DE19811187A1 - Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie - Google Patents

Abstract

Ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ist im befeuerten Motorbetrieb über einen Turbinenregler auf einen vorgebbaren Soll-Ladedruck im Ansaugkanal einstellbar und im Bremsbetrieb über ein Motorbremssystem mit einem Bremsregler in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine in eine den Druck im Abgasstrang erhöhende Staustellung verstellbar, wobei ein Umschaltglied zur Umschaltung zwischen dem Motorbremssystem und dem Turbinenregler vorgesehen ist. DOLLAR A Um den Abgasturbolader variabel einsetzbar zu gestalten, sind der Turbinenregler und das Motorbremssystem jeweils modular aufgebaut und separat ausgebildet. Außerdem ist dem Motorbremssystem ein manuelles Bremssignal zuführbar, welches in einer manuell einstellbaren Brems-Betätigungsvorrichtung erzeugbar ist, wobei ein Umschaltglied zur Unschaltung zwischen dem Bremsregler und der Brems-Betätigungsvorrichtung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 195 43 190 A1 ist ein Motorbremssystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, deren Abgasturbolader eine variable Turbinengeometrie mit einem verstellbaren Leit­ gitter aufweist. Das Leitgitter weist Leitschaufeln auf, die mit Hilfe eines Stellglieds so verstellt werden können, daß der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Abgasturbola­ der verändert wird. Hierdurch ist es möglich, je nach Be­ triebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Drücke im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader zu realisieren, wodurch die Leistung der Turbine und in der Folge die Verdichtungsleistung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden kann. Das die Leitschaufeln beaufschlagen­ de Stellglied wird über eine Motorsteuerung und darin abge­ legte Kennfelder gesteuert.

Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Bremswirkung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung über­ führt, in der der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals deutlich reduziert ist. Im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader baut sich ein hoher Überdruck auf, zugleich strömt Abgas mit hoher Geschwindigkeit durch die Ka­ näle zwischen den Leitschaufeln und beaufschlagt das Turbi­ nenrad, woraufhin der Verdichter im Ansaugtrakt einen Über­ druck aufbaut.

Der Zylinder wird demnach eingangsseitig mit erhöhtem Lade­ druck beaufschlagt. Zusätzlich bewirken die durch das Öffnen des Auslaßventils erzeugten Druckwellen trotz geöffneter De­ kompressionsventile einen Nachladeeffekt, indem die Druckwel­ len die Auslaßventile eines Nachbarzylinders, welcher gerade am Ende eines Ansaugtaktes läuft, kurzzeitig in Öffnungsstel­ lung versetzen und den Verdichtungsanfangsdruck im Nachbarzy­ linder durch das einströmende Abgas auf ein deutlich höheres Niveau erhöhen, als das durch den Verdichter alleine möglich ist. Im Bremsbetrieb muß somit der Kolben im Verdichtungshub mehr Kompressionsarbeit verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.

Gemäß der DE 195 43 190 A1 wird im Bremsbetrieb eine ge­ wünschte Motorbremsfunktion vorgegeben und die Leitschaufeln bzw. Sperrkörper, die in die Zwischenräume zwischen die Leit­ schaufeln verfahrbar sind, so eingestellt, bis der für die gewünschte Bremswirkung erforderliche Staudruck im Ab­ gasstrang zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader er­ reicht wird.

Aus der gattungsgemäßen Druckschrift WO 96/39573 A1 ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, wo­ bei das die einstellbaren Leitschaufeln des Laders beauf­ schlagende Stellglied von einer Regeleinheit beeinflußt wird. Die Regeleinheit umfaßt einen Turbinenregler und ein Motor­ bremssystem mit einem Bremsregler, wobei mit Hilfe eines Um­ schaltglieds zwischen dem Turbinenregler und dem Motorbrems­ system umgeschaltet werden kann. Diese Regeleinheit beinhal­ tet jedoch eine Vielzahl verschiedener Regelkomponenten, sie ist kompliziert und unflexibel aufgebaut.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen gattungsgema­ ßen Abgasturbolader variabel einsetzbar zu gestalten. Es soll insbesondere möglich sein, bestehende Abgasturbolader mit ge­ ringem Aufwand mit einer auf den jeweiligen Bedarf flexibel anzupassenden Bremsfunktion auszustatten.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Die Aufteilung in zwei separate, modular aufgebaute Systeme mit je einem Regler, jeweils einer für den befeuerten Betrieb und einer für den Bremsbetrieb, hat den Vorteil, daß Ab­ gasturbolader, die sich bereits im Einsatz in einer Brenn­ kraftmaschine befinden und noch nicht für den Bremsbetrieb gerüstet sind, mit minimalem Aufwand auch für den Bremsbe­ trieb verwendet werden können. Es muß lediglich ein zusätzli­ ches Motorbremssystem mit einem Bremsregler vorgesehen wer­ den, in welchem die für den Bremsbetrieb relevanten Kennfel­ der und Kenngrößen abgespeichert sind. Ein bereits eingebau­ ter Turbinenregler, über den der befeuerte Motorbetrieb gere­ gelt wird, braucht ebensowenig geändert zu werden wie sonsti­ ge für die Regelung benötigte Bauelemente, beispielsweise Sensoren oder Stellelemente, die üblicherweise ohnehin für die Regelung des befeuerten Betriebs vorhanden sind und nun auch für die Bremsregelung eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch einen einfachen Austausch des Bremsreglers oder des Motorbremssystems ver­ schiedenartige Regelalgorithmen bzw. die Regelung beeinflus­ sende Kennfelder oder -größen realisiert werden können, unab­ hängig von der verwendeten Motorsteuerung. Es ist beispiels­ weise möglich, Bremsregler vorzuhalten und einzusetzen, die für verschiedenartige Turbinengeometrien angepaßt sind, wo­ durch die Variabilität erhöht ist.

Weiterhin kann dem Motorbremssystem über ein Umschaltglied auch ein manuell erzeugtes Bremssignal zugeführt werden, das in einer manuell einstellbaren Brems-Betätigungsvorrichtung, beispielsweise ein Lenkstock-Handbremshebel, generiert werden kann. Es ist damit möglich, bedarfsweise alternativ zum Bremsregler ein manuell einstellbares Bremsmoment zu erzeu­ gen. Dem Motorbremssystem ist bevorzugt noch ein Vergleichs­ glied mit einem drehzahlabhängigen Brems-Grenzwert aufge­ schaltet, um sicherzustellen, daß bei manueller Anforderung das erlaubte Bremsleistungsmaximum bei der aktuellen Motor­ drehzahl nicht überschritten wird, so daß eine kritische Be­ lastung der Turbinengeometrie vermieden wird.

Um zwischen dem Bremsbetrieb und dem befeuerten Motorbetrieb umschalten zu können, ist ein Umschaltglied vorgesehen, so daß einerseits der Turbinenregler dem Motorbetrieb und ande­ rerseits der Bremsregler dem Bremsbetrieb zuordenbar ist, wo­ bei an einen bereits bestehenden Turbinenregler das Motor­ bremssystem angekoppelt werden kann. Man erhält dadurch au­ ßerdem den Vorteil, daß mit nur einer Ankopplung beide Bremsmöglichkeiten, sowohl die Bremsung über den Bremsregler als auch die manuelle Anforderung der Bremsleistung, zuge­ schaltet werden können.

Die im Bremsregler einstellbare Bremsfunktion ist vorteilhaft ein konstantes Bremsmoment, so daß das Fahrzeug konstant ver­ zögert wird, oder eine konstante Geschwindigkeit, d. h. eine Tempomatfunktion. In letzterem Fall wird zur Bestimmung der tatsächlichen Geschwindigkeit zweckmäßig die Getriebeaus­ gangs-Drehzahl und der eingelegte Gang ermittelt, wobei diese Größen über die bestehende Fahrzeug-Motor-Regelung gemessen bzw. berechnet werden können und die Fahrzeug-Motor-Regelung auch den Soll-Ist-Vergleich der Geschwindigkeit vornehmen kann.

Dem Bremsregler ist bevorzugt ein Vergleichsglied zum Ver­ gleich des vom Bremsregler erzeugten Regelsignals mit einem vorgebbaren Maximal-Bremssignal nachgeschaltet. Das Ver­ gleichsglied übernimmt die Funktion eines elektronischen An­ schlags, um sicherzustellen, daß keine mechanische Überla­ stung infolge eines zu hohen Druckaufbaus eintritt.

Weiterhin kann dem Bremsregler ein Verzögerungsglied nachge­ ordnet sein, das die Funktion hat, Regelsignale des Bremsreg­ ler mit Verzögerung zu übertragen, um Druckspitzen im Zylin­ der zu verhindern, die auftreten können, falls ein hoher Überdruck aufgebaut wird, während ein am Zylinder angeordne­ tes Drosselventil noch geschlossen ist. Das Verzögerungsglied sorgt beim Einschalten der Turbinengeometrie-Verstellung bzw. beim Abschalten des Drosselventils für eine verzögerte Über­ tragung des Regelsignals, wodurch vermieden wird, daß das Drosselventil noch geschlossen ist, wenn bereits Druck im Ab­ gasstrang aufgebaut wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeich­ nung zu entnehmen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Mo­ torbremssystems dargestellt ist.

Die Figur zeigt den schematischen Aufbau eines Motorbremssy­ stems 1 zur Regelung und Einstellung eines gewünschten Brems­ verhaltens einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, mit einem Abgasturbo­ lader mit variabler Turbinengeometrie. Das Bremssystem umfaßt einen Bremsregler 3, diverse dem Regelsystem zuzuordnende Re­ gelkreisglieder 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 11 sowie weitere, in der Figur nicht eingezeichnete Stellglieder und Sensoren. Das Mo­ torbremssystem 1 kommuniziert außerdem mit einem Turbinenreg­ ler 2 und dem Turbinenregler 2 zugeordneten Regelkreisglie­ dern 10 und 12. Das Motorbremssystem 1 und der Turbinenregler 2 regeln beide die einstellbare Geometrie der Turbine des Ab­ gasturboladers, wobei das Motorbremssystem 1 im Bremsbetrieb und der Turbinenregler 2 im befeuerten Betrieb aktiv ist; die Umschaltung zwischen dem Motorbremssystem 1 und dem Turbinen­ regler 2 erfolgt mittels eines Umschaltglieds 4.

Im Bremsbetrieb des Fahrzeugs wird im Bremsregler 3 ein Re­ gelsignal R_B erzeugt, dessen Wert vom eingesetzten Regelalgo­ rithmus und von der gewählten Motorbremsfunktion abhängt. Es ist möglich, ein konstantes Bremsmoment, eine konstante Ge­ schwindigkeit oder eine andere Funktion vorzugeben. Wird eine konstante Geschwindigkeit (Tempomatfunktion) gewählt, so wird das Regelsignal R_B aus dem Vergleich der vorgegebenen Soll-Geschwindigkeit v_soll mit der Ist-Geschwindigkeit v_ist berech­ net, wobei die Ist-Geschwindigkeit v_ist aus der Messung der Getriebeausgangs-Drehzahl n_G und über die Gangerkennung G_E er­ mittelt werden kann. Der Soll-Ist-Vergleich der Tempomatfunk­ tion kann auch innerhalb einer Fahrzeug-Motor-Regelung erfol­ gen, um bereits existierende Regelungskomponenten optimal auszunutzen.

Anstelle eines im Bremsregler 3 erzeugten Bremssignals kann dem Motorbremssystem 1 auch ein durch manuellen Eingriff er­ zeugtes Bremssignal R_M zugeführt werden, das in einer manuell zu betätigenden Brems-Betätigungsvorrichtung 8 auf Anforde­ rung des Fahrers generiert wird. Das manuell erzeugte Bremssignal R_M ist dem Motorbremssystem 1 über ein Umschalt­ glied 7 zuzuführen, das zur Umschaltung zwischen dem automa­ tischem Bremsregler 3 und der manuellen Brems-Be­ tätigungsvorrichtung 8 vorgesehen ist.

Wird manuell gebremst, so wird das manuelle Bremssignal R_M zweckmäßig in einem Vergleichsglied mit einem drehzahlabhän­ gigen Brems-Grenzwert B_G verglichen und gegebenenfalls auf diesen Brems-Grenzwert B_G reduziert, um eine Überlastung der Turbinengeometrie zu vermeiden und die Stellposition des Tur­ binenleitapparats zu begrenzen, weil gegebenenfalls ein über diese Grenzposition hinausgehendes Verschließen das Bremsmo­ ment wieder reduziert. Der Brems-Grenzwert B_G wird in Abhän­ gigkeit der Motordrehzahl n_M in einem Generierer 9 erzeugt, in dem ein Bremswert-Motordrehzahl-Kennfeld gespeichert ist.

Das Bremssignal - entweder das manuell erzeugte Signal R_M oder das vom Bremsregler erzeugte Signal R_B - wird einem Verzöge­ rungsglied 6 zugeführt, das für eine verzögerte Übertragung des Bremssignals beim Einschalten bzw. beim Abschalten sorgt. Für die Verzögerung können verschiedene Funktionen realisiert werden, beispielsweise eine Hysteresefunktion, so daß beim Einschalten Turbinengeometrie mit Verzögerung in die Stau­ stellung überführt und beim Ausschalten das Drosselventil am Zylinder mit Verzögerung in seine Schließstellung überführt wird. Als Ausgangssignal erzeugt das Verzögerungsglied 6 ein Signal R_V.

Das Signal R_V wird einem Vergleichsglied 5 zugeführt und auf einen maximalen Bremswert B_max begrenzt, der in einem Kenn­ wert-Generierer 11 abgelegt ist bzw. erzeugt wird. Als Aus­ gangssignal wird im Vergleichsglied 5 ein Regelsignal R er­ zeugt, das als elektrisches Signal für die Änderung der Stellweite der variablen Turbinengeometrie (Pulsweitenmodulation) einem nicht gezeigten elektro­ pneumatischen Wandler zugeführt wird, in dem das Signal in ein Stellsignal zur Beaufschlagung eines die Turbinengeome­ trie verstellenden Stellglieds umgewandelt wird.

Die Umschaltung zwischen dem Bremsbetrieb mit aktiviertem Bremsregler 3 bzw. manueller Bremsmomentanforderung über die Brems-Betätigungsvorrichtung 8 und dem Turbinenregler 2 für den befeuerten Betrieb erfolgt über das Umschaltglied 4. Dem Turbinenregler 2 ist als Eingangsgröße beispielsweise der Soll-Ladedruck p2_soll und der Ist-Ladedruck p2_ist im Ansaugtrakt zugeführt und produziert als Ausgangsgröße ein Regelsignal R_T, wobei in einem Vergleichsglied 10 das Regelsignal R_T auf einen Maximalwert F_max begrenzt wird, der in einem Generierer 12 er­ zeugt wird bzw. abgespeichert ist.

Mit dem gezeigten Motorbremssystem sind verschiedene Rege­ lungsstrategien realisierbar. Als Führungsgröße für die Bremsregelung kann beispielsweise der Ladedruck, der Abgasge­ gendruck oder der Differenzdruck zwischen Ladedruck und Ab­ gasgegendruck eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, welche im befeuerten Motorbetrieb über einen Turbinenregler (2) auf ei­ nen vorgebbaren Soll-Ladedruck (p2_soll) im Ansaugkanal ein­ stellbar ist und im Bremsbetrieb über ein Motorbremssystem (1) mit einem Bremsregler (3) in Abhängigkeit von Betriebspa­ rametern der Brennkraftmaschine in eine den Druck im Ab­ gasstrang erhöhende Staustellung verstellbar ist, wobei ein Umschaltglied (4) zur Umschaltung zwischen dem Motorbremssy­ stem (1) und dem Turbinenregler (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenregler (2) und das Motorbremssystem (1) je­ weils modular aufgebaut und separat ausgebildet sind, und daß dem Motorbremssystem (1) ein manuelles Bremssignal (R_M) zuführbar ist, welches in einer manuell einstellbaren Brems-Betätigungsvorrichtung (8) erzeugbar ist, wobei ein Um­ schaltglied (7) zur Umschaltung zwischen dem Bremsregler (3) und der Brems-Betätigungsvorrichtung (8) vorgesehen ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsregler (3) ein konstantes Bremsmoment einstellbar ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bremsregler (3) eine konstante Soll-Geschwindigkeit (v_soll) einstellbar ist (Tempomatfunktion).

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist-Geschwindigkeit (v_ist) durch Ermittlung der Ge­ triebeausgangs-Drehzahl (n_G) und die Gangerkennung (G_E) be­ stimmt wird.

5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bremsregler (3) ein Vergleichsglied (5) zum Vergleich des vom Bremsregler erzeugten Regelsignals (R_B, R_M, R_V) mit einem vorgebbaren maximalen Bremswert (B_max) nachgeschaltet ist.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bremsregler (3) ein Verzögerungsglied (6) zur verzö­ gerten Übertragung des Regelsignals (R_B, R_M) nachgeschaltet ist.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal (R_B, R_M) zum Einschalten der Geometriever­ stellung der Turbine verzögerbar ist.

8. Abgasturbolader nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsignal (R_B, R_M) zum Abschalten eines am Zylinder angeordneten Drosselventils verzögerbar ist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltglied (7) zur Umschaltung im Bremsbetrieb vom Bremsregler (3) auf eine manuell betätigbare Brems-Be­ tätigungsvorrichtung (8) angeordnet ist.

10. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels der manuellen Brems-Betätigungsvorrichtung (8) erzeugte Signal (R_M) mit einem drehzahlabhängigen Brems-Grenzwert (B_G) verglichen wird.

11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße für die Bremsregelung der Ladedruck ist.

12. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße für die Bremsregelung der Abgasgegen­ druck ist.

13. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße für die Bremsregelung das Druckgefälle zwischen Ladedruck und Abgasgegendruck ist.

14. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Turbinenregler (2) ein Vergleichsglied (10) zum Ver­ gleich des vom Turbinenregler (2) erzeugten Regelsignals (R_T) mit einem vorgebbaren Maximalwert (F_max) für den Turbinenreg­ ler (2) nachgeschaltet ist.