DE102008051818A1

DE102008051818A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008051818A1
Application number: DE102008051818A
Authority: DE
Inventors: Jens Kühlmeyer; Christoph Dr. Kornmesser; Werner Siebert
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: DE102008051818B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgasturbolader, wobei über einen Bypasskanal für eine Turbine des Abgasturboladers ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine wenigstens teilweise an der Turbine vorbeigeleitet wird, wobei in dem Bypasskanal ein Wastegateventil zum wahlweisen Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet ist, welches in einem geschlossenen Zustand gegen einen Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei bei Lastanforderung an die Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei diese vorbestimmte erste Kraft derart gewählt wird, dass gegen den Abgasdruck der Brennkraftmaschine während der Lastanforderung und wenigstens bis zum Erreichen eines gewünschten Drehmomentes der Bypasskanal strömungsdicht verschlossen ist. Hierbei wird in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt, wobei die vorbestimmte zweite Kraft kleiner ist als die vorbestimmte erste Kraft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgasturbolader, wobei über einen Bypasskanal für eine Turbine des Abgasturboladers ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine wenigstens wahlweise an der Turbine vorbei geleitet wird, wobei in dem Bypasskanal ein Wastegateventil zum wahlweise Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet ist, welches in einem geschlossenen Zustand gegen einen Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei bei Lastanforderung an die Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei diese vorbestimmte erste Kraft derart gewählt wird, dass gegen den Abgasdruck der Brennkraftmaschine während der Lastanforderung der Bypasskanal strömungsdicht und druckdicht verschlossen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Ladedruckregelung bei Motoren mit Abgasturboaufladung durch einen Abgasturbolader (ATL) erfolgt bei Wastegate-Turboladern nach dem Stand der Technik mittels pneumatisch arbeitender Druckaktuatoren. Bei aufgeladenen Ottomotoren kommen zum überwiegenden Teil Turbolader mit Starrgeometrie 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 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 ab, dass im LowEnd-Torque Betrieb und im transienten Betrieb das Wastegate (WG) bzw. der Bypasskanal 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 Abgasgegenddruck 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.
Eine Lösung stellen beispielsweise aus der DE 10 2007 009 267 A1 bekannte, elektrisch betriebene Wastegatesteller dar, die unabhängig von den am Motor anliegenden Drücken geregelt werden können. In Abhängigkeit von der Stromstärke, mit der der elektrisch betriebene Wastegatesteller angesteuert wird, wirkt eine mehr oder weniger starke Betätigungskraft auf ein mechanisches Betätigungsglied des Wastegateventils. Die hohen Zuhaltekräfte kommen dann zum Einsatz, wenn im Sinne einer guten Dynamik das Wastegate während eines Lastsprunges aus tiefen Motorlasten heraus der ATL so schnell wie möglich ein hohes Druckverhältnis aufbauen muss. Diese Betriebszustände sind zwangsläufig auf wenige Sekunden begrenzt, da die maximale Zuhaltekraft des elektrischen Wastegate-Aktuators (WG-Aktuator) nur benötigt wird, bis das Nennmoment des Motors erreicht wird. Eine Überhitzungsgefahr für den Stellmotor des el. WG-Aktuators besteht also nicht.
Bei Performance- oder auch Sportkonzepten kann mit Hilfe eines elektrischen WG-Stellers die Antwortzeit des Motors auf Lastsprünge noch weiter verkürzt werden, wenn das WG nicht erst im Moment der Momentanforderung geschlossen wird, sondern schon vorher geschlossen ist. In diesem Fall wird bewusst auf das Verbrauchspotential verzichtet, das mit einem elektrischen WG-Aktuator in der Teillast (TL) erschlossen werden kann. Da speziell leistungsstarke Motoren sehr lange in der TL betrieben werden können, besteht für den Stellmotor die Gefahr, dass er überhitzt und letztendlich durchbrennt, wenn er permanent mit maximaler Kraft des Wastegateventil gegen den Wastegateventil-Sitz drückt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der o. g. Art hinsichtlich Bauteilschutz und Funktionssicherheit 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 in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei die vorbestimmte zweite Kraft kleiner ist als die vorbestimmte erste Kraft.
Dies hat den Vorteil, dass auch bei sehr langen Betriebszeiten mit geschlossenem Wastegate im Teillastbetrieb der Brennkraftmasche eine Überhitzungsgefahr des Stellmotors vermieden ist.
Zeckmäßigerweise wird nach Erreichen des gewünschten Drehmomentes nach einer Lastanforderung das Wastegateventil geöffnet oder mit der vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt.
Ein Überhitzungsschutz wird dadurch erzielt, dass das Wastegateventil längstens bis zum Überschreiten einer vorbestimmten absoluten Schließzeitschwelle mit der vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird.
Zweckmäßigerweise wird während der Lastanforderung wenigstens bis zum Erreichen eines gewünschten Drehmomentes der Bypasskanal verschlossen und das Wastegateventil mit der vorbestimmten ersten Kraft strömungsdicht gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Fig. ein schematisches Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der einzigen Fig. ist eine beispielhafte Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betätigen eines Wastegateventils in einem Bypasskanal einer Turbine eines Abgasturboladers mittels eines elektrischen Wastegatestellers bzw. elektrischen Wastegate-Aktuators dargestellt. In dem schematischen Flussdiagramm kennzeichnen Ovale eine Erfassung von Messgrößen, Rechtecke kennzeichnen Funktionen für mindestens eine Stellgröße und Rauten kennzeichnen Entscheidungsglieder. Mit ”WG” ist das Wastegateventil, mit ”LDR” ist eine Ladedruckregelung, mit ”rl” ist eine relative Luftmasse, mit ”rl_soll” ist ein berechneter Bedarf an relativer Luftmasse (Sollwert; Rechengröße aus der Momentenstruktur eines Motorsteuergerätes), mit ”rl_ist” ist eine berechnete relative Luftmasse, die aktuell für den Motor verfügbar ist (Istwert), mit ”dyn. Schließzeitschwelle” ist eine dynamische Schließzeitschwelle, mit ”abs. Schließzeitschwelle” ist eine absolute Schließzeitschwelle und mit ”el. WG-Aktuator” ist ein elektrischer Aktuator für das Wastegateventil bzw. ein elektrischer Wastegatesteller bezeichnet.
Die einzige Fig. zeigt ein Regelschema für eine Strombegrenzung des elektrischen Wastegatestellers bei dauerhaft geschlossenem Wastegateventil in der Teillast (TL). Hierzu drückt der elektrische Wastegatesteller das Wastegateventil in der Teillast nicht permanent mit voller Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz, sondern nur leicht, d. h. mit verminderter Kraft. Im Falle eines beispielsweise von einem Fahrer eines mit der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs angeforderten Lastsprunges wird die Kraft, mit der der Wastegatesteller das Wastegateventil gegen den Wastegateventil-Sitz drückt, über eine entsprechende Stromerhöhung erhöht, damit der Verschluss des Bypasskanal auch unter dem sich beim Momentenaufbau erhöhenden Differenzdruck vor und nach dem Wastegateventil strömungsdicht verschlossen bleibt. Durch die Schnelligkeit der Erhöhung des elektrischen Stromes am Wastegatesteller wird jegliche Verzögerung im Ladedruck- und damit Momentenaufbau der Brennkraftmaschine verhindert. Eine mechanische Bewegung des Wastegateventils selbst ist nicht erforderlich, da es vor dem Lastsprung schon mit kleiner Kraft, die von dem Stellmotor des Wastegatestellers dauerhaft aufgebracht werden kann, ohne sich thermisch kritisch aufzuheizen, am Wastegateventil-Sitz gehalten wurde. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die maximalen dynamischen Vorteile, die sich bei Einsatz eines elektrischen Wastegate-Aktuators ergeben, genutzt werden, ohne dass Überhitzungsschäden am Stellmotor des Wastegatestellers riskiert werden.
Bei 10 wird jeweils geprüft, ob eine Lastanforderung vorliegt. Bei 12 wird der Aktuatorstrom reduziert, so dass sich eine verminderte Andruckkraft des Wastegateventils am Wastegateventil-Sitz ergibt. Diese verminderte Kraft entspricht der zweiten Kraft. Zusätzlich wird in 14 geprüft, ob eine vorbestimmte maximale Zeitdauer erreicht ist und in diesem Fall der dem Wastegatesteller zugeführte Strom reduziert wird. Dies hat die Funktion eines thermischen Überhitzungsschutzes. Dementsprechend hängt die vorbestimmte maximale Zeitdauer von der Bauart des Wastegatestellers ab. Durch das Aufbringen des maximalen Haltestromes bei 16 wird das Wastegateventils mit der vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007009267 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Abgasturbolader, wobei über einen Bypasskanal für eine Turbine des Abgasturboladers ein Abgasstrom der Brennkraftmaschine wenigstens wahlweise an der Turbine vorbei geleitet wird, wobei in dem Bypasskanal ein Wastegateventil zum wahlweise Öffnen oder Schließen des Bypasskanals angeordnet ist, welches in einem geschlossenen Zustand gegen einen Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei bei Lastanforderung an die Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei diese vorbestimmte erste Kraft derart gewählt wird, dass gegen den Abgasdruck der Brennkraftmaschine während der Lastanforderung der Bypasskanal strömungsdicht und druckdicht verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine das Wastegateventil geschlossen und mit einer vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird, wobei die vorbestimmte zweite Kraft kleiner ist als die vorbestimmte erste Kraft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des gewünschten Drehmomentes nach einer Lastanforderung das Wastegateventil geöffnet oder mit der vorbestimmten zweiten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wastegateventil längstens bis zum Überschreiten einer vorbestimmten absoluten Schließzeitschwelle mit der vorbestimmten ersten Kraft gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Lastanforderung wenigstens bis zum Erreichen eines gewünschten Drehmomentes der Bypasskanal verschlossen und das Wastegateventil mit der vorbestimmten ersten Kraft strömungsdicht gegen den Wastegateventil-Sitz gedrückt wird.