EP0990781B1 - Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0990781B1
EP0990781B1 EP99116963A EP99116963A EP0990781B1 EP 0990781 B1 EP0990781 B1 EP 0990781B1 EP 99116963 A EP99116963 A EP 99116963A EP 99116963 A EP99116963 A EP 99116963A EP 0990781 B1 EP0990781 B1 EP 0990781B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
engine braking
procedure according
engine
turbine geometry
turbine
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP99116963A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0990781A2 (de
EP0990781A3 (de
Inventor
Erwin Schmidt
Siegfried Sumser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
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Publication of EP0990781A3 publication Critical patent/EP0990781A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0990781B1 publication Critical patent/EP0990781B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits
    • F02D9/06—Exhaust brakes

Definitions

  • the invention relates to an engine braking method for a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • an internal combustion engine with an exhaust-gas turbocharger which has an exhaust-gas turbine with a turbine geometry which can be variably adjusted via an adjustable guide-rail.
  • the baffle comprises vanes which can be adjusted by means of an actuator to vary the effective turbine cross section of the turbine.
  • different high exhaust back pressures can be realized in the section between the cylinders and the turbine, whereby the performance of the exhaust gas turbocharger can be adjusted as needed.
  • the guide grid is transferred to a stowed position, in which the turbine cross section is reduced, whereby a high exhaust back pressure is built up.
  • the exhaust gas flows at high speed through the channels between the vanes and urges the turbine wheel with a high pulse.
  • the turbine power is transferred to the compressor, whereupon the combustion air supplied to the engine from the compressor is placed under increased boost pressure.
  • the cylinder is acted upon on the input side with increased pressure, on the output side is between the cylinder outlet and the exhaust gas turbocharger on an increased exhaust back pressure, the counteracts the blowing of the compressed air in the cylinder into the exhaust system.
  • the piston In engine braking operation, the piston must perform compression work in the compression and Ausschiebehub against the high pressure in the exhaust system, whereby a strong braking effect is achieved.
  • the invention is based on the problem to influence the behavior of the engine brake with simple measures in such a way that adapted to different situations braking is possible.
  • a bandwidth for the movement of the component influencing the effective turbine cross-section is defined, within which the variable turbine geometry can assume different positions depending on the current situation.
  • the hard and soft brake settings mark limits within the maximum possible positions, which are characterized by the stowed position with minimum turbine cross section and the opening position with maximum turbine cross section; the bandwidth marked by the hard and soft brake settings represents a cutout within the maximum possible stop-limited positions of the turbine geometry.
  • the effective turbine cross section is more reduced than in the soft brake setting
  • a higher exhaust back pressure in the exhaust line upstream of the turbine is created and also a higher engine braking power can be generated than in the softer brake setting.
  • any settings of the variable turbine geometry are possible.
  • the hard brake setting and the soft brake setting are in a certain ratio to a starting position of the turbine geometry associated with the fired drive mode.
  • the turbine geometry assumes its smallest cross section in the starting position in this operating mode, which is opened further from the initial position with increasing load or rotational speed, the turbine cross section in the starting position usually being further open than in the stowed position.
  • a sufficiently broad moving band for the variable turbine geometry is set, which allows the generation of sufficiently high braking power in the hard brake setting range and, moreover, permits smaller engine brake powers in the range of the soft brake setting.
  • variable turbine geometry adjusting travel is greatly reduced. It is sufficient to vary the setting of the variable turbine geometry in a smaller range, but this covers the main engine braking power sections. This has the advantage that a small travel for the variable turbine geometry allows large changes in engine braking performance.
  • the turbine geometry can be done with little effort and in a short time be adjusted between the different braking positions. This makes it possible to react quickly to new driving situations and to influence the dynamic behavior of the vehicle. If, for example, the turbine geometry is in the hard brake setting with correspondingly high engine braking power, the loader shows a fast response. If the turbine geometry in the soft brake setting with correspondingly lower engine braking power, there is a smooth, soft insertion of the engine brake, resulting in lower forces on the braked wheels and smaller changes in speed result. A softer engine brake setting avoids destabilizing wheel slip, whereas a harder setting can achieve maximum engine braking performance. The change from hard setting to soft setting and vice versa can be realized with short travel ranges with the least possible loss of time.
  • the starting position is in the range of the largest gradient of the engine braking power-displacement curve. Minor changes in the travel of the variable turbine geometry cause a maximum change in the engine braking power.
  • the hard brake setting and the soft brake setting are on both sides of this point in the high gradient region, so that with a short travel, a large engine brake power spectrum is covered.
  • the hard brake setting is at the engine braking power maximum, which is close to the stowage position with small opening of the turbine geometry.
  • a high exhaust back pressure is generated by the reduction of the effective turbine cross section, on the other hand, exhaust gas can flow through the open channels of the turbine geometry at high flow velocities and transmit a large flow impulse to the turbine wheel.
  • the softer brake setting is characterized by a lower engine braking performance.
  • the softer brake setting is selected so that the achievable in this setting engine braking power is lower than in the stowed position of the variable turbine geometry, in which a lying well below the maximum engine braking power is achieved.
  • the engine braking power in the softer setting is not more than 50% of the braking power in the hard setting. The braking power spectrum obtained with these settings is sufficient to provide the required engine braking power for all commonly occurring driving situations.
  • the travel that is required for adjusting the variable turbine geometry from the hard brake setting to the starting position in the fired operation the same size as the travel, which is required for adjusting the starting position for soft brake adjustment.
  • This version is characterized by a symmetrical position of the drive output position between the two brake settings, so that from the drive output position in the direction of both brake settings each have the same adjustment paths must be applied.
  • the decision on the applied engine braking power can be influenced by an automatic controller intervention, as a decision criterion different state variables of the vehicle or other operating variables are used, in particular the road inclination, the vehicle deceleration and the temperature of the wheel brakes.
  • the thrust of the trailer on the tractor can be taken into account in trailer vehicles.
  • Fig. 1a shows the course of the effective turbine cross section A T as a function of the travel s of an actuator which acts on the variable turbine geometry in the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger.
  • the turbine cross-section A T increases steadily and continuously up to a maximum A T, max , which is achieved at maximum travel s max in the open position of the variable turbine geometry.
  • the function of the turbine cross section A T increases degressively.
  • a first point A T, h Immediately adjacent to the stowage position with a minimum flow cross-section A T, min is a first point A T, h registered, which is referred to as a hard brake setting.
  • the hard brake setting A T, h is at a stroke s h of the reaches the variable turbine geometry acting actuator.
  • a point A T, A is reached, which marks a drive output position of the turbine geometry in the fired drive mode.
  • the drive output position A T, A denotes that point with a minimum flow cross section on the curve from which the variable turbine geometry in the fired drive mode in the direction of arrow 1 is adjusted in the direction of larger turbine cross sections.
  • a soft brake setting A T, w is achieved.
  • the turbine cross-section is opened wider than in the drive output position A T, A , in which the turbine cross-section is in turn opened wider than in the hard brake setting A T, h .
  • the hard brake setting A T, h , the drive output position A T, A and the soft brake setting A T, W mark adjustable, specifiable or in a control and control unit of the internal combustion engine storable or programmable points of the function of the turbine cross-section A T.
  • the variable turbine geometry of the exhaust gas turbine can only be adjusted between the hard brake setting A T, h and the soft brake setting A T, w .
  • the range between hard and soft brake setting marks a brake band 2 within the maximum possible range between the turbine cross-section minimum A T, min and the turbine cross-section maximum A T, max , wherein the brake band 2 includes the drive output position A T, A ,
  • the drive output position A T, A is located approximately in the middle between hard and soft brake setting A T, h and A T, w .
  • the travel between s h and s A is about the same size as the travel between s A and s w .
  • the engine braking power M Br increases very strongly up to a maximum P Br, max , which is reached at the travel s h with associated brake setting A T, h (FIG.
  • the increase in engine braking power is due to the higher air flow through the open flow channels of the turbine geometry and the higher power transferred to the turbine.
  • the engine braking power maximum P Br, max is at the same time the hard brake power P Br, h associated with the hard brake setting.
  • the engine braking power first decreases steeply and laterally decreases more gently down to a minimum value P Br, min , which is reached at the maximum possible travel s max .
  • the output drive power P A is centered between hard and soft braking power P Br, h and P Br, w in the region of the largest gradient of the curve.
  • the soft braking power P Br, w is slightly below the initial engine braking power M Br, 0 .
  • the soft braking power P Br, w is maximum half of the engine braking power maximum P Br, max .
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exhaust gas turbine 3, which is equipped with variable turbine geometry 4 for variable adjustment of the effective turbine cross-section.
  • the variable turbine geometry 4 which is designed, for example, as a guide grid with rotatable guide vanes, is adjusted by an actuator 5 by the travel s.
  • the actuator 5, in particular an actuator to be actuated electrically, receives actuating signals from a controller 6, which receives as input signals information about the operating state of the internal combustion engine or the vehicle and generates the control signals from the input signals.
  • the controller 6 communicates with various units in which signals are generated or input.
  • a manual setting 7 the driver can steplessly choose between a predetermined maximum, hard and a predetermined minimum, soft brake setting.
  • the selected brake setting is supplied to the controller 6 for further processing as an input signal.
  • a manual input is not mandatory, it may be appropriate to let automatically determine an optimal value for the engine braking performance in the controller 6. For conflicts between a manual input and an optimum value calculated by the controller 6, the controller value is preferred.
  • the manual setting 7 can via a Switch 13 is turned on or off.
  • the controller 6 As a further input signals to the controller 6, the current road gradient, measured with a tilt sensor 8, the current thrust, especially in trailer vehicles, measured with a thrust or force sensor 9, the current delay, measured with a deceleration sensor 10, and the current temperature of Wheel brakes, measured with a temperature sensor 11, transmitted.
  • a further unit 12 further engine and vehicle operating variables such as engine speed, load etc. are kept ready and transmitted to the controller 6 as input signals.
  • the controller 6 calculates from the input signals the respectively optimum value of the engine braking power within the predetermined braking band.
  • FIG. 3 shows a variable turbine geometry, embodied as a guide grid 14 with guide vanes 15.
  • the guide grid 14 is located in the turbine inlet cross section of the exhaust gas turbine.
  • the gap cross section 17 between two adjacent vanes 15 can be varied, whereby the effective turbine cross section can be variably adjusted.
  • the gap cross-section 17 is reduced to a minimum.
  • the effective turbine cross section is thus also minimal;
  • the variable turbine geometry assumes its stowed position.
  • the turbobar factor TBF is less than 2 ⁇ . The value may be less than 0.5 ⁇ .
  • the turbobardening factor is on the order of less than 5 ⁇ , preferably in a range between 1 ⁇ and 3 ⁇ .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der DE 196 37 999 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, der eine Abgasturbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter variabel einstellbaren Turbinengeometrie aufweist. Das Leitgitter umfaßt Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so verstellt werden können, dass der wirksame Turbinenquerschnitt der Turbine verändert wird. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine können dadurch verschieden hohe Abgasgegendrücke im Abschnitt zwischen den Zylindern und der Turbine realisiert werden, wodurch die Leistung des Abgasturboladers je nach Bedarf eingestellt werden kann.
  • Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswirkung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in der der Turbinenquerschnitt verringert ist, wodurch ein hoher Abgasgegendruck aufgebaut wird. Das Abgas strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle zwischen den Leitschaufeln und beaufschlagt das Turbinenrad mit einem hohen Impuls. Die Turbinenleistung wird auf den Verdichter übertragen, woraufhin die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft vom Verdichter unter erhöhten Ladedruck gesetzt wird.
  • Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Druck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein erhöhter Abgasgegendruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Verhalten der Motorbremse mit einfachen Maßnahmen in der Weise zu beeinflussen, dass eine an unterschiedliche Situationen angepaßte Bremsung möglich ist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Durch die Vorgabe von zwei Brems-Einstellungen bzw. Bremspositionen der variablen Turbinengeometrie wird eine Bandbreite für die Bewegung des den wirksamen Turbinenquerschnitt beeinflussenden Bauteils definiert, innerhalb der die variable Turbinengeometrie in Abhängigkeit der aktuell vorliegenden Situation unterschiedliche Stellungen einnehmen kann. Die harte und die weiche Brems-Einstellung markieren hierbei Grenzwerte innerhalb der maximal möglichen Positionen, die durch die Staustellung mit minimalem Turbinenquerschnitt und die Öffnungsstellung mit maximalem Turbinenquerschnitt gekennzeichnet sind; die durch die harte und die weiche Brems-Einstellung markierte Bandbreite stellt einen Ausschnitt innerhalb der maximal möglichen, durch Anschläge begrenzten Positionen der Turbinengeometrie dar. In der harten Brems-Einstellung ist der wirksame Turbinenquerschnitt stärker reduziert als in der weichen Brems-Einstellung, so dass in der harten Brems-Einstellung ein höherer Abgasgegendruck im Abgasstrang stromauf der Turbine entsteht und auch eine höhere Motorbremsleistung erzeugt werden kann als in der weicheren Brems-Einstellung. Zwischen den beiden Brems-Einstellungen sind beliebige Einstellungen der variablen Turbinengeometrie möglich.
  • Die harte Brems-Einstellung und die weiche Brems-Einstellung stehen in einem bestimmten Verhältnis zu einer der befeuerten Antriebsbetriebsweise zugeordneten Ausgangsstellung der Turbinengeometrie. Bei befeuertem Antrieb nimmt die Turbinengeometrie in der Ausgangsstellung ihren kleinsten Querschnitt ein in dieser Betriebsweise ein, der von der Ausgangsstellung beginnend mit zunehmender Last bzw. Drehzahl weiter geöffnet wird, wobei der Turbinenquerschnitt in Ausgangsstellung üblicherweise weiter geöffnet ist als in Staustellung. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die harte Brems-Einstellung zwischen der Staustellung mit kleinstmöglichem Turbinenquerschnitt und der Ausgangsstellung und die weiche Brems-Einstellung zwischen der Ausgangsstellung und der Öffnungsstellung mit größtmöglichem Turbinenquerschnitt liegt. Die beiden Brems-Einstellungen liegen somit diesseits und jenseits der Ausgangsstellung für den befeuerten Betrieb.
  • Dadurch wird einerseits ein ausreichend breites Bewegungsband für die variable Turbinengeometrie festgelegt, das die Erzeugung ausreichend hoher Bremsleistungen im Bereich der harten Brems-Einstellung erlaubt und darüberhinaus kleinere Motorbremsleistungen im Bereich der weichen Brems-Einstellung zuläßt.
  • Andererseits wird der Bereich des die variable Turbinengeometrie verstellenden Stellwegs stark reduziert. Es reicht aus, die Einstellung der variablen Turbinengeometrie in einem kleineren Bereich zu variieren, der jedoch die wichtigsten Motorbremsleistungs-Abschnitte erfaßt. Dies hat den Vorteil, dass ein kleiner Stellweg für die variable Turbinengeometrie große Änderungen der Motorbremsleistung erlaubt.
  • Da nur relativ kleine Stellwege aufgebracht werden müssen, kann die Turbinengeometrie mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit zwischen den verschiedenen Bremspositionen verstellt werden. Dadurch ist es möglich, auf neue Fahrsituationen schnell zu reagieren und das dynamische Verhalten des Fahrzeugs zu beeinflussen. Befindet sich beispielsweise die Turbinengeometrie in der harten Brems-Einstellung mit entsprechend hoher Motorbremsleistung, so zeigt der Lader ein schnelles Ansprechverhalten. Befindet sich die Turbinengeometrie in der weichen Brems-Einstellung mit entsprechend geringerer Motorbremsleistung, so erfolgt ein gleichmäßiges, weiches Einsetzen der Motorbremse, was geringere Kräfte auf die gebremsten Räder und kleinere Geschwindigkeitsänderungen zur Folge hat. Bei einer weicheren Einstellung der Motorbremse wird destabilisierender Radschlupf vermieden, wohingegen bei einer härteren Einstellung maximale Motorbremsleistungen erreicht werden können. Der Wechsel von harter Einstellung zu weicher Einstellung und umgekehrt kann mit kurzen Stellwegen bei geringstmöglichem Zeitverlust realisiert werden.
  • Zweckmäßig liegt die Ausgangsstellung im Bereich des größten Gradienten der Motorbremsleistungs-Stellweg-Kurve. Geringfügige Änderungen im Stellweg der variablen Turbinengeometrie bewirken eine maximale Änderung in der Motorbremsleistung. Die harte Brems-Einstellung und die weiche Brems-Einstellung befinden sich zu beiden Seiten dieses Punktes im Bereich mit hohem Gradienten, so daß mit einem kurzen Stellweg ein großes Motorbremsleistungsspektrum abgedeckt wird.
  • Die harte Brems-Einstellung liegt im Motorbremsleistungs-Maximum, das sich nahe der Staustellung bei kleiner Öffnung der Turbinengeometrie befindet. Im Motorbremsleistungs-Maximum wird durch die Reduzierung des wirksamen Turbinenquerschnitts ein hoher Abgasgegendruck erzeugt, andererseits kann durch die offenen Kanäle der Turbinengeometrie Abgas mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten strömen und einen großen Strömungsimpuls auf das Turbinenrad übertragen.
  • Die weichere Brems-Einstellung ist durch eine geringere Motorbremsleistung gekennzeichnet. Bevorzugt wird die weichere Brems-Einstellung so gewählt, dass die in dieser Einstellung erreichbare Motorbremsleistung geringer ist als in Staustellung der variablen Turbinengeometrie, in der eine deutlich unterhalb des Maximums liegende Motorbremsleistung erreicht wird. Die Motorbremsleistung in der weicheren Einstellung beträgt insbesondere nicht mehr als 50% der Bremsleistung in der harten Einstellung. Das mit diesen Einstellungen gewonnene Bremsleistungsspektrum reicht aus, um für alle üblicherweise auftretenden Fahrsituationen die erforderliche Motorbremsleistung bereitzustellen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird der Stellweg, der zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie von der harten Brems-Einstellung zur Ausgangsstellung im befeuerten Betrieb erforderlich ist, gleich groß gewählt wie der Stellweg, der zum Verstellen von der Ausgangsstellung zur weichen Brems-Einstellung erforderlich ist. Diese Ausführung zeichnet sich durch eine symmetrische Lage der Antriebs-Ausgangsstellung zwischen den beiden Brems-Einstellungen aus, so dass von der Antriebs-Ausgangsstellung in Richtung beider Brems-Einstellungen jeweils gleich Stellwege aufgebracht werden müssen.
  • Die Entscheidung über die aufzubringende Motorbremsleistung kann durch einen automatischen Reglereingriff beeinflußt werden, wobei als Entscheidungskriterium verschiedene Zustandsgrößen des Fahrzeugs bzw. sonstige Betriebsgrößen herangezogen werden, insbesondere die Straßenneigung, die Fahrzeugverzögerung und die Temperatur der Radbremsen. Als weitere Einflußgröße kann bei Gespannfahrzeugen der Schub des Anhängers auf die Zugmaschine berücksichtigt werden. Diese Regelgrößen können mit einem manuellen Eingriff, insbesondere der Geschwindigkeitsvorgabe in einer Tempomatfunktion, kombiniert werden.
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    ein Schaubild mit der Funktion des wirksamen Turbinenquerschnitts in Abhängigkeit des Stellwegs der variablen Turbinengeometrie, mit eingetragenen Bremspunkten,
    Fig. 1b
    ein Schaubild mit der Funktion der Motorbremsleistung in Abhängigkeit des Stellwegs der variablen Turbinengeometrie,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer Turbine mit variabler Turbinengeometrie und den die Geometrie beeinflussenden Zustands- und Betriebsgrößen,
    Fig. 3
    eine variable Turbinengeometrie in Gestalt eines Leitgitters mit Drehschaufeln.
  • Die in Fig. 1a dargestellte Funktion zeigt den Verlauf des wirksamen Turbinenquerschnitts AT in Abhängigkeit des Stellwegs s eines Stellglieds, welches die variable Turbinengeometrie in der Abgasturbine eines Abgasturboladers beaufschlagt. Der Turbinenquerschnitt kann auf ein Minimum AT,min reduziert werden, das einer Staustellung der variablen Turbinengeometrie mit einem Stellweg s = 0 entspricht. Von dem Minimum AT,min ausgehend steigt der Turbinenquerschnitt AT bis zu einem Maximum AT,max stetig und kontinuierlich an, das bei maximalem Stellweg smax in Öffnungsstellung der variablen Turbinengeometrie erreicht wird. Die Funktion des Turbinenquerschnitts AT steigt degressiv an.
  • Unmittelbar benachbart zur Staustellung mit minimalem Strömungsquerschnitt AT,min ist ein erster Punkt AT,h eingetragen, der im folgenden als harte Brems-Einstellung bezeichnet wird. Die harte Brems-Einstellung AT,h wird bei einem Stellweg sh des die variable Turbinengeometrie beaufschlagenden Stellglieds erreicht. Im weiteren Verlauf wird bei einem Stellweg sA ein Punkt AT,A erreicht, der eine Antriebs-Ausgangsstellung der Turbinengeometrie in der befeuerten Antriebsbetriebsweise markiert. Die Antriebs-Ausgangsstellung AT,A bezeichnet denjenigen Punkt mit minimalem Strömungsquerschnitt auf der Kurve, von dem ausgehend die variable Turbinengeometrie im befeuerten Antriebsbetrieb in Pfeilrichtung 1 in Richtung größerer Turbinenquerschnitte verstellt wird.
  • Bei einem Stellweg sw wird eine weiche Brems-Einstellung AT,w erreicht. In der weichen Brems-Einstellung AT,w ist der Turbinenquerschnitt weiter geöffnet als in der Antriebs-Ausgangsstellung AT,A, in der der Turbinenquerschnitt wiederum weiter geöffnet ist als in der harten Brems-Einstellung AT,h.
  • Die harte Brems-Einstellung AT,h, die Antriebs-Ausgangsstellung AT,A und die weiche Brems-Einstellung AT,w markieren einstellbare, vorgebbare bzw. in einer Regel- und Steuereinheit der Brennkraftmaschine speicherbare oder programmierbare Punkte der Funktion des Turbinenquerschnitts AT. Im Motorbremsbetrieb kann die variable Turbinengeometrie der Abgasturbine nur zwischen der harten Brems-Einstellung AT,h und der weichen Brems-Einstellung AT,w verstellt werden. Der Bereich zwischen harter und weicher Brems-Einstellung markiert ein Bremsband 2 innerhalb des maximal möglichen Bereiches zwischen dem Turbinenquerschnitts-Minimum AT,min und dem Turbinenquerschnitts-Maximum AT,max, wobei das Bremsband 2 die Antriebs-Ausgangsstellung AT,A einschließt.
  • Die Antriebs-Ausgangsstellung AT,A liegt etwa in der Mitte zwischen harter und weicher Brems-Einstellung AT,h bzw. AT,w. Der Stellweg zwischen sh und sA ist etwa gleich groß wie der Stellweg zwischen sA und sw.
  • Die Motorbremsleistungs-Kurve PBr gemäß Fig. 1b ist ebenfalls in Abhängigkeit des Stellwegs s aufgezeichnet. Bei einem Stellweg s = 0 - der Staustellung der variablen Turbinengeometrie - nimmt die Anfangs-Motorbremsleistung MBr,0 einen mittleren Wert ein. In diesem Punkt ist das einstellbare Bauteil der variablen Turbinengeometrie maximal geschlossen. Die verbleibenden offenen Strömungskanäle im engsten Turbinenquerschnitt ermöglichen in nur geringem Maße ein Durchströmen aufgestauten Abgases zur Erzeugung von Turbinenleistung.
  • Mit sich öffnender Turbinengeometrie bei anwachsendem Stellweg s steigt die Motorbremsleistung MBr sehr stark bis zu einem Maximum PBr,max an, das beim Stellweg sh mit zugehöriger Brems-Einstellung AT,h (Fig. 1a) erreicht wird. Der Anstieg der Motorbremsleistung liegt an dem höheren Luftdurchsatz durch die offenen Strömungskanäle der Turbinengeometrie und der höheren, auf die Turbine übertragenen Leistung. Das Motorbremsleistungs-Maximum PBr,max ist zugleich die der harten Brems-Einstellung zugeordnete harte Bremsleistung PBr,h.
  • Anschließend sinkt die Motorbremsleistung zunächst steil abfallend und im weiteren Verlauf flacher abfallend bis auf einen Minimalwert PBr,min ab, der beim maximal möglichen Stellweg smax erreicht wird.
  • Zwischen dem Motorbremsleistungs-Maximum PBr,max und dem Motorbremsleistungs-Minimum PBr,min sind zwei Punkte PA und PBr,w bei zugeordneten Stellwegen sA bzw. sw eingetragen, die die Ausgangs-Antriebsleistung PA im befeuerten Betrieb und die der weichen Brems-Einstellung zugeordnete weiche Bremsleistung PBr,w markieren. Die Ausgangs-Antriebsleistung PA liegt mittig zwischen harter und weicher Bremsleistung PBr,h bzw. PBr,w im Bereich des größten Gradienten der Kurve. Die weiche Bremsleistung PBr,w liegt geringfügig unterhalb der Anfangs-Motorbremsleistung MBr,0. Die weiche Bremsleistung PBr,w beträgt maximal die Hälfte des Motorbremsleistungs-Maximums PBr,max.
  • Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, den Punkt der weichen Bremsleistung PBr,w näher in Richtung der Ausgangs-Antriebsleistung PA oder näher in Richtung des Motorbremsleistungs-Minimums PBr,min zu verschieben. Bei einer Verschiebung in Richtung der Ausgangs-Antriebsleistung PA wird der Stellweg s für die Einstellung der variablen Turbinengeometrie zwischen harter und weicher Einstellung verkürzt. Bei einer Verschiebung in Richtung des Motorbremsleistungs-Minimums PBr,min wird ein größeres Motorbremsleistungs-Spektrum abgedeckt.
  • Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Abgasturbine 3, die mit variabler Turbinengeometrie 4 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts ausgestattet ist. Die variable Turbinengeometrie 4, die beispielsweise als Leitgitter mit drehbaren Leitschaufeln ausgeführt ist, wird von einem Stellglied 5 um den Stellweg s verstellt. Das Stellglied 5, insbesondere ein elektrisch zu betätigender Aktuator, empfängt Stellsignale von einem Regler 6, der als Eingangssignale Informationen über den Betriebszustand der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs erhält und aus den Eingangssignalen die Stellsignale generiert. Der Regler 6 kommuniziert mit diversen Baueinheiten, in denen Signale generiert bzw. eingegeben werden.
  • In einer manuellen Einstellung 7 kann der Fahrer stufenlos zwischen einer vorgegebenen maximalen, harten und einer vorgegebenen minimalen, weichen Brems-Einstellung wählen. Die gewählte Brems-Einstellung wird zur weiteren Verarbeitung als Eingangssignal dem Regler 6 zugeführt. Eine manuelle Eingabe ist nicht zwingend erforderlich, es kann zweckmäßig sein, im Regler 6 automatisch einen optimalen Wert für die Motorbremsleistung ermitteln zu lassen. Bei Konflikten zwischen einer manuellen Eingabe und einem vom Regler 6 errechneten optimalen Wert wird der Reglerwert bevorzugt. Die manuelle Einstellung 7 kann über einen Schalter 13 ein- bzw. ausgeschaltet werden.
  • Als weitere Eingangssignale werden dem Regler 6 die aktuelle Straßenneigung, gemessen mit einem Neigungssensor 8, der aktuelle Schub, insbesondere bei Gespannfahrzeugen, gemessen mit einem Schub- bzw. Kräftesensor 9, die aktuelle Verzögerung, gemessen mit einem Verzögerungssensor 10, und die aktuelle Temperatur der Radbremsen, gemessen mit einem Temperatursensor 11, übermittelt. In einer weiteren Einheit 12 werden weitere Motorund Fahrzeug-Betriebsgrößen wie Motordrehzahl, Last etc. bereitgehalten und an den Regler 6 als Eingangssignale übertragen. Der Regler 6 errechnet aus den Eingangssignalen den jeweils optimalen Wert der Motorbremsleistung innerhalb des vorgegebenen Bremsbandes.
  • Fig. 3 zeigt eine variable Turbinengeometrie, ausgeführt als Leitgitter 14 mit Leitschaufeln 15. Das Leitgitter 14 befindet sich im Turbineneintrittsquerschnitt der Abgasturbine. Durch eine Drehung der drehbaren Leitschaufeln 15 um ihren Drehpol 16 kann der Spaltquerschnitt 17 zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 15 variiert werden, wodurch der wirksame Turbinenquerschnitt variabel eingestellt werden kann. In der in Fig. 3 gezeigten Darstellung ist der Spaltquerschnitt 17 auf ein Minimum reduziert. Der wirksame Turbinenquerschnitt ist dadurch ebenfalls minimal; die variable Turbinengeometrie nimmt ihre Staustellung ein.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, die Turbinengröße optimal auf die verwendete Brennkraftmaschine anzupassen, um hohe Motorbremsleistungen bei relativ niedrigen thermischen Belastungen zu ermöglichen. Hierfür wird ein Turbobremsfaktor TBF definiert, der gemäß der Beziehung TBF = A T,h * D T /V H aus dem freien Strömungsquerschnitt AT,h im Abgasweg zur Turbine bei maximaler Bremsleistung - der harten Brems-Einstellung -, dem Eintrittsdurchmesser DT des Turbinenrades und dem Hubvolumen VH der Brennkraftmaschine berechnet wird. Für kleine Abgasturbolader, die bevorzugt in Personenkraftwagen und in Motorrädern eingesetzt werden, liegt der Turbobremsfaktor TBF bei einem Wert kleiner als 2 ‰. Der Wert kann gegebenenfalls kleiner als 0.5 ‰ sein.
  • Für größere Motoren, insbesondere für schwere Nutzfahrzeuge, liegt der Turbobremsfaktor in der Größenordnung von kleiner als 5 ‰ bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 ‰ und 3 ‰.
  • Bei kleinen Motoren kann es aus Platzgründen zweckmäßig sein, auf gesondert ausgebildete Bremsventile zu verzichten. Im Motorbremsbetrieb werden die Auslaßventile der Zylinder mit der für den befeuerten Antriebsbetrieb vorgesehenen Ladungswechsel-Ventilsteuerung betrieben.

Claims (15)

  1. Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, die einen Abgasturbolader mit einer Turbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (4) aufweist, welche zwischen einer Staustellung mit kleinstmöglichem Turbinenquerschnitt (AT) und einer Öffnungsstellung mit größtmöglichem Turbinenquerschnitt (AT) verstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß im Motorbremsbetrieb eine zulässige Turbinenquerschnitts-Bandbreite innerhalb des Bereichs zwischen Staustellung und Öffnungsstellung für die Einstellung der variablen Turbinengeometrie (4) vorgegeben wird, wobei die Turbinenquerschnitts-Bandbreite von einer harten Brems-Einstellung (AT,h) und einer weichen Brems-Einstellung (AT,w) begrenzt wird, die vorgebbare Grenzwerte darstellen,
    - daß die harte Brems-Einstellung (AT,h) zwischen der Staustellung und einer der befeuerten Antriebsbetriebsweise zugeordneten Antriebs-Ausgangsstellung (AT,A) und die weiche Brems-Einstellung (AT,w) zwischen der Antriebs-Ausgangsstellung (AT,A) und der Öffnungsstellung liegt, wobei in der Antriebs-Ausgangsstellung die Turbinengeometrie in der befeuerten Antriebsbetriebsweise ihren kleinsten Querschnitt einnimmt,
    - daß in der harten Brems-Einstellung (AT,h) das Motorbremsleistungs-Maximum (PBr,max) erreicht wird.
  2. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Antriebs-Ausgangsstellung (AT,A) in einer Motorbremsleistungs-Stellweg-Kurve im Bereich des größten Gradienten der Kurve zwischen dem Motorbremsleistungs-Maximum (PBr,max) und dem Motorbremsleistungs-Minimum (PBr,min) liegt.
  3. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in der weichen Brems-Einstellung (AT,w) eine geringere Motorbremsleistung erreicht wird als in Staustellung der variablen Turbinengeometrie (4).
  4. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in der weichen Brems-Einstellung (AT,w) die Motorbremsleistung (PBr,w) maximal 50 % der in der harten Brems-Einstellung (AT,h) erreichbaren Motorbremsleistung (PBr,h) beträgt.
  5. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stellweg (s) zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie (4) zwischen der harten Brems-Einstellung (AT,h) und der Antriebs-Ausgangsstellung (AT,A) gleich groß ist wie der Stellweg (s) zum Verstellen der variablen Turbinengeometrie (4) zwischen der Ausgangsstellung (AT,A) auf die weiche Brems-Einstellung (AT,w).
  6. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die variable Turbinengeometrie (4) manuell zwischen der harten und der weichen Brems-Einstellung (AT,h, AT,w) verstellbar ist.
  7. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die variable Turbinengeometrie (4) in Abhängigkeit von Motorzustandsgrößen und/oder Betriebsgrößen automatisch zwischen der harten und der weichen Brems-Einstellung (AT,h, AT,w) verstellbar ist.
  8. Motorbremsverfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie (4) die Straßenneigung erfaßt wird.
  9. Motorbremsverfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie (4) der auf das Fahrzeug wirkende Schub erfaßt wird.
  10. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie (4) die Fahrzeugverzögerung erfaßt wird.
  11. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Einstellung der variablen Turbinengeometrie (4) die Temperatur der Radbremsen erfaßt wird.
  12. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als variable Turbinengeometrie (4) ein Leitgitter (14) mit drehbaren Leitschaufeln (15) verwendet wird.
  13. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein auf den Motorbremsbetrieb bei maximaler Bremsleistung (PBr, max) der Brennkraftmaschine bezogener Turbobremsfaktor TBF gemäß der Beziehung TBF = A T,h * D T /V H aus den Parametern
    AT,h   harte Brems-Einstellung (freier Strömungsquerschnitt im Abgasweg zur Turbine bei maximaler Bremsleistung)
    DT   Eintrittsdurchmesser des Turbinenrades
    VH   Hubvolumen der Brennkraftmaschine
    ermittelt wird, wobei der Turbobremsfaktor TBF bei Nutzfahrzeugen kleiner als 0.005 (5 ‰), bei Personenkraftwagen und Motorrädern kleiner als 0.002 (2 ‰) ist.
  14. Motorbremsverfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Turbobremsfaktor TBF kleiner als 0.0005 (0.5 ‰) ist.
  15. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß bei aktivierter Motorbremse die Auslaßventile der Zylinder mit der für den befeuerten Antriebsbetrieb vorgesehenen Ladungswechsel-Ventilsteuerung betrieben werden.
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