DE19742445C1 - Verfahren zur Regelung der Motorbremsleistung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Bremsleistung im Motorbremsbetrieb eines aufgeladenen Ver­ brennungsmotors.

Die Motorbremsleistung setzt sich zusammen aus der Schlepp­ leistung und der Bremsleistung, welche durch Drosselung der Abgasströmung des Verbrennungsmotors bewirkt wird. Mit zu­ nehmendem Staudruck im Abgastrakt der Brennkraftmaschine steigt die Gaswechselarbeit der Kolben, welche zum Ausschub der Abgase gegen den Staudruck zu erbringen ist. Über die Schleppleistung hinaus wird die Motorbremsleistung durch zusätzlichen Bauaufwand gesteigert, indem ein Stellglied im Gastrakt des Verbrennungsmotors angeordnet wird und den Ab­ gasstrom in Abhängigkeit von seiner Stellposition, das heißt dem verbleibenden Durchtrittsquerschnitt, aufstaut.

Aus der DE 195 16 971 A1 ist ein aufgeladener Verbrennungs­ motor bekannt, welcher im Abgastrakt eine verschwenkbare Abgasklappe aufweist. Im Motorbremsbetrieb wird die Abgas­ klappe der angeforderten Bremsleistung entsprechend ver­ schwenkt und gibt einen reduzierten Durchströmquerschnitt zur Aufstauung des Abgasstroms frei.

Weiterhin offenbart die DE 43 30 487 C1 einen aufgeladenen Verbrennungsmotor, dessen Abgasturbolader eine Abgasturbine mit verstellbarer Turbinengeometrie aufweist, welche im Mo­ torbremsbetrieb als Staudruckbremse eingesetzt wird und durch eine entsprechende Drehung eines verdrehbaren Leit­ gitterteiles der Turbine die Zuströmung auf ein Laufrad der Turbine reduziert bzw. abgesehen von Spaltströmen ver­ sperrt.

Beide bekannten Verfahren steuern die Motorbremsleistung durch die Stellung der jeweiligen Stellglieder im Abgas­ trakt, wobei eine Erhöhung der Motorbremsleistung direkt an eine Erhöhung des Staudruckes, das heißt dem Turbinenein­ trittsdruck, geknüpft ist. Eine Regelung der Motorbrems­ leistung, wobei eine Regelgröße in einer Kreisstruktur im Sinne einer Gegenkoppelung auf sich selbst zurückwirkt, ist nicht vorgesehen.

Eine Steigerung der Motorbremsleistung durch Anhebung des Staudruckes ist bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren nur begrenzt möglich. Im Motorbremsbetrieb werden mit hohem Turbineneintrittsdruck und den entsprechenden Drehzahlen des Abgasturboladers die Laderbetriebsgrenzen rasch er­ reicht. Ein Überschreiten der Laderbetriebsgrenzen führt zu erhöhtem Verschleiß und gegebenenfalls zu einer Zerstörung des Ladeluftverdichters des Abgasturboladers.

Bei einer Steuerung der Bremsleistung oder etwa einer ein­ fachen Regelung mit der Stellposition des Stellgliedes im Abgastrakt als ungenaue Regelgröße muß der Abgasturbolader im Motorbremsbetrieb mit deutlichem Grenzabstand innerhalb seiner Betriebsgrenzen betrieben werden. Die erreichbare und nutzbare Bremsleistung ist daher stark eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Bremsleistung im Motorbremsbetrieb eines auf­ geladenen Verbrennungsmotors zu schaffen, welches das Er­ reichen der maximalen Bremsleistung innerhalb der Betriebs­ grenzen des Abgasturboladers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Regelverfahrens ist darin zu sehen, daß auf die Anordnung von Drehzahlsensoren zur Erfassung der Laderdrehzahl des Abgasturboladers und Druck­ sensoren zur Messung des Turbineneintrittsdruckes, deren Meßergebnisse aufgrund der jeweils extrem hohen Belastungen unzuverlässig sind, verzichtet werden kann. Der aktuelle Turbineneintrittsdruck ist mit den Informationen des elektronisch gespeicherten Verdichterkennfeldes präzise aus den Größen Massenstrom und Totaldruckverhältnis am Verdich­ ter gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einfach zu messender Parameter wie z. B. Umgebungsdruck, Ladedruck und Ladeluft­ temperatur von dem Motorregler in Abhängigkeit von der Mo­ tordrehzahl des Verbrennungsmotors bestimmbar. Der Sollwert für den Istwert/Sollwert-Vergleich zur Regelung der Motor­ bremsleistung wird anteilig aus dem Maximalwert des Tur­ bineneintrittsdruckes bestimmt, welcher von der Drehzahl­ kennlinie innerhalb der Laderbetriebsgrenzen vorgegeben wird. Der anteilig ermittelte Sollwert kann den Maximalwert nicht überschreiten, so daß der Maximalwert nahe der Lader­ betriebsgrenzen der jeweils vorliegenden Motordrehzahl vor­ gegeben werden kann. Die größtmögliche Stauwirkung im Ab­ gastrakt und damit die maximale Bremsleistung wird er­ reicht, wenn die Drehzahlkennlinie des maximalen Turbinen­ eintrittsdruckes nahe der Pumpgrenze des Verdichters im Kennfeld verläuft.

Vorteilhaft sind im Kennfeld Motor Betriebslinien für den Motorbremsbetrieb, den befeuerten Betrieb und weitere Mo­ torbetriebsarten wie Abgasrückführungsbetrieb abgelegt, wo­ durch mit geringem Applikationsaufwand bei jeder Motorbe­ triebsart ein optimales Betriebsverhalten erreichbar ist. Dabei kann dem Motorregler zur Anzeige des Bremsbetriebs­ zustandes des Verbrennungsmotors ein Bremssignal eines Bremssignalgebers, beispielsweise eines Bremspedals, zuge­ führt werden. Erzeugt der Bremssignalgeber gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung der Erfindung ein normiertes Bremssignal in Abhängigkeit von seiner Betätigungsstellung, welches von der Reglereinheit zur Bestimmung des Sollwertes als entsprechenden Anteil des Maximalwertes herangezogen wird, so kann die Bremsleistung unter grundsätzlicher Einhaltung der Laderbetriebsgrenzen direkt über die Einstellung des Bremssignalgebers stufenlos angefordert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen sowie der nachfolgenden näheren Beschreibung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens anhand der Zeichnung.

Zur Erläuterung soll zunächst der Aufbau eines nicht darge­ stellten Verbrennungsmotors beschrieben werden, während dessen Motorbremsbetriebes die Bremsleistung mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren geregelt wird. Ein Abgasturbolader des Verbrennungsmotors weist einen Ladeluftverdichter und eine drehfest mit dem Verdichter verbundene Abgasturbine auf, wobei die vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors ange­ triebene Abgasturbine mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie ausgestattet ist. Abhängig von der Leit­ gitterposition LEP staut das Leitgitter der Abgasturbine das Abgas des Verbrennungsmotors vor dem Eintritt in die Turbine auf. Der Verbrennungsmotor weist ein unten näher beschriebenes Kennfeld auf, in dem für eine Vielzahl von Betriebspunkten zugehörige Sollparameter elektronisch abge­ speichert sind, die einem Motorregler als Eingangsgröße zum Soll-Istwert-Vergleich dienen.

In der Zeichnungsfigur ist ein Teil des Kennfeldes darge­ stellt, welches ein Verdichterkennfeld des Ladeluftver­ dichters VD umfaßt. Auf der Abszisse ist der reduzierte (normierte) Massenstrom M_red des Ladeluftverdichters aufge­ tragen, für dessen Ermittlung die folgende Größengleichung gilt:

mit den folgenden Größenbezeichnungen: M = Massenstrom [kg/s]; Tt₁, pt₁ = Temperatur bzw. Druck am Verdichterein­ tritt; T_bez, p_bez = Bezugstemperatur und Bezugsdruck (beispielsweise 293 K/991 mbar). Auf der Ordinate ist das Totaldruckverhältnis Π_V = pt₂/pt₁ dargestellt, wobei pt₂ den Verdichter-Austrittsdruck und pt₁ den Verdichter-Ein­ trittsdruck bezeichnet. Die Eingangsgrößen pt₁, pt₂, Tt₁ für den Motorregler zur Ermittlung des reduzierten Massen­ stroms M_red können mit geringem baulichen Aufwand mit ent­ sprechend am Verdichter angeordneten Meßfühlern bestimmt werden.

Das Verdichterkennfeld stellt für unterschiedliche Verdich­ terdrehzahlen n_VD, das heißt den Laderdrehzahlen (beispielhaft: Werte für n_VD von 50000 1/min bis 108000 1/min) und darüber hinaus für verschiedene Verdichterwir­ kungsgrade den Zusammenhang zwischen Massendurchsatz M_red und Totaldruckverhältnis Π dar. Die Linien gleichen Wir­ kungsgrades verlaufen muschelartig um den maximalen Wir­ kungsgrad im Zentrum des Verdichterkennfeldes; die Linien gleicher Verdichterdrehzahl sind als von links oben nach rechts unten flach abfallende Kurven dargestellt.

Zudem ist in dem Kennfeld eine Vielzahl von Motor-Betriebs­ linien für bestimmte Leitgitterpositionen LEP (LEP₁ - LEP₃) der Abgasturbine und bestimmte Motordrehzahlen n_M für den Motorbremsbetrieb sowie Motorbetriebslinien für konstanten Turbineneintrittsdruck p₃ abgelegt, so daß dem Kennfeld für unterschiedliche Laderdrehzahlen n_VD, Verdichter-Massen­ ströme M_red und Totaldruckverhältnisse Π_V ein zugehöriger Turbineneintrittsdruck p₃ entnommen werden kann.

Weitere, nicht dargestellte Teile des Kennfeldes umfassen in analoger Weise das Verdichterkennfeld und ein Netz von Motorbetriebslinienscharen für konstante Leitgitter­ positionen der Abgasturbine und konstante Motordrehzahlen für andere Motorbetriebsarten, wie etwa dem befeuerten Be­ trieb mit unterschiedlichen Betriebslasten oder auch Abgas­ rückführungsbetrieb. Je nach Aufbau und Betriebsmöglichkei­ ten des Motorbremssystems können Kennfelder für den Motor­ bremsbetrieb mit einer Konstantdrossel, das heißt dauerhaft geöffneten Dekompressionsventilen, getakteten Motorbrems­ ventilen oder auch für reinen Schleppbetrieb mit geschlos­ senen Bremsventilen in den Zylindern des Verbrennungsmotors oder für die Verwendung einer Abgasklappe elektronisch ab­ gespeichert sein. Die Ausstattung der Abgasturbine des Ab­ gasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie bietet neben einem variablen und effektiven Turbobremsbetrieb Vor­ teile im befeuerten Betrieb. Um eine nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren regelbare Bremsleistung zu erzielen, können jedoch alternativ zum Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln Axialschieber, verstellbare Wände, Düsen oder Bremsklappen oder ähnliche Stellglieder zur Aufstauung des Abgases vor dem Eintritt in die Abgasturbine vorgesehen sein.

Das Verdichterkennfeld ist links durch die Pumpgrenze PG und rechts durch die Stopfgrenze SG des Verdichters be­ grenzt. Die Pumpgrenze PG ergibt sich durch Strömungs­ ablösungen an den Verdichterschaufeln, welche bei einer weiteren Abnahme des reduzierten Massenstromes M_red zu einer instabilen Eintrittsströmung führt. Das Pumpen sollte vermieden werden, da Schaufelschwingungen entstehen, welche Schäden verursachen können. An der Stopfgrenze SG stellt sich im Strömungsquerschnitt des Verdichters Schallge­ schwindigkeit ein, wodurch eine weitere Steigerung des Ein­ trittsmassenstromes bei vorgegebenem Totaldruckverhältnis Π_V physikalisch verhindert wird. Die obere Grenze des Ver­ dichterkennfeldes wird durch die maximal zulässige Verdich­ terdrehzahl n_VD bestimmt, welche von der Geometrie des Ver­ dichterlaufrades (durchmesser- und werkstoffabhängige Berstdrehzahl) abhängt.

Durch die elektronische Koppelung des Verdichterkennfeldes mit dem Netz von Motorbetriebslinien für konstante Leit­ gitterpositionen LEP und Motordrehzahlen n_M für verschie­ dene Massendurchsätze M_red kann dem Kennfeld in Abhängig­ keit von der Motordrehzahl n_M eine bevorzugte Leitgitter­ positon LEP des Leitgitters der Abgasturbine für den Motor­ bremsbetrieb und gegebenenfalls auch für befeuerten Motor­ betrieb oder andere jeweils vorliegende Motorbetriebsarten entnommen werden und am Leitgitter der Abgasturbine einge­ regelt werden.

Dem Verdichterkennfeld ist nach Ermittlung des Massenstroms M_red und des Totaldruckverhältnisses Π_V am Verdichter in Abhängigkeit von der jeweiligen Motordrehzahl der Turbinen­ eintrittsdruck p₃ entnehmbar. Ebenso ist auch die aufgrund hoher Werte schwer meßbare Laderdrehzahl präzise den Kenn­ feldinformationen entnehmbar.

Wird Motorbremsleistung angefordert und ein Bremssignal­ geber, beispielsweise ein Bremspedal oder Bremshebel, be­ tätigt, so erzeugt der Bremssignalgeber ein Bremssignal, welches dem Motorregler zur Anzeige des Bremsbetriebszu­ standes des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Der Motor­ regler entnimmt dem Verdichterkennfeld mit Motorbrems­ betriebslinien den Ist-Wert des Turbineneintrittsdrucks und zudem einen Maximalwert des Turbineneintrittsdruckes innerhalb der Betriebsgrenzen des Abgasturboladers bei der festgestellten Motordrehzahl. Der Maximalwert wird einer Drehzahlkennlinie SL entnommen, welche im Kennfeld mit einem geringen Sicherheitsabstand nahe der Pumpgrenze PG verläuft. Der Bremssignalgeber erzeugt in Abhängigkeit von seiner Betätigungsstellung ein normiertes Bremssignal, welches von dem Motorregler zur stufenlosen Bestimmung des Sollwertes des Turbineneintrittsdruckes als entsprechenden Anteil des Maximalwertes herangezogen wird. Bei einer Bremsleistungsanforderung von 100% entspricht dabei der Sollwert dem maximal zulässigen Turbineneintrittsdruck, mit dem die größtmögliche Bremsleistung im Motorbremsbetrieb erreicht wird. Das Bremssignal kann durch Stromstärke, Pulsationsstärke und -frequenz oder ähnliches variiert werden.

Über die Betätigungsstellung des Bremssignalgebers kann so­ mit direkt auf die Bremsleistung eingewirkt werden, welche wie bereits beschrieben durch die anteilige Ermittlung des Sollwertes aus dem Maximalwert und dem nachfolgenden Ist- Sollwert-Vergleich in dem Motorregler geregelt wird. Bei bedarfsweiser Ausnutzung der maximal möglichen Brems­ leistung wird sicher ein Übertreten der Laderbetriebsgren­ zen im Motorbremsbetrieb des aufgeladenen Verbrennungs­ motors vermieden. Die Drehzahlkennlinie SL ist als maximale Betriebslinie des Verbrennungsmotors nahe der Pumpgrenze PG im Kennfeld abgespeichert und liegt innerhalb der nutzbaren Fläche des Verdichterkennfeldes, welche durch die Schaufel­ grenzstellungen des Leitgitters der Turbine bestimmt wird (LEP "offen", LEP "geschlossen"). Im unteren Druckverhält­ nisbereich des Verdichters liegt die Drehzahlkennlinie SL auf der Betriebslinie des Abgasturboladers mit ge­ schlossener Leitgitterposition. Im Zeichnungsdiagramm ist zu erkennen, daß bei geschlossenem oder beinahe ge­ schlossenem Turbinenleitgitter theoretische Betriebslinien im Verdichterkennfeld links der Pumpgrenze PG liegen. Es wird daher im Betrieb des Ladeluftverdichters bei theo­ retischer Überschreitung der Drehzahlkennlinie SL das Tur­ binenleitgitter mit steigender Motordrehzahl n_M geöffnet. Es werden somit im Motorbetrieb lediglich Betriebspunkte innerhalb des Verdichterkennfeldes angefahren und im Motor­ bremsbetrieb die Richtigkeit der möglichen Maximalwerte des Turbineneintrittsdrucks sichergestellt.

Bei Vorliegen des Bremssignals steuert der Motorregler eine Motorbremsvorrichtung mit Bremsventilen in den Zylindern an und regelt die Bremsleistung über aufstauend wirkende Stellmaßnahmen im Abgastrakt. Die Motorbetriebslinien wer­ den aus Motormessungen bei Bremsversuchen erzeugt. Dabei können Betriebslinien für unterschiedliche Motorbrems­ betriebsarten ermittelt und im Kennfeld abgespeichert wer­ den, z. B. Konstantdrosselung, d. h. Dekompressionsventil im Zylinder dauernd geöffnet, getaktetes Motorbremsventil oder geschlossenes Motorbremsventil (reiner Schleppbetrieb).

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung der Bremsleistung im Bremsbe­ trieb eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, dessen Ab­ gas von einem Stellglied im Abgastrakt vor dem Eintritt in eine Abgasturbine eines Abgasturboladers aufgestaut wird, wobei

• 1. der Motor ein Kennfeld aufweist, in dem für eine Vielzahl von Betriebspunkten zugehörige Soll­ parameter elektronisch abgespeichert sind, die einem Motorregler als Eingangsgröße zum Soll- Istwert-Vergleich dienen,
• 2. das Kennfeld ein elektronisch gespeichertes Ver­ dichterkennfeld des Ladeluftverdichters um­ faßt, das bei unterschiedlichen Abgasturbolader- Drehzahlen (n_VD) den Zusammenhang zwischen Massendurchsatz (M_red) und Totaldruckverhältnis (Π_V) darstellt und
• 3. in dem Kennfeld eine Vielzahl von Betriebslinien für bestimmte Stellgliedpositionen (LEP) und be­ stimmte Motordrehzahlen (n_M) sowie für konstanten Turbineneintrittsdruck (p₃) abgelegt sind,
• 4. dem Kennfeld eine bevorzugte Stellgliedposition (LEP) entnommen und eingeregelt wird, indem als Regelgröße dem Kennfeld für unterschiedliche Abgasturboladerdrehzahlen (n_VD), Verdichter- Massenströme (M_red) und Verdichter-Druckver­ hältnisse (Π_V) der zugehörige Turbineneintritts­ druck (p₃) als Istwert entnommen wird und
• 5. der Sollwert entsprechend der Bremsleistungs­ anforderung aus einem Maximalwert des Turbinen­ eintrittsdruckes (p₃) innerhalb der Betriebs­ grenzen des Abgasturboladers anteilig bestimmt wird, wobei
• 6. der Maximalwert in Abhängigkeit von der Motor­ drehzahl (n_M) einer im Kennfeld gespeicherten Drehzahlkennlinie (SL) entnommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlkennlinie (SL) nahe der Pumpgrenze (PG) des Verdichters im Kennfeld verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kennfeld Motor-Betriebs­ linien für Motorbremsbetrieb, befeuerten Betrieb und weitere Motorbetriebsarten abgelegt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motorregler zur Anzeige des Bremsbetriebszustandes des Verbrennungsmotors ein Bremssignal eines Bremssignalgebers zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorregler im Motor­ bremsbetrieb eine zusätzliche Motorbremsvorrichtung wie Bremsventile in den Zylindern des Verbrennungsmotors ansteuert.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremssignalgeber ein normiertes Bremssignal in Abhängigkeit von seiner Betä­ tigungsstellung erzeugt, welches von dem Motorregler zur stufenlosen Bestimmung des Sollwertes des Turbinen­ eintrittsdruckes (p₃) als entsprechenden Anteil des Ma­ ximalwertes herangezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorbremsleistung durch die Leitgitterposition (LEP) einer variablen Tur­ binengeometrie der Abgasturbine geregelt wird.