DE19931009A1 - Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine und Vorrichtung hierzu

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Abstract

Bei einem Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist ein Abgasturbolader mit einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie vorgesehen, welche zwischen einer den wirksamen Turbinenquerschnitt reduzierenden Staustellung und einer den wirksamen Turbinenquerschnitt erweiternden Öffnungsstellung verstellbar ist, außerdem eine der Turbine zugeordnete, einstellbare Entlastungseinrichtung und ein Regelsystem zur Einstellung der Motorbremsleistung durch Manipulation des Turbinenquerschnitts und/oder der Entlastungseinrichtung. DOLLAR A Um Überlastungen im Motorbremsbetrieb zu vermeiden, werden der Turbinenquerschnitt und/oder die Entlastungseinrichtung in der Weise eingestellt, daß ein aus spezifischer Turbinenleistung und spezifischer Motorbremsleistung ermittelter Turbinenfaktor kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorbremsverfahren für eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine und eine Vorrichtung hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 15.
Aus der DE 195 43 190 A1 ist ein Motorbremssystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, die mit einer Abgas­ turbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter variabel einstellbaren Turbinengeometrie versehen ist. Das Leitgitter umfaßt Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so ein­ gestellt werden können, daß der wirksame Turbinenquerschnitt der Turbine verändert wird. Hierdurch können je nach Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Abgas­ gegendrücke im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abga­ sturbolader realisiert werden, wodurch die Leistung der Tur­ bine und die Leistung des Verdichters je nach Bedarf einge­ stellt werden können.
Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswir­ kung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Leitungsabschnitt zwischen den Zylindern und der Ab­ gasturbine baut sich ein hoher Abgasgegendruck auf, der zur Folge hat, daß Abgas mit hoher Geschwindigkeit durch die Ka­ näle zwischen den Leitschaufeln strömt und das Turbinenrad mit einem hohen Impuls beaufschlagt. Die Turbinenleistung wird auf den Verdichter übertragen, woraufhin die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft vom Verdichter unter erhöhten La­ dedruck gesetzt wird.
Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein erhöhter Abgasgegendruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Bremsventi­ le in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbe­ trieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kom­ pressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang ver­ richten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.
Ein weiteres Motorbremssystem für aufgeladene Brennkraftmaschi­ nen mit variabler Turbinengeometrie ist aus der DE 196 37 999 A1 bekannt. Die Einstellung des Motorbremssystems erfolgt mit Hilfe eines Regelsystems in Abhängigkeit verschiedener Be­ triebsparameter der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhän­ gigkeit der Drehzahl, des Ladedrucks, des Abgasgegendrucks, der Bremsleistungsanforderung etc. Über das Regelsystem kann bei­ spielsweise eine Tempomatfunktion zur Beibehaltung einer vorge­ gebenen Zielgeschwindigkeit auf Gefällstrecken realisiert wer­ den, wobei die erforderliche Bremsleistung bevorzugt über die Motorbremse erzeugt wird. Wird die Zielgeschwindigkeit trotz des Erreichens des Bremsleistungsmaximums der Motorbremse über­ schritten, so wird zusätzliche Bremsleistung über die mechani­ sche Radbremse bereitgestellt.
Im Motorbremsbetrieb muß darauf geachtet werden, daß die bau­ teilspezifische Turbinen-Drehzahlgrenze nicht überschritten wird. Insbesondere auf Gefällstrecken muß verhindert werden, daß im Motorbremsbetrieb eine die Belastungsgrenzen des Turbo­ laders übersteigende Motorbremsleistung erzeugt wird. Aus der Druckschrift DE 197 17 094 C1 ist es bereits bekannt, einen By­ pass zur Turbine mit einem Abblaseventil vorzusehen, das zur Vermeidung eines unzulässig hohen Abgasgegendrucks in Öffnungs­ stellung versetzt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einerseits ein Motor-Bremsleistungsmaximum bereitzustellen und andererseits Überlastungen im Motorbremsbe­ trieb zu vermeiden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 15 gelöst.
Gemäß der Neuerung wird ein dimensionsloser Turbinenfaktor ein­ geführt, der aus dem Verhältnis der spezifischen Turbinenlei­ stung, die im Motorbremsbetrieb erzeugt wird, zur spezifischen, aktuell erreichten Motorbremsleistung ermittelt wird. Der Tur­ binenfaktor muß unterhalb eines Grenzwerts liegen, was bei der Regelung der Motorbremsleistung als einzuhaltende Randbedingung zu berücksichtigen ist. Der Turbinenfaktor wird als Maß für die erzeugte Turbinenleistung herangezogen, wobei mit der Erfüllung der Randbedingung sichergestellt ist, daß die Turbinendrehzahl die zulässige Turbinen-Drehzahlgrenze nicht überschreitet, so daß die Bauteil-Belastungsgrenzen eingehalten werden können. Zugleich kann die variabel einstellbare Turbinengeometrie in die Staustellung zur Erzeugung eines Motor- Bremsleistungsmaximums überführt werden.
Über die Vorgabe und Einhaltung eines Grenzwerts für den Turbi­ nenfaktor wird sichergestellt, daß die Drehzahlgrenze des La­ ders nicht überschritten wird, auch wenn die Brennkraftmaschine und der Turbolader im Motorbremsbetrieb im Bereich des Brems­ leistungsmaximums gefahren werden. Die Regelung des Turbinen­ faktors erfolgt zweckmäßig über die Einstellung der spezifi­ schen Turbinenleistung ohne unmittelbare Beeinflussung der Mo­ torbremsleistung, wobei der Turbinenwirkungsgrad und/oder das Turbinen-Druckgefälle als die Turbinenleistung bestimmende Grö­ ßen manipuliert werden können.
Die Turbinenleistung wird bevorzugt über eine Entlastungsein­ richtung eingestellt, welche der Turbine zugeordnet ist, so daß die Turbine, insbesondere die variable Turbinengeometrie, unbe­ einflußt bleiben kann, solange eine ausschließliche Einstellung über die Entlastungseinrichtung zur Einhaltung des Turbinenfak­ tor-Grenzwerts möglich ist. Wenn der Turbinenfaktor allein durch Manipulation der Entlastungseinrichtung nicht mehr inner­ halb des zulässigen Grenzwertes gehalten werden kann, kann eine zusätzliche Einstellung über die variable Turbinengeometrie vorgenommen werden.
Der zulässige Turbinenfaktor-Grenzwert wird vorteilhaft in Ab­ hängigkeit des Quadrats der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl der Turbine ermittelt, die als bauteilspezifi­ scher Parameter vom Werkstoff, von der Dimensionierung etc. ab­ hängt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Drehzahlgrenze nicht überschritten werden kann.
Die spezifische Turbinenleistung, welche maßgeblich über die Regelung beeinflußt wird, bestimmt sich aus dem Turbinenwir­ kungsgrad und einem isentropen Turbinengefälle (Enthalpiediffe­ renz über die Turbine bei konstanter Entropie), das vom Turbi­ nen-Druckgefälle abhängt, wobei Wirkungsgrad und Turbinengefäl­ le jeweils linear in die Berechnung der spezifischen Turbinen­ leistung einfließen. Je nach technischer Ausführung der Entla­ stungseinrichtung wird bevorzugt nur eine der Einflußgrößen oder werden beide Einflußgrößen manipuliert.
Für den Fall, daß der Turbinenwirkungsgrad herabgesetzt werden soll, wird zweckmäßig zumindest ein Teil des Abgasmassenstromes vor dem Turbineneintritt abgezweigt und vorteilhaft durch eine als Bypass zur Turbine ausgebildete Entlastungseinrichtung ge­ leitet. Dadurch wird der die Turbine durchströmende Massenstrom herabgesetzt, der Anteil an Abgasenergie zur Umwandlung in Tur­ binenleistung wird geringer. Außerdem sinkt der Abgasgegen­ druck, das Druckgefälle nimmt ab und das durch das Druckgefälle bestimmte isentrope Turbinengefälle wird reduziert.
Soll der Turbinenwirkungsgrad erhöht werden, kann der über den Bypass abgeleitete Abgasmassenstrom wieder reduziert und dem­ entsprechend der durch die Turbine strömende Anteil erhöht wer­ den. Es steht mehr Abgasenergie zur Umwandlung in Turbinenlei­ stung zur Verfügung und das Druckgefälle steigt ebenfalls an.
Für den Fall, daß das isentrope Turbinengefälle unmittelbar be­ einflußt werden soll, wird die Entlastungseinrichtung vorzugs­ weise als Drosseleinrichtung, insbesondere als Drosselklappe, ausgebildet, die stromauf oder zweckmäßig stromab der Turbine im Abgasstrang angeordnet ist. Durch Einstellung der Drossel­ klappe kann ein gewünschtes Druckverhältnis und ein entspre­ chendes isentropes Turbinengefälle erreicht werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun­ gen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit variabler Turbinengeometrie,
Fig. 2 ein Diagramm mit diversen Motorbremsleistungs- Kennlinien in Abhängigkeit des Querschnitts einer der Turbine nachgeschalteten Drosselklappe,
Fig. 3 ein Diagramm mit Druck-Kennlinien für den Ladedruck und den Abgasgegendruck in Abhängigkeit des Quer­ schnitts der Drosselklappe.
Gemäß Fig. 1 weist die Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahr­ zeugs, beispielsweise eine Diesel-Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, einen Abgasturbolader 2 auf, der aus einem im Ansaugtrakt 3 der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter 4 zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks am Zylindereinlaß und einer Turbine 5 im Abgasstrang 6 besteht. Die Turbine 5 ist mit einer variablen, verstellbaren Turbinengeometrie ausgestattet, die mit Hilfe eines Stellglieds 9 zwischen einer Öffnungsstel­ lung mit maximalem wirksamem Turbinenquerschnitt und einer Staustellung mit minimalem wirksamem Turbinenquerschnitt ver­ stellbar ist. Die variable Turbinengeometrie kann durch Dreh­ schaufeln, durch ein axial verschiebliches Leitgitter oder durch sonstige Varioturbinentypen realisiert sein, beispiels­ weise durch Klappenturbinen mit einer zum Turbinenrad weisenden Flut, die über eine Klappe abgesperrt werden kann.
In der befeuerten Antriebsbetriebsweise ist die variable Turbi­ nengeometrie in der Regel in ihre Öffnungsstellung mit einem im Vergleich zum Motorbremsbetrieb deutlich größeren Strömungs­ querschnitt versetzt, um einen größtmöglichen Massendurchsatz durch die Turbine zu ermöglichen und eine hohe Laderleistung zu erzeugen. Die Turbine 5 wird von den unter dem Abgasgegendruck p3 stehenden Abgasen im Abgasstrang 6 zwischen dem Zylinderaus­ laß der Brennkraftmaschine und dem Turbineneinlaß angetrieben und treibt ihrerseits über eine Welle den Verdichter 4 an, der die angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Ladedruck p2 ver­ dichtet. Die verdichtete Luft wird zunächst über einen Lade­ luftkühler 8 geleitet und anschließend dem Zylindereinlaß der Brennkraftmaschine 1 zugeführt, hierdurch wird eine Steigerung der Motorantriebsleistung erzielt.
Zur Erzeugung von Motorbremsleistung wird das Leitgitter der Turbine 5 in die Staustellung mit reduziertem Querschnitt über­ führt. Daraufhin baut sich ein erhöhter Abgasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit durch Kanäle zwi­ schen den Leitschaufeln des Leitgitters und trifft auf das den Verdichter 4 antreibende Turbinenrad, wodurch auch im Ansaug­ trakt ein Überdruck entsteht. Zugleich werden Bremsventile 7 am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine 1 geöffnet, so daß die im Zylinder verdichtete Luft gegen den hohen Abgasgegendruck in den Abgasstrang 6 ausgeschoben wird.
Die Bremsleistung kann durch die Position des Leitgitters und der daraus resultierenden Einstellung des Turbinenquerschnitts beeinflußt werden. Üblicherweise wird die maximale Bremslei­ stung bei Staustellung erreicht, in der die variable Turbinen­ geometrie einen minimalen Turbinenquerschnitt aufweist.
Stromab der Turbine 5 ist im Abgasstrang 6 eine Drosselklappe 10 zur Einstellung des freien Strömungsquerschnitts im Ab­ gasstrang 6 angeordnet. Die Drosselklappe 10 wird über ein Stellglied 11 zwischen einer den Strömungsquerschnitt verrie­ gelnden Sperrstellung und einer den Strömungsquerschnitt nicht beeinträchtigenden Offenstellung verstellt. Zwischen der Turbi­ ne 5 und der Drosselklappe 10 herrscht im Abgasstrang 6 der Druck p4, stromab der Drosselklappe 10 liegt der Druck p5 an.
Zusätzlich oder alternativ zur Drosselklappe 10 kann ein die Turbine 5 überbrückender Bypass 13 mit einem einstellbaren Ab­ blaseventil 14 vorgesehen sein. Über den Bypass 13 kann zur Senkung das Abgasgegendrucks p3 Abgas stromauf der Turbine 5 aus dem Abgasstrang 6 ausgeleitet und stromab der Turbine 11 in den Abgasstrang 6 wieder eingeleitet werden. Die Menge abzulei­ tenden Abgases wird über das Abblaseventil 14 eingestellt.
Weiterhin ist der Brennkraftmaschine ein Regelsystem 12 zur Er­ zeugung von Stellsignalen zugeordnet, über die eine koordinier­ te Einstellung der Bremsventile 7 und der Stellglieder 9 und 11 der variablen Turbinengeometrie bzw. der Drosselklappe 10 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen und Parameter des Fahrzeugs und der Brennkraftmaschine erfolgt. Falls ein Bypass 13 zur Turbine vorgesehen ist, kann auch das Abblaseventil 14 im Bypass über das Regelsystem 12 eingestellt werden. Mittels des Regelsystems 12 werden insbesondere im Motorbremsbetrieb die Brennkraftmaschine 1 bzw. die der Brennkraftmaschine zuge­ ordneten Komponenten in der Weise geregelt eingestellt, daß ma­ ximale Motorbremsleistung erreicht wird.
Um im Motorbremsbetrieb Überlastungen zu verhindern, die insbe­ sondere durch eine Überschreitung der zulässigen Turbinen- Drehzahlgrenze entstehen können, erfolgt die Einstellung der variablen Turbinengeometrie und/oder der Drosselklappe 10 und/oder des Abblaseventils 14 in der Weise, daß ein Turbinen­ faktor Tu, welcher als die Turbine beschreibende Kenngröße ein­ geführt wird, einen Grenzwert Tumax nicht überschreitet. Der Turbinenfaktor Tu wird als dimensionslose Größe gemäß der Be­ ziehung
Tu = ΔhTu/ΔhMBr
ermittelt; hierin bezeichnet ΔhTu die spezifische Turbinenlei­ stung und ΔhMBr die spezifische Motorbremsleistung. Die spezi­ fische Turbinenleistung ΔhTu stellt einen Turbinen-Kennwert dar, der mit zunehmender Turbinendrehzahl ansteigt. Die spezi­ fische Motorbremsleistung ΔhMBr hängt unter anderem von der ak­ tuellen Stellung der variablen Turbinengeometrie ab. Der Turbi­ nenfaktor-Grenzwert Tumax berücksichtigt eine maximal zulässige Bauteilbelastung des Turboladers. Der Grenzwert Tumax wird ins­ besondere in Abhängigkeit der maximal zulässigen Umfangsge­ schwindigkeit Umax des Verdichterrades gemäß der Beziehung
Tumax = (f . Umax)2/ΔhMBr
ermittelt, wobei "f" einen konstanten Faktor bezeichnet, der in der Regel in der Größenordnung von 0,8 bis 0,9 liegt. Über die maximale Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterrades bzw. des Turbinenrades wird die zulässige Turbinen-Drehzahlgrenze be­ rücksichtigt. Der dimensionslose Turbinenfaktor-Grenzwert Tumax liegt an der Drehzahlgrenze zweckmäßig in einem Bereich zwi­ schen 0,15 und 0,4.
Die Regelung des Motors und der zugeordneten Komponenten zur Erzielung eines Bremsleistungsmaximums im Bereich der Drehzahl­ grenze der Turbine erfolgt in der Weise, daß der Turbinenfaktor Tu höchstens den Wert des Turbinenfaktor-Grenzwerts Tumax ein­ nimmt. Solange die Bedingung
Tu ≦ Tumax
erfüllt ist, ist sichergestellt, daß die Turbinen- Drehzahlgrenze nicht überschritten wird.
Um ein Bremsleistungsmaximum zu erreichen, wird die variable Turbinengeometrie in Staustellung überführt. Die Einhaltung der Turbinen-Drehzahlgrenze wird bevorzugt durch Einstellung der Drosselklappe 10 stromab der Turbine 5 erreicht, zugleich wird die Position der variablen Turbinengeometrie konstant gehalten. Gegebenenfalls wird die Turbinen-Drehzahlgrenze auch durch Ein­ stellung des Abblaseventils 14 im Bypass 13 unter Beibehaltung der Staustellung der variablen Turbinengeometrie eingehalten.
Die spezifische Turbinenleistung ΔhTu hängt gemäß der Beziehung
ΔhTu = ηTg . ΔhTu,s
vom Turbinenwirkungsgrad ηTg an der Drehzahlgrenze und vom isentropen Turbinengefälle ΔhTu,s ab. Der Turbinenwirkungsgrad ηTg wird aus dem gemäß aktuellen Turbinenwirkungsgrad ηT, dem die Turbine überbrückenden Abblasestrom mAbbl und dem durch den Abgasstrang bzw. die Turbine geleiteten Massenstrom mMot nach dem Zusammenhang
ηTg = ηT . (mMot - mAbbl)/mMot
ermittelt.
Das isentrope Turbinengefälle ΔhTU,s hängt von der spezifischen Wärmekapazität cp3 des die Turbine durchströmenden Massenstro­ mes, der Temperatur T3 am Turbineneintritt, dem Abgasgegendruck p3, dem Druck p4 am Turbinenaustritt und dem Isentropenexponen­ ten κ gemäß der Beziehung
ΔhTu,s = cp3 . T3 . [1 - 1/(p3/p4)( κ -1/ κ )]
ab. Der Turbinenfaktor Tu kann durch Manipulation der spezifi­ schen Turbinenleistung ΔhTu auf den Grenzwert Tumax begrenzt werden, wobei eine Einstellung sowohl über den Turbinenwir­ kungsgrad ηTg als auch über das isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s erfolgen kann. Der Turbinenwirkungsgrad ηTg wird insbesondere bei Einsatz eines Bypasses 13 mit Abblaseventil 14 durch Erhö­ hung des die Turbine überbrückenden Abblasestromes mAbbl dadurch reduziert, daß das Abblaseventil 14 geöffnet wird. Das isentro­ pe Turbinengefälle ΔhTu,s wird insbesondere durch Einstellung der Drosselklappe 10 manipuliert, indem durch Öffnung und Schließung der Drosselklappe 10 das Turbinen-Druckgefälle p3/p4 des Druckes vor und nach der Turbine 5 eingestellt wird. Hier­ bei nimmt das isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s mit sich öffnen­ der Drosselklappe 10 zu und mit sich schließender Drosselklappe 10 ab. Bei vollständig geöffneter Drosselklappe sind der Druck p4 stromauf der Drosselklappe und der Druck p5 stromab der Drosselklappe nahezu identisch; in diesem Fall wird das isen­ trope Turbinengefälle ΔhTu,s durch das Druckgefälle p3/p5 be­ stimmt.
Falls die Drehzahlgrenze durch eine ausschließliche Einstellung der Drosselklappe 10 und/oder durch ausschließliche Einstellung des Abblaseventils 14 nicht mehr eingehalten werden kann, wird zusätzlich auch die variable Turbinengeometrie in Richtung ih­ rer Öffnungsstellung verstellt, wodurch der Abgasgegendruck p3 und folglich auch das Druckgefälle p3/p4 über die Turbine 5 re­ duziert wird.
Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, als variable Turbinen­ geometrie ein verstellbares Leitgitter mit zusätzlichen Sperr­ körpern einzusetzen, deren Position unabhängig vom Leitgitter eingestellt werden kann. Die Sperrkörper können als Entla­ stungseinrichtung verwendet werden, indem durch Positionsver­ stellung der Sperrkörper das Druckgefälle und die spezifische Turbinenleistung ΔhTu verändert wird.
Dem Diagramm nach Fig. 2 können Motorbremsleistungs-Kennlinien 15 für verschiedene Turbinenquerschnitte in Abhängigkeit des Querschnitts QD der der Turbine nachgeschalteten Drosselklappe entnommen werden. In Richtung des Pfeils 16 nimmt der Turbinen­ querschnitt zu; die oberste Kennlinie repräsentiert die Stau­ stellung, die unterste Kennlinie die Öffnungsstellung der va­ riablen Turbinengeometrie. Die Kennlinien befinden sich bei ei­ nem minimalen Klappenquerschnitt QD,min auf einem lokalen Brems­ leistungsmaximum, von dem ausgehend zunächst ein Abfallen auf ein Bremsleistungsminimum bei einer Klappenstellung QD,0 und an­ schließend ein Anstieg erfolgt. Der minimale Klappenquerschnitt QD,min und die hierbei erzeugte Motorbremsleistung werden im Falle eines Schadens der variablen Turbinengeometrie eingehal­ ten.
Das schraffierte Gebiet 17 markiert einen unzulässigen Bereich oberhalb der Turbinen-Drehzahlgrenze, der zulässige Bereich wird über eine Grenzlinie 18 von dem unzulässigen, schraffier­ ten Bereich getrennt. Der Schnittpunkt zwischen der die Dreh­ zahlgrenze repräsentierenden Grenzlinie 18 und oberster, die Staustellung markierender Motorbremsleistungs-Kennlinie 15 stellt denjenigen Betriebspunkt des Laders dar, in welchem die maximale Motorbremsleistung PB,Nenn des Motors erreicht ist; die­ ser Betriebspunkt wird bei einer Klappenstellung QD,max er­ reicht. Um die maximale Motorbremsleistung zu erzielen, wird die Brennkraftmaschine im Bereich der obersten Kennlinie 15 mit der variablen Turbinengeometrie in Staustellung gefahren, wobei die Steigerung der aktuellen Motorbremsleistung PB ausschließ­ lich durch Öffnung der Drosselklappe erzielt wird, deren Regel­ bereich zwischen der Klappenstellung QD,0 und der der Drehzahl­ grenze zugeordneten Klappenstellung QD,max liegt. Falls die Drehzahlgrenze 18 erreicht wird, ist eine weitere Regelung aus­ schließlich über die Klappenstellung der Drosselklappe nicht mehr zu realisieren, vielmehr muß in diesem Fall zusätzlich die variable Turbinengeometrie in Richtung Öffnungsstellung ver­ stellt werden, damit die Drehzahlgrenze eingehalten werden kann. In diesem Fall erfolgt die Regelung entlang der Grenzli­ nie 18 in Fig. 2 in Pfeilrichtung 16 zugunsten kleinerer Turbi­ nenquerschnitte.
Fig. 3 zeigt den Ladedruck p2 und den Abgasgegendruck p3 in Ab­ hängigkeit des Querschnitts QD der Drosselklappe, jeweils dar­ gestellt für die variable Turbinengeometrie in Staustellung. Mit zunehmendem Querschnitt QD steigt der Anteil der Turbine an der erzeugten Bremsleistung, mit abnehmendem Querschnitt QD nimmt dagegen der Anteil der Drosselklappe an der erzeugten Bremsleistung zu.

Claims (15)

1. Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei
  • - ein Abgasturbolader (2) mit einer Turbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (4), welche zwischen einer den wirksamen Turbinenquerschnitt (AT) reduzierenden Staustellung und ei­ ner den wirksamen Turbinenquerschnitt (AT) erweiternden Öff­ nungsstellung verstellbar ist,
  • - eine der Turbine (5) zugeordnete, einstellbare Entlastungs­ einrichtung
  • - und ein Regelsystem (12) zur Einstellung der Motorbremslei­ stung durch Manipulation des Turbinenquerschnitts und/oder der Entlastungseinrichtung
vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Turbinenquerschnitt und/oder die Entlastungseinrich­ tung in der Weise eingestellt werden, daß die Bedingung
    Tu ≦ Tumax
    erfüllt ist, wobei
    Tu einen dimensionslosen Turbinenfaktor,
    Tumax einen bekannten turbinenspezifischen Turbinenfaktor- Grenzwert bezeichnet,
  • - daß der Turbinenfaktor (Tu) aus der Beziehung
    Tu = ΔhTu/ΔhMBr
    ermittelt wird, worin
    ΔhTu die spezifische Turbinenleistung,
    ΔhMBr die spezifische Motorbremsleistung
    bezeichnet, wobei insbesondere die spezifische Turbinenlei­ stung (ΔhTu) durch Einstellung des Turbinenwirkungsgrads (ηTg) und/oder des Turbinen-Druckgefälles (p3/p4) manipuliert wird.
2. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der turbinenspezifische Turbinenfaktor-Grenzwert (Tumax) in Abhängigkeit der maximal zulässigen Umfangsgeschwindigkeit (Umax) des Verdichterrades gemäß der Beziehung
Tumax = (f . Umax)2/ΔhMBr
ermittelt wird, worin
Umax die maximal zulässige Umfangsgeschwindigkeit des Ver­ dichterrades,
f einen konstanten Faktor
bezeichnet.
3. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Turbinenleistung (ΔhTu) sich aus der Bezie­ hung
ΔhTu = ηTg . ΔhTu,s
berechnet, worin
ηTg den Turbinenwirkungsgrad an der Drehzahlgrenze,
ΔhTu,s das isentrope Turbinengefälle
bezeichnet.
4. Motorbremsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenwirkungsgrad (ηTg) gemäß der Beziehung
ηTg = ηT . (mMot - mAbbl)/mMot
durch Manipulation eines die Turbine umgehenden Abblasestromes (mAbbl) eingestellt wird, wobei
ηT den aktuellen Turbinenwirkungsgrad,
mAbbl den die Turbine überbrückenden Abblasestrom,
mMot den durch den Abgasstrang geleiteten Massenstrom
bezeichnet.
5. Motorbremsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Entlastungseinrichtung ein die Turbine (5) überbrücken­ der Bypass (13) mit einem einstellbaren Abblaseventil (14) vor­ gesehen ist, wobei der Turbinenwirkungsgrad (ηTg) abnimmt, wenn das Abblaseventil (14) in Richtung seiner Öffnungsstellung ver­ stellt wird.
6. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das isentrope Turbinengefälle (ΔhTu,s) gemäß der Beziehung
ΔhTu,s = cp3 . T3 . [1 - 1(p3/p4)( κ -1/ κ )]
durch Manipulation des Turbinen-Druckgefälles (p3/p4) des Druc­ kes vor/nach der Turbine (5) eingestellt wird, wobei
cp3 die spezifische Wärmekapazität des die Turbine durch­ strömenden Massenstromes,
T3 die Temperatur am Turbineneintritt,
p3 den Abgasgegendruck,
p4 den Druck am Turbinenaustritt,
κ den Isentropenexponenten
bezeichnet.
7. Motorbremsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Entlastungseinrichtung eine im Abgasstrang (6) stromab der Turbine (5) angeordnete, einstellbare Drosseleinrichtung verwendet wird, wobei das isentrope Turbinengefälle (ΔhTu,s) mit sich öffnender Drosseleinrichtung zunimmt und mit sich schlie­ ßender Drosseleinrichtung abnimmt.
8. Motorbremsverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Entlastungseinrichtung eine im Abgasstrang stromauf der Turbine angeordnete, einstellbare Drosseleinrichtung verwendet wird, wobei das isentrope Turbinengefälle (ΔhTu,s) mit sich öff­ nender Drosseleinrichtung zunimmt und mit sich schließender Drosseleinrichtung abnimmt.
9. Motorbremsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle (p3/p4) des Druckes vor/nach der Turbine (5) durch Manipulation der Drosseleinrichtung eingestellt wird.
10. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosseleinrichtung eine Drosselklappe (10) verwendet wird.
11. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Turbine eine Axialschieberturbine verwendet wird.
12. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbine mit variablem Leitgitter verwendet wird.
13. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Turbinenquerschnitt durch einen verstellbaren Sperrkörper eingestellt werden kann.
14. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung des Motor-Bremsleistungsmaximums an der zu­ lässigen Drehzahlgrenze des Turboladers die variable Turbinen­ geometrie in Staustellung überführt und die Entlastungseinrich­ tung in der Weise eingestellt wird, daß der Turbinenfaktor (Tu) dem Turbinenfaktor-Grenzwert (Tumax) entspricht.
15. Vorrichtung zur Einstellung der Motorbremsleistung in einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Abgasturbolader mit einer Turbine (5) mit variabler Turbinengeometrie, welche zwischen einer den wirksamen Turbi­ nenquerschnitt reduzierenden Staustellung und einer den wirksa­ men Turbinenquerschnitt erweiternden Öffnungsstellung verstell­ bar ist, mit einer der Turbine (5) zugeordneten, einstellbaren Entlastungseinrichtung, und mit einem Regelsystem (12) zur Er­ zeugung eines Stellsignals zur Manipulation des Turbinenquer­ schnitts und/oder der Entlastungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellsignal die Entlastungseinrichtung in der Weise ma­ nipuliert, daß die Bedingung
ΔhTu/ΔhMBr ≦ Tumax
erfüllt ist, wobei
Tumax einen turbinenspezifischen Turbinenfaktor-Grenzwert
ΔhTu die spezifische Turbinenleistung,
ΔhMBr die spezifische Motorbremsleistung
bezeichnet.
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