein, um eine verbrauchsgünstige minimale Ladungswechselarbeit einstellen zu können. Dieser Zielkonflikt kann von den bisherigen, mit Überdruck geregelten Pneumatikaktuatoren am Ottomotor nur unzureichend aufgelöst werden.
Ein elektrisch verstelltes Wastegateventil ist beispielsweise aus der DE 10 2006 000 136 A1 bekannt. Hierbei wird eine Regelung der Position des elektrischen Wastegateventils derart durchgeführt, dass die Ist-Position des elektrischen Wastegateventils mit einer Soll-Position des elektrischen Wastegateventils übereinstimmt.
Sowohl die DE 197 42 098 C2 als auch die DE 41 07 860 A1 offenbaren jeweils Verfahren, bei denen die Schließposition eines Hydraulikventils ermittelt wird, indem ein Überschreiten eines Schwellenwerts für einen die Verstellung beschreibenden Parameter festgestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o.g. Art hinsichtlich Verbrauchseinsparung und einem spontanen, motorischen Ansprechverhalten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Inbetriebnahme des Steuergerätes das Wastegateventil in Richtung einer geschlossenen Position, bei der der Bypasskanal verschlossen ist, solange verstellt wird, bis eine vollständig geschlossene Position erreicht wird, wobei die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass wenigstens ein vorbestimmter Parameter der Verstellung des Wastegateventils einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei diese so erkannte Position des Wastegateventils als vollständig geschlossene Position in dem Steuergerät abgespeichert wird.
Dies hat den Vorteil, dass eine Nullpunktlage der vollständig geschlossenen Position des Wastegateventils immer wieder neu von dem Steuergerät erlernt wird, so dass eventuelle Verschleißerscheinungen oder leichte Verzüge im Gehäuse des Krümmers bzw. Abgasturboladers effektiv ausgeglichen und die Motorperformance über die Laufzeit konstant gehalten werden kann. Vorzugsweise wird diese Prozedur bei jeder Inbetriebnahme des Steuergerätes, d.h. üblicherweise nach einem Start einer Brennkraftmaschine, durchgeführt.
Ein weiterer Ausgleich von Änderungen der Nullpunktlage aufgrund Wärmeausdehnung während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird dadurch erzielt, dass zusätzlich während des Betriebs des Steuergerätes bei einer Anforderung der Verstellung des Wastegateventils in die vollständig geschlossene Position das Wastegateventil in Richtung der geschlossenen Position, bei der der Bypasskanal verschlossen ist, solange verstellt wird, bis die vollständig geschlossene Position erreicht wird, wobei die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass wenigstens ein vorbestimmter Parameter der Verstellung des Wastegateventils einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei diese so erkannte Position des Wastegateventils als vollständig geschlossene Position in dem Steuergerät abgespeichert wird. Vorzugsweise wird diese Prozedur bei jeder Anforderung der Verstellung durchgeführt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der vorbestimmte Parameter eine Stromstärke der Bestromung des elektrischen Antriebs des Wastegateventils. Der vorbestimmte Wert der Stromstärke ist beispielsweise 75% bis 100% einer maximal möglichen Stromaufnahme des elektrischen Antriebs des Wastegateventils.
In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform ist der vorbestimmte Parameter eine Verstellgeschwindigkeit des Wastegateventils und der vorbestimmte Wert Null. Die vollständig geschlossene Position wird von dem Steuergerät dadurch erkannt, dass der vorbestimmte Wert Null der Verstellgeschwindigkeit über eine vorbestimmte Zeitspanne von beispielsweise 0,5 Sekunden bis 2 Sekunden erreicht wird. Die Verstellgeschwindigkeit wird beispielsweise aus einem mittels des Wegsensors ermittelten Verstellweg über die Zeit ermittelt.
Zum funktionssicheren Schließen des Wastegateventils wird beim Schließen des Wastegateventils von dem Steuergerät in einen aktiven Zuhaltemodus geschaltet, bei dem der elektrische Antrieb das Wastegateventil bei Stellung des Wastegateventils in vollständig geschlossener Position mit einer vorbestimmten Kraft gegen einen Anschlag der geschlossenen Stellung beaufschlagt. Die vorbestimmte Kraft ist beispielsweise gleich oder größer als 200 N, insbesondere gleich oder größer 250 N.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. eine beispielhafte Ausführungsform eines Wastegateventils in Form einer Wastegateklappe in schematischer Schnittansicht.
Die in der einzigen Fig. beispielhaft dargestellte Wastegate-Anordnung für eine Turbine (nicht dargestellt) eines Abgasturboladers (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) umfasst einen Bypasskanal 10 in dem ein Wastegateventil in Form einer Wastegateklappe 12 angeordnet ist, wobei die Wastegateklappe 12 eine Wastegate-Öffnung 26 in dem Bypasskanal 10 wahlweise öffnet oder verschließt. Ein elektrischer Wastegate-Aktuator 14 mit integriertem Wegsensor und Verbindung 16 zu einem Steuergerät (nicht dargestellt) betätigt über eine Regelstange 18 die Wastegateklappe 12 bzw. stellt eine gewünschte Stellung bzw. Position der Wastegateklappe 12 ein. In einer vollständig geschlossenen Position der Wastegateklappe 12 schlägt diese an einem Wastegate-Sitz 20 an. Ein erster Pfeil 22 kennzeichnet einen positiven Hub bzw. eine positive Auslenkung (Regelbereich) der Wastegateklappe 12 und ein zweiter Pfeil 24 kennzeichnet einen negativen Hub bzw. eine negative Auslenkung (Anlernbereich) der Wastegateklappe 12. Mit 28 ist ein für das Steuergerät bzw. den Aktuator anzulernender Nullpunkt der Wastegateklappe 12, bei der diese an dem Wastegate-Sitz 20 anschlägt, bezeichnet.
Bei der Montage werden der Aktuator 14 und die Wastegateklappe 12 mit einem leicht geöffneten Wastegateventil verbaut, so dass sich ein Montagespalt 30 ergibt. Dieser Spalt 30 beträgt beispielsweise 0,2 mm bis 1 mm zwischen Wastegateklappe 12 und Sitz 20. Sobald erstmalig eine elektrische Spannung an den Aktuator angelegt wird, beginnt dieser bzw. das Steuergerät mit einer Initialisierungssequenz. Mit dem Begriff "erstmalig" ist hier das Anlegen einer elektrischen Spannung nach einer spannungslosen Zeit (i.d.R. Nachlaufzeit) gemeint und nicht nur die allererste Inbetriebnahme des Stellers 14 bzw. des Steuergerätes. Während dieser Initialisierungssequenz lernt der Aktuator 14 bzw. das Steuergerät zum einen die Frequenz des pulsweitenmodulierten (PWM) Ansteuersignals und zum anderen den Nullpunkt 28, bei dem die Wastegateklappe 12 vollständig in dem Sitz 20 anliegt.
Dieser Nullpunkt 28 wird nach folgendem Verfahren gelernt. Bei erstmaligem Anlegen einer elektrischen Spannung verfährt der Aktuator 14 einen negativen Weg 24, bis die Stromstärke aufgrund des Widerstandes der Wastegateklappe 12 an dem Sitz 20 über einen vorbestimmten Schwellwert steigt. Dieser Schwellwert liegt idealerweise zwischen 75 % bis 100 % der maximal möglichen Stromaufnahme des Aktuators 14 und zwingend über den im normalen Regelbetrieb auftretenden maximalen Stromaufnahmen des Aktuators 14. Der bei diesem Schwellwert von dem Wegsensor detektierte Weg wird als Nullpunkt 28 definiert und im Aktuator 14 bzw. im Steuergerät gespeichert. Da die Stromstärke in der Regel nicht als Messwert zur Verfügung steht, wird diese beispielsweise über ein entsprechendes Modell errechnet. Eine alternative Erkennung des Nullpunktes 28 ist die Nutzung des Wegsensors statt der (berechneten) Stromstärke. Verändert sich die abgegriffene Spannung am Wegsensor trotz maximaler Antaktung des Aktuators 14 in negative Richtung 24 über eine Zeit von 0,5 Sekunden bis 2 Sekunden nicht mehr, wird dieser Punkt als Nullpunkt 28 festgelegt und gespeichert.
Die Ansteuerfunktionalität des WG-Stellers 14 ist erfindungsgemäß derart beschaffen, dass bei Erkennung des Nullpunktes 28 in einen aktiven Zuhaltemodus geschaltet wird. Dieser Zuhaltemodus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Steller mit einem per Applikation festgelegtem Strom die Wastegateklappe 12 gegen den Wastegate-Sitz 20 zieht. Die Stromaufnahme im Zuhaltemodus wird derart festgelegt, dass eine Stangenkraft an der Wastegate-Regelstange 18 größer als 200 N, insbesondere größer als 250 N erzielt wird. Auf diese Weise werden dynamische Vorteile im transienten Betrieb des Motors bei Verwendung eines elektrischen Wastegate-Aktuators 14 umgesetzt.
Durch die oben gegebene Definition von erstmaliger Spannungsanlage erfolgt diese Nullpunkt-Lernprozedur bei jedem Motorstart mit Steuergerätinitialisierung. Hierdurch werden eventuelle Verschleißerscheinungen oder leichte Verzüge im Krümmer-/ATL-Gehäuse über die Laufzeit effektiv ausgeglichen und die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine kann über die Laufzeit konstant gehalten werden.
Optional zusätzlich ist eine Nullpunktadaption im Betrieb vorgesehen, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Während des Motorbetriebes kann sich durch Wärmedehnungen der Abstand zwischen Wastegate-Aktuator 14 und Wastegateklappe 12 bzw. Wastegate-Sitz 20 verändern. Um auch während des Motorbetriebs immer den exakten Nullpunkt 20 des geschlossenen Wastegateventils 12 zu kennen, wird bei allen Betriebspunkten, bei denen die Wastegateklappe 12 geschlossen wird, eine neue Nullpunktidentifikation, wie oben beschrieben, durchgeführt. Da bei geschlossener Wastegateklappe 12 auf den Zuhaltemodus geschaltet wird, wie oben erläutert, wird nur der neue, dann festgestellte Nullpunkt gelernt und weiterverwendet. Hierdurch werden Wärmedehnungseinflüsse während des Motorbetriebs ausgeglichen.

Claims

Verfahren zum Betätigen eines Wastegateventils, insbesondere einer Wastegateklappe, in einem Bypasskanal einer Turbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Wastegateventil mittels eines elektrischen Antriebs von einem Steuergerät verstellt wird und mittels eines Wegsensors ein Verstellweg des Wastegateventils bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Inbetriebnahme des Steuergerätes das Wastegateventil in Richtung einer geschlossenen Position, bei der der Bypasskanal verschlossen ist, solange verstellt wird, bis eine vollständig geschlossene Position erreicht wird, wobei die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass wenigstens ein vorbestimmter Parameter der Verstellung des Wastegateventils einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei diese so erkannte Position des Wastegateventils als vollständig geschlossene Position in dem Steuergerät und/oder dem elektrischen Antrieb des Wastegateventils gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich während des Betriebs des Steuergerätes bei einer Anforderung der Verstellung des Wastegateventils in die vollständig geschlossene Position das Wastegateventil in Richtung der geschlossenen Position, bei der der Bypasskanal verschlossen ist, solange verstellt wird, bis die vollständig geschlossene Position erreicht wird, wobei die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass wenigstens ein vorbestimmter Parameter der Verstellung des Wastegateventils einen vorbestimmten Wert erreicht, wobei diese so erkannte Position des Wastegateventils als vollständig geschlossene Position in dem Steuergerät und/oder dem elektrischen Antrieb des Wastegateventils gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Parameter eine Stromstärke der Bestromung des elektrischen Antriebs des Wastegateventils ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert der Stromstärke 75% bis 100% einer maximal möglichen Stromaufnahme des elektrischen Antriebs des Wastegateventils ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Parameter eine Verstellgeschwindigkeit des Wastegateventils ist und der vorbestimmte Wert Null ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vollständig geschlossene Position von dem Steuergerät dadurch erkannt wird, dass der vorbestimmte Wert Null der Verstellgeschwindigkeit über eine vorbestimmte Zeitspanne erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne 0,5 Sekunden bis 2 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellgeschwindigkeit aus einem mittels eines Wegsensors ermittelten Verstellweg über die Zeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schließen des Wastegateventils von dem Steuergerät in einen aktiven Zuhaltemodus geschaltet wird, bei dem der elektrische Antrieb das Wastegateventil bei Stellung des Wastegateventils in vollständig geschlossener Position mit einer vorbestimmten Kraft gegen einen Anschlag der geschlossenen Stellung beaufschlagt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Kraft gleich oder größer als 200 N, insbesondere gleich oder größer 250 N, ist.