DE19543190C2 - Motorbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 43 30 487 C1 ist bereits eine Motorbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine ein Laufrad und einen dieses umgebenden Strömungska­ nal mit einer an das Laufrad mündenden Ringdüse aufweist, be­ kannt. In der Ringdüse ist ein variables Leitgitter mit Leit­ schaufeln angeordnet, mit dem über eine Leitgitterverstel­ leinrichtung der Strömungsquerschnitt der Ringdüse zur Herstel­ lung eines gewünschten Staudruckes im Strömungskanal eingestellt wird.

Des weiteren ist aus der DE 28 20 941 A1 eine Bremseinrichtung für einen turboaufgeladenen Motor eines Kraftfahrzeuges bekannt, der eine geometrisch variable Turbine mit im Leitkanal angeordne­ ten Leitflügeln sowie einen durch die Turbine angetriebenen Kom­ pressor umfaßt. Dessen Ausgang führt zur Ansaugleitung des Mo­ tors, wobei dieser auch als Kompressor arbeiten kann. Bei ge­ wünschtem Motorbremsbetrieb ist über die Leitflügel bei einer Verminderung der Motorleistung das Luftvolumen im Motor vergrö­ ßerbar.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 33 22 436 A1, EP 0 571 205 A1 und US 4 877 369 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Mo­ torbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer Ab­ gasturbine mit variablem Leitgitter vorzuschlagen, bei dem im Vergleich zum gattungsgemäßen Stand der Technik wesentlich höhere Motorbremsleistungen erzielbar sind und gleichzeitig die Be­ triebssicherheit der Motorbremse und des variablen Leitgitters erhöht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gegebenen Merkmale gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung an.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Motorbremse liegt darin, daß bei Abgasturbinen mit variablen Leitgittern eine wesentlich hö­ here Motorbremsleistung als im gattungsgemäßen Stand der Technik erzielbar ist. Da die Höhe des Staudrucks im Strömungskanal der Abgasturbine mit der Motorbremsleistung korreliert, werden bei höheren Motorbremsleistungen und bei annähernd geschlossenem va­ riablen Leitgitter die Leitschaufeln sehr hoch mechanisch bela­ stet, weshalb die mechanische Haltbarkeit der Leitschaufeln die Motorbremsleistung limitiert. Durch die erfindungsgemäße Motor­ bremse ist es möglich, den Staudruck im Strömungskanal und damit die Motorbremsleistung weiter zu steigern, da durch die Versper­ rung des Strömungsquerschnittes in der Ringdüse über die Sperr­ körper nunmehr diese vom variablen Leitgitter mechanisch unabhän­ gigen, festigkeitsmäßig entsprechend ausgelegten Sperrkörper den überwiegenden Teil der durch den Staudruck entstehenden Kräfte aufnehmen. Zudem wird eine Erhöhung der Ausfallsicherheit der Mo­ torbremse erreicht, indem bei erkanntem Fehler bei der Sperrkör­ perbewegung noch ein Motorbremse über das variable Leitgitter möglich ist.

Desweiteren wird bei teilweise in die Ringdüse eingeschobenen Sperrkörpern eine mechanische Abstützung der Leitschaufeln des variablen Leitgitters ermöglicht, wodurch dessen Betriebssicher­ heit erhöht wird. Ein weiterer Vorteil liegt in der kompakten Bauweise der Motorbremseinrichtung integral an die Turbine des Abgasturboladers. Eine separate Motorbremsklappe kann somit ent­ fallen. Desweiteren kann der Turbinenwirkungsgrad im Motorbrems­ betrieb durch eine geeignete Sperrkörperform optimiert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteran­ sprüchen und der Beschreibung hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zum leichteren Verständnis der erfindungsgemäßen Motor­ bremse in einer Prinzipskizze einen Meridianteilschnitt einer Turbine eines nicht näher dargestellten Ab­ gasturboladers nebst einem im Mündungsbereich eines Strömungskanales angeordneten variablem Leitgitter, in dessen Leitgitterkanäle Sperrkörper in Richtung der Laufradlängsachse ein- und ausschiebbar sind,

Fig. 2 einen Schnitt II - II von Fig. 1 und

Fig. 3 ein Ablaufschema der Motorbremsfunktion.

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze einen Meridianteilschnitt einer Abgasturbine 1 eines nicht näher dargestellten Abgasturbo­ laders einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. Die Abgasturbine 1 umfaßt ein Laufrad 2 und einen dieses umgebenden, teilweise dar­ gestellten spiralförmigen Strömungskanal 3 mit einem an das Laufrad 2 mündenden ringdüsenförmigen Mündungsbereich (Ringdüse 4), in dem ein variables Leitgitter VLG mit Leitschaufeln 6 und Leitgitterkanälen 7 angeordnet ist.

In der Ringdüse 4 sind Sperrkörper SK parallel zu einer Laufrad­ längsachse 9 im Bereich der Leitgitterkanäle 7 ein- und aus­ schiebbar, wobei die Ringdüse 4 einen wirksamen Strömungsquer­ schnitt STQ besitzt. Die Sperrkörper SK und die Leitschaufeln 6 des variablen Leitgitters VLG besitzen jeweils eine über eine Motorsteuerung regelbare, nicht dargestellte mechanische Ver­ stelleinrichtung. Über die Sperrkörperverstelleinrichtung nebst Sperrkörper SK ist der wirksame Strömungsquerschnitt STQ der Ringdüse 4 zur Herstellung eines gewünschten Staudrucks im Strö­ mungskanal 3 mechanisch unabhängig von der Leitgitterverstel­ leinrichtung nebst variablem Leitgitter VLG regelbar und bis auf Spaltströme vollständig versperrbar.

Die Leitschaufeln 6 und die Sperrkörper SK sind in die durch Pfeile angedeuteten Richtungen verstellbar. Jede der Leitschau­ feln 6 ist mit einer Achse 10 fest verbunden und um diese dreh­ bar, wobei die Drehung der Leitschaufeln 6 um die Achsen 10 mit­ tels der zugehörigen Verstelleinrichtung erfolgt. Als Verstel­ leinrichtung dient beispielsweise ein prinzipiell bekannter, konzentrisch zur Laufradlängsachse 9 angeordneter drehbarer Ring, mit dem die einzelnen Achsen 10 gelenkig derart verbunden sind, daß bei einer Drehung des Ringes die einzelnen Achsen 10 sind damit die Leitschaufeln 6 mitgedreht werden. Die Sperrkörper SK sind parallel zur Laufradlängsachse 9 verschieblich. Die Ver­ stelleinrichtung für die Sperrkörper 8 wird beispielsweise durch eine mit den Sperrkörpern 8 fest verbundene Koppelstange gebil­ det, die mit einem von der Motorsteuerung regelbaren Geber ver­ bunden ist. Die Sperrkörper 8 bilden zusammen mit der zugehöri­ gen Verstelleinrichtung eine vom variablen Leitgitter VLG mecha­ nisch unabhängige Versperreinrichtung.

Die Funktion der Sperrkörperverstellung und der Leitgitterver­ stellung wird über nicht dargestellte Sensoren überprüft, die beispielsweise gewisse Endanschlagspositionen der Sperrkörper und der Leitschaufeln erkennen, wobei über Signalleitungen ein den Funktionszustand des Leitgitters VLG und des Sperrkörpers SK repräsentierendes Signal an die Motorsteuerung übertragen wird.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II von Fig. 1 durch das variable Leitgitter VLG und die Sperrkörper 8. Gleiche Bauteile aus Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In Fig. 2 ist erkennbar, daß sich die Sperrkörper SK in den Leitgitterkanälen 7 befinden und daß bei durch die Leitschaufeln 6 geöffnetem Leitgitter VLG dessen Durchflußquerschnitt DK dennoch bis auf Spaltströme vollständig abriegelbar ist, indem die Sperrkörper SK parallel zur Laufradlängsachse 9 vollständig in die Leitgit­ terkanäle 7 geschoben werden. In radialer Richtung sind die Sperrkörper SK in etwa zwischen den Drehpunkten 12 und den Na­ senbereichen 11 der Leitschaufeln 6 angeordnet.

In Fig. 3 ist ein Ablaufschema der erfindungsgemäßen Motorbrems­ funktion gezeigt. Bei nicht gewünschter Motorbremsfunktion mf wird der Strömungsquerschnitt STQ der Ringdüse 4 von den Sperr­ körpern SK freigegeben, d. h. die Sperrkörper SK werden durch die Sperrkörperverstelleinrichtung vollständig aus der Ringdüse 4 herausgezogen und das variable Leitgitter VLG wird über die Mo­ torsteuerung nebst Leitgitterverstelleinrichtung gemäß den in der Motorsteuerung abgelegten Motor- und Turboladerkennfeldern KF in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine geregelt.

Bei gewünschter Motorbremsfunktion mf wird zunächst geprüft, ob bei einer vorhergehenden Sperrkörperbewegung durch den entspre­ chenden Sensor ein Fehler erkannt wurde. Falls kein Fehler er­ kannt wurde, wird das variable Leitgitter VLG in eine vorgege­ bene Position mit relativ großen Leitgitterkanalquerschnitten LK verstellt, so daß die Sperrkörper SK problemlos in die Leitgit­ terkanäle verschoben werden können. Anschließend werden die Sperrkörper SK zur Erzeugung des für die Motorbremswirkung not­ wendigen auslaßseitigen Staudruckes je nach gewünschter Motor­ bremswirkung in die Ringdüse 4 geschoben. Im Motorbremsbetrieb wird in diesem Fall somit der überwiegende Teil der durch den Staudruck im Strömungskanal 3 entstehenden mechanischen Bela­ stung von den Sperrkörpern SK aufgenommen, während die Leit­ schaufeln 6 wegen in ihrer Position geringen wirksamen Quer­ schnittsfläche verhältnismäßig wenig mechanisch belastet werden.

Falls ein Fehler in der Sperrkörperbewegung erkannt wurde, wird eine Regelung des wirksamen Strömungsquerschnittes STQ der Ring­ düse 4 über das variable Leitgitter VLG vorgenommen, wobei zu­ nächst die Funktion des variablen Leitgitters VLG überprüft wird. Wenn kein Fehler des variablen Leitgitters VLG erkannt wird, wird dieses, entsprechend seiner maximal möglichen mecha­ nischen Beanspruchung, bis zu einer vorgebbaren Position ver­ sperrt. Wegen der begrenzten mechanischen Belastbarkeit der Leitschaufeln 6 liegt diese vorgebbare Position im Normalfall zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig ver­ sperrten Position des variablen Leitgitters VLG. Desweiteren wird ein Warnsignal ws ausgegeben, das dem Fahrer den defekten Zustand der Sperrkörper SK anzeigt und es wird ein entsprechen­ des Fehlersignal auch an die Motorsteuerung übertragen.

Für Notbetriebsfälle (Notbetriebs-Regelung) ist es bei festge­ stelltem Versagen der Sperrkörper 8 auch möglich, das variable Leitgitter VLG einen gewissen Zeitraum vollständig zu schließen, wobei die Notbetriebs-Regelung gegebenenfalls über eine separate Betätigungseinrichtung vom Fahrer aktivierbar ist.

Falls sowohl die Sperrkörperbewegung als auch die Bewegung des variablen Leitgitters VLG als fehlerhaft erkannt wurde, wird le­ diglich ein Warnsignal ws für den Fahrer ausgegeben und ein ent­ sprechendes Signal an die Motorsteuerung.

In einer Ausführung der Erfindung sind die Leitschaufeln 6 des variablen Leitgitters VLG durch die in die Leitgitterkanäle 7 eingeschobenen Sperrkörper SK abstützbar. Desweiteren ist der Strömungsquerschnitt STQ der Ringdüse 4 bei gewünschter Motor­ bremsfunktion durch den Sperrkörper SK bis auf Spaltströme voll­ ständig verschließbar. In einer weiteren Ausführung der Erfin­ dung kann die von dem variablen Leitgitter VLG mechanisch unab­ hängige Versperreinrichtung auch einen radial außerhalb des Leitgitters angeordneten und parallel zur Laufradlängsachse ver­ schiebbaren Ring umfassen.

Claims (6)

1. Motorbremse für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine ein Laufrad und mindestens einen dieses umgebenden Strömungskanal mit einer an das Laufrad mündenden Ringdüse umfaßt, in der mindestens ein variables Leit­ gitter mit Leitschaufeln und Leitgitterkanälen angeordnet ist, mit dem über eine Leitgitterverstelleinrichtung der wirksame Strömungsquerschnitt der Ringdüse zur Herstellung eines ge­ wünschten Staudruckes im Strömungskanal eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ringdüse (4) eine vom variablen Leitgitter (VLG) me­ chanisch unabhängige Versperreinrichtung, die mindestens einen verstellbaren Sperrkörper (SK) umfaßt, angeordnet ist, die bei einer gewünschten Motorbremsfunktion (mf) den wirksamen Strö­ mungsquerschnitt (STQ) der Ringdüse (4) verringert und nur bei einem Fehler in einer Sperrkörperbewegung, alternativ das varia­ ble Leitgitter (VLG) verstellt.

2. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der Sperrkörper (SK) und des variablen Leitgit­ ters (VLG) über Sensoren überwacht werden, wobei ein den Funkti­ onszustand des Leitgitters (VLG) und des Sperrkörpers (SK) re­ präsentierendes Signal über Signalleitungen an eine Motorsteue­ rung übertragen wird.

3. Motorbremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei erkanntem Fehler in der Sperrkörperbewegung und/oder der Leitschaufelbewegung ein Warnsignal (ws) erzeugt und dem Fahrer angezeigt wird.

4. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrkörper (SK) in Richtung einer Laufradlängsachse (9) in die Leitgitterkanäle (7) des variablen Leitgitters (VLG) ein- und ausschiebbar sind.

5. Motorbremse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (6) des variablen Leitgitters (VLG) durch die in die Leitgitterkanäle (7) eingeschobenen Sperrkörper (SK) abstützbar sind.

6. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt (STQ) der Ringdüse (4) bei ge­ wünschter Motorbremsfunktion (mf) durch den Sperrkörper (SK) und/oder das variable Leitgitter (VLG) bis auf Spaltströme voll­ ständig verschließbar ist.