具有排气控制装置的排气涡轮增压器、用于排气涡轮增压器的排气控制装置以及用于运行排气涡轮增压器的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的具有排气控制装置的排气涡轮增压器。本发明的其它方面涉及一种用于排气涡轮增压器的排气控制装置以及一种用于运行排气涡轮增压器的方法。
背景技术
这种排气控制装置可用于在排气涡轮增压器运行时调节流过其涡轮级的排气流。通过调节排气流可改变对涡轮级的排气加载并由此调节在排气涡轮增压器运行时由涡轮增压器的与涡轮级机械耦联的压缩机级压缩的新鲜空气。
在由现有技术已知的系统中，大多数情况下直接将运动学转变成对涡轮机节气门的操纵。除了运动学之外，调节涡轮机节气门所需的致动器力例如由节气门尺寸以及在涡轮增压器运行时存在的气体力决定。
DE 10 2011 007 279 A1公开了一种具有可变涡轮机或压缩机几何结构的增压装置以及用于对其进行调节的调节装置。调节装置具有最小理论界限和/或最大理论界限，该最小理论界限和/或最大理论界限决定可变涡轮机或压缩机几何结构的最小理论流量和/或最大理论流量。最小理论界限和/或最大理论界限是能调节的和能再调节的。
US 2010/0322757 A1描述了一种具有壳体的涡轮增压器，在该壳体上连接有多个运动控制器件，借助这些运动控制器件可限制涡轮增压器调节环的轴向运动。运动控制器件可被引入相应集成在壳体中的开口中并从这些开口伸出。为了将运动控制器件固定在壳体上，可设置有自锁连接部件。
发明内容
本发明的任务在于提供开头所提及类型的排气涡轮增压器、排气控制装置和方法，通过它们能实现改善地调节流过排气涡轮增压器涡轮级的排气流。
所述任务通过具有权利要求1特征的排气涡轮增压器、通过具有权利要求5特征的排气控制装置以及通过具有权利要求6特征的方法来解决。本发明的有利设计方案是从属权利要求的技术方案。
本发明的第一方面涉及一种具有排气控制装置的排气涡轮增压器，该排气控制装置包括：排气门，该排气门用于调节在排气涡轮增压器运行时流过排气涡轮增压器的涡轮级的排气流；以及与排气门耦联的调节传动机构；和伺服马达，借助该伺服马达能在中间设有调节传动机构的情况下以闭环控制和/或开环控制的方式至少在关闭位置和至少一个另外的位置之间调节所述排气门，在关闭位置中，排气门将涡轮增压器的涡轮增压器壳体中的、在排气涡轮增压器运行时可流过排气的排气口封闭，而在所述另外的位置中，排气门释放排气口而使排气流过排气口。术语“在中间设有”在此也可理解为“在中间连接有”。
根据本发明，所述调节传动机构构造为自锁传动机构，借助该传动机构能将排气门在其关闭位置中相对于涡轮增压器壳体预紧。这是有利的，因为可通过这种自锁传动机构将排气门保持在关闭位置中，而不必为此给伺服马达供应大量能量。亦即，伺服马达可在排气门的关闭位置中至少短暂地停用，从而总体上产生排气控制装置的特别节能的运行。因此总体上能实现改善地调节流过排气涡轮增压器涡轮级的排气流。自锁传动机构一般来说引起：在伺服马达停用时使排气门不能运动或只能在力消耗非常高时、例如在高的外力作用于排气门的情况下运动。
伺服马达优选可构造为电动马达，该电动马达也可被称为旋转电动致动器(E-Steller)。与由现有技术已知的、使用真空致动器(Unterdruckdose)来操纵排气门的系统相比，由此产生多个优点。则与真空致动器相反，在使用电动马达时对调节的检查(诊断)可特别简单地实现，而在真空致动器中只能通过使用附加的行程反馈来进行诊断。相对于真空致动器，除了重量更轻之外，电动马达的其它优点在于：可通过电动马达提供预紧力作为与特征曲线族有关的力或与特征曲线族有关的调节力，并且例如能实现在使用寿命上特别高的控制品质，这仅仅是举几个例子。
在本发明的一种有利的进一步改进方案中，所述排气控制装置构造用于在伺服马达停用时使排气门在其关闭位置中保持预紧。这是有利的，因为可通过排气门使排气口保持特别紧密地封闭，而为此不需要长时间激活伺服马达。这有助于延长伺服马达的使用寿命。排气门可通过调节传动机构预紧地保持在关闭位置中。在伺服马达的停用状态下，为了借助调节传动机构使排气门保持预紧，所述伺服马达或是可不施加保持力或是可施加最小保持力。
在本发明的另一种有利的进一步改进方案中，所述调节传动机构包括至少一个蜗轮元件。这是有利的，因为通过蜗轮元件实现特别大的力传动比并且因此能将特别大的调节力传递到排气门上。通过蜗轮元件可实现特别大的预紧力用以将排气门保持在关闭位置中，而不必为此使用特别大功率的且大的伺服马达。由此，可避免随着伺服马达的大小或功率能力而来的包装、成本和能耗方面的缺点。
通过螺旋元件(该螺旋元件也可被称为螺旋传动元件)可最佳地解决在大调节行程、高调节速度和排气门关闭位置中的最大预紧力之间的目标冲突。
除了螺旋元件之外，调节传动机构优选还可具有用于操纵排气门(使排气门运动)的线性运动机构。
通过螺旋元件能以特别简单的方式实现调节传动机构的自锁效应。由此，能将伺服马达的最大电流需求限制于特别短的持续时间。
在本发明的另一种有利的进一步改进方案中，所述调节传动机构包括至少一个丝杠元件。这是有利的，因为通过丝杠元件能实现特别大的力传动比并且因此能将特别大的调节力传递到排气门上。通过丝杠元件可实现特别大的预紧力用以将排气门保持在关闭位置中，而不必为此使用高功率的且大的伺服马达。由此，可避免随着伺服马达的大小或功率能力而来的包装、成本和能耗方面的缺点。
通过丝杠元件(该丝杠元件也可被称为主轴传动元件)可最佳地解决在大调节行程、高调节速度和排气门关闭位置中的最大预紧力之间的目标冲突。
除了丝杠元件之外，调节传动机构优选还可具有用于操纵排气门(使排气门运动)的线性运动机构。
通过丝杠元件能以特别简单的方式实现调节传动机构的自锁效应。由此，能将伺服马达的最大电流需求限制于特别短的持续时间。
本发明的第二方面涉及一种用于排气涡轮增压器的排气控制装置。所述排气控制装置包括排气门，该排气门用于调节在排气涡轮增压器运行时流过排气涡轮增压器涡轮级的排气流。此外，排气控制装置包括与排气门耦联的调节传动机构。排气控制装置还包括伺服马达，借助该伺服马达能在中间设有调节传动机构的情况下以闭环控制和/或开环控制的方式至少在关闭位置和至少一个另外的位置之间调节所述排气门，在关闭位置中，排气门将涡轮增压器的涡轮增压器壳体中的、在排气涡轮增压器运行时可流过排气的排气口封闭，而在所述另外的位置中，排气门释放排气口而使排气流过排气口。
根据本发明，所述调节传动机构构造为自锁传动机构，借助该传动机构能将排气门在其关闭位置中相对于涡轮增压器壳体预紧。这是有利的，因为可通过这种自锁传动机构将排气门保持在关闭位置中，而不必为此给伺服马达供应能量。亦即，在排气门的关闭位置中可至少短暂地不用给伺服马达供应能量，而排气门不会由此从其关闭位置中运动出，从而总体上产生排气控制装置的特别节能的运行。
本发明的第三方面涉及一种用于运行根据权利要求1至4中任一项所述的排气涡轮增压器的方法，其中，使排气流流过所述排气涡轮增压器的涡轮级，并且通过至少在所述关闭位置和所述至少一个另外的位置之间调节所述排气门来控制流过所述涡轮级的排气流。这是有利的，因为由此能实现改善地调节流过排气涡轮增压器涡轮级的排气流。
与本发明的其中一个方面有关的陈述、尤其是与该方面的各个特征有关的陈述也相应类似地适用于本发明的其它方面，反之亦然。
在本发明的一种有利的进一步改进方案中，通过借助伺服马达驱动调节传动机构，将排气门在其关闭位置中至少短暂地相对于涡轮增压器壳体预紧。这是有利的，因为通过预紧可实现特别紧密地关闭排气口。由此可使不期望的排气泄漏最小。附加地，提高了运动学方面的摩擦且减小了保持力。
在本发明的另一种有利的进一步改进方案中，使所述伺服马达至少在所述排气门的关闭位置中以脉冲运行来运行，以便调节预紧力，在该预紧力的情况下，将所述排气门至少短暂地相对于所述涡轮增压器壳体预紧。通过脉冲运行(该脉冲运行一般也可被称为脉冲)可确保并可靠地调节将排气门在其关闭位置中密封所需的预紧力。在此，当预紧力例如由于温度变化而改变时，则可通过脉冲运行以控制的方式调节预紧力。
脉冲(脉冲运行)可优选周期性地和/或事件控制地、即例如在由于温度变化而离开关闭位置时进行。
如果脉冲周期性地并且因此在固定的时间间隔下进行，则可定期对排气门在其关闭位置中进行再调节。由此可在能量需求特别低的情况下实现排气门在其关闭位置中的特别持久的密封作用。
如果脉冲事件控制地进行，则能有利地对排气涡轮增压器的变化的运行条件做出反应。由此例如可对温度变化和/或排气压力变化(例如由于与排气涡轮增压器耦联的内燃机的负荷点发生变化)做出反应，其方式为，通过事件控制的脉冲对排气门在其关闭位置中进行再调节。
如果脉冲周期性地和/或事件控制地进行，则可借助排气门在其关闭位置中特别可靠地进行密封。
在本发明的另一种有利的进一步改进方案中，根据在伺服马达的脉冲运行中涡轮增压器壳体的由运行引起的变形来调节预紧力。这是有利的，因为由此可特别符合要求地调节预紧力。因此，可根据由温度引起的涡轮增压器壳体的长度变化来调节预紧力。
在本发明的另一种有利的进一步改进方案中，当力值超过预定的力值界限值时，减小在伺服马达脉冲运行时的预紧力的力值。这是有利的，因为由此例如可特别可靠地避免排气控制装置过载。例如当涡轮增压器壳体因温度而膨胀时，可能会超过力值界限值。
本发明的其它特征由权利要求、附图和附图说明得到。上面在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能分别以所给出的组合使用，而且也能以其它组合或单独使用。
附图说明
下面借助优选实施例并且参考附图详细阐述本发明。附图中：
图1示出用于排气涡轮增压器的排气控制装置的透视图；
图2示出排气涡轮增压器涡轮级的侧视图，其中，排气控制装置的排气门在关闭位置中以预紧力被压到排气口上；
图3示出涡轮级的另一侧视图；
图4示出对排气控制装置的伺服马达的操控关于时间的图表，其中通过伺服马达的脉冲运行来实现对排气门预紧力的控制；和
图5示出另一图表，该图表示出在脉冲运行时脉冲的打开和关闭。
具体实施方式
图1示出用于在图2和3中局部示出的排气涡轮增压器1的排气控制装置2。排气控制装置2在图2和3中分别示意性地在其装入在排气涡轮增压器1处的装入位置中示出。
排气控制装置2包括用于调节在排气涡轮增压器1运行时流过排气涡轮增压器1涡轮级4的排气流的排气门3。排气门3在图2和图3中在关闭位置7中示出，在该关闭位置中，排气门3将涡轮增压器1的涡轮增压器壳体10中的、在排气涡轮增压器1运行时可流过排气的排气口9封闭。
图2还示意性且用虚线示出处于不同于关闭位置7的另外的位置8中的排气门3，在该另外的位置中，排气门3释放排气口9而使排气流过排气口。
为了在关闭位置7和所述另外的位置8之间调节排气门3，排气控制装置2包括调节传动机构5，该调节传动机构一方面与排气门3耦联并且另一方面与排气控制装置2的伺服马达6耦联。排气门3因此能借助伺服马达6并且在中间设有(中间连接有)调节传动机构5的情况下受闭环控制地以及附加地或替代地受开环控制地在关闭位置7和所述另外的位置8之间进行调节。
调节传动机构5构造为自锁传动机构，借助该自锁传动机构能将排气门3在其关闭位置7中相对于涡轮增压器壳体10预紧。一般来说，伺服马达6也可构造成自锁的。通过借助伺服马达6经由调节传动机构5驱动排气门3能将排气门3在其关闭位置7中在施加预紧力F_V的情况下至少短暂地相对于涡轮增压器壳体10预紧。换言之，排气门3在其关闭位置7中可在施加预紧力F_V的情况下在排气口9的区域中被压到涡轮增压器壳体10上，以便可以说借助排气门3封闭排气口9并且由此防止排气从排气口9中不期望地流出。
排气控制装置2一般来说构造用于在伺服马达6停用时使排气门3在其关闭位置7中保持预紧。为了能以特别简单的方式实现这点，调节传动机构5可包括蜗轮元件11以及附加地或替代地包括丝杠元件12。在图2中示出蜗轮元件11并且在图3中示出丝杠元件12。
在排气涡轮增压器1运行时，排气可在涡轮机侧流过排气涡轮增压器连同在这里未进一步示出的内燃机，从而与此相应地，排气涡轮增压器1的涡轮级4在其运行时被加载(流过)排气流。通过在关闭位置7和位置8之间调节排气门3可调节排气口9的排气流流量并且由此可控制排气流。
图4和图5分别示出描述对伺服马达6的操控22关于时间21的图表。在图4中除了对伺服马达6的操控22之外附加地描绘关于时间21的行程反馈20。
从图4和5可以看出，伺服马达6可至少在排气门3的关闭位置7中以脉冲运行13运行。
在脉冲运行13的情况下，可进行脉冲的关闭14，即，进行伺服马达6的这种运行或通电，使得将排气门3在其关闭位置7中在施加预紧力F_V的情况下压到排气口9上。亦即可通过脉冲运行13调节预紧力F_V，在该预紧力的情况下，排气门3至少短暂地相对于涡轮增压器壳体10被预紧。脉冲运行13例如可作为伺服马达6的矩形通电进行。一般来说，当力值超过预定的力值界限值时，则可减小在伺服马达6脉冲运行13时的预紧力F_V的力值。
为了在脉冲运行13和传统运行之间更好地进行区分，图4还示出由现有技术已知的对伺服马达6的传统操控19的历程。在传统操控19的情况下，对伺服马达6进行对构件施加负载的持续通电，而本发明中在排气涡轮增压器1或排气控制装置2运行时放弃了这点。
由图4中所示的脉冲运行13的时间历程可以看出，例如脉冲的关闭14一方面可短暂地、即以周期性的、重复的时间增量进行。另一方面，脉冲运行13也可基于事件地进行，如由对图4中的与排气门3有关的行程反馈历程15和脉冲运行13的历程的综览得知的。行程反馈历程15作为事件示出排气门3的抬起16，即换言之，离开排气门3在其关闭位置7中的挡靠。抬起16表示排气门3从其关闭位置7向所述另外的位置8方向的至少轻微的移动。一旦作为事件探测到抬起16，在事件控制的干预范围中对伺服马达6加载额外脉冲17，以便克服排气门3的不期望的位置变化(在这里是抬起16)并且通过对伺服马达6加载额外脉冲17将排气门3在施加预紧力F_V的情况下再次在关闭位置7中压到排气口9上。
由于因运行引起的变形、例如由于因温度引起的涡轮增压器壳体10的长度变化可能发生抬起16。换言之，涡轮增压器壳体10的由运行引起的变形可构成事件，在脉冲运行13范围中通过额外脉冲17对该事件做出反应。
图5示出在脉冲运行13中除了脉冲的关闭14以外也可进行脉冲的打开18，即换言之，也可进行对伺服马达6的这种控制，使得该伺服马达借助自锁调节传动机构5至少短时间地使排气门3从关闭位置7向所述另外的位置8方向运动。所述脉冲的打开18也可被称为卸载脉冲。通过图5中所示的在脉冲运行13范围中交替的脉冲的打开18和脉冲的关闭14可减小或增大在伺服马达6的脉冲运行13时的预紧力F_V的力值，从而至少可在很大程度上防止超过预定的力值界限值。通过脉冲的打开18首先可减小预紧并且因此减小预紧力F_V的力值并且通过接着的脉冲的关闭14可确保在排气门3挡靠中、即在排气门3关闭位置7中的期望预紧(预紧力F_V的期望力值)。卸载脉冲也可短暂地、即以周期性的、重复的时间增量进行。
附图标记列表
1 排气涡轮增压器
2 排气控制装置
3 排气门
4 涡轮级
5 调节传动机构
6 伺服马达
7 关闭位置
8 位置
9 排气口
10涡轮增压器壳体
11蜗轮元件
12丝杠元件
13脉冲运行
14脉冲的关闭
15行程反馈历程
16抬起(排气门的抬起；离开挡靠)
17额外脉冲(事件控制的脉冲运行)
18脉冲的打开
19传统操控
20行程反馈
21时间
22操控
F_V 预紧力
