DE19814572A1 - Verfahren und Bremseinrichtung für einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb werden zur Bestimmung eines die Stellung der Turbinengeometrie beeinflussenden Stellsignals Motorbetriebsparameter gemessen. DOLLAR A Um für alle Motordrehzahlbereiche ein Bremsleistungsmaximum bereitzustellen, werden als Motorbetriebsparameter der Ladedruck im Ansaugrohr und der Abgasgegendruck im Abgasstrang vor dem Abgasturbolader gemessen, ein Gesamtdruck als Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck bestimmt und die Turbinengeometrie soweit verstellt, bis der Gesamtdruck mit einem Maximaldruck übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Bremseinrichtung für einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, 7 bzw. 8.

Aus der WO 96/39573 ist ein Verfahren zur Regelung des Lade­ drucks bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellba­ rer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt. Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Bremswirkung zu erzielen, wird die Turbinengeometrie in eine Staustellung über­ führt, in der der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals zum Aufbau eines Abgasgegendrucks im Leitungsabschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader reduziert ist. Das Abgas strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle zwischen den Leitschaufeln der Turbinengeometrie und beaufschlagt das Turbi­ nenrad, woraufhin der Verdichter im Ansaugtrakt einen Überdruck aufbaut. Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zy­ linderauslaß und dem Abgasturbolader ein Überdruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Bekompressions­ ventile in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Bremsbe­ trieb muß der Kolben im Verdichtungshub Kompressionsarbeit ge­ gen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.

Bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Abgasturbolader wird die Bremsleistung mittels eines Bremsreglers auf einen ge­ wünschten Sollwert eingestellt. Als Eingangsgrößen werden die Position der Drosselklappe im Ansaugtrakt, die Motordrehzahl, die Stellung des Bremspedals sowie weitere den Betriebszustand des Fahrzeugs repräsentierende Größen wie die Stellung eines externen Bremsschalters oder die Tempomateinstellung erfaßt. Als Ausgangsgröße wird ein Stellsignal erzeugt, das ein Stell­ glied zur Einstellung der Leitschaufeln der Turbinengeometrie beaufschlagt.

Diese Regelung erlaubt es zwar, die Bremsleistung in Abhängig­ keit der Motorbetriebsparameter auf eine gewünschte Größe bzw. einen gewünschten Verlauf zu bringen, um beispielsweise auf Ge­ fällstrecken eine konstante Geschwindigkeit beizubehalten. Die Druckschrift WO 96/39573 offenbart aber keine Möglichkeit, ein Maximum an Bremsleistung zu erzeugen, um den kürzestmöglichen Bremsweg zu erzielen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für alle Motordreh­ zahlbereiche ein Bremsleistungsmaximum bereitzustellen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 7 bzw. 8 gelöst.

Das neuartige Verfahren nutzt als Regelungskriterium die Summe aus Ladedruck im Ansaugtrakt und Abgasgegendruck im Leitungsab­ schnitt zwischen den Zylinderauslässen und dem Abgasturbolader. Die Funktion der Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck ver­ läuft etwa proportional zur erzielbaren Bremsleistung, so daß beim Maximum des Gesamtdrucks, gebildet aus der Summe von Lade­ druck und Abgasgegendruck, auch das Bremsleistungsmaximum zu finden ist.

Der Gesamtdruck als Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck bildet ein verläßliches Kriterium für die Bestimmung der maxi­ malen Bremsleistung.

Es ist dadurch möglich, für jede beliebige Motordrehzahl ein Bremsleistungsmaximum einzustellen, indem jeder Motordrehzahl ein Maximaldruck zugeordnet wird, bei dem die Bremsleistung ein Maximum erreicht. Während des Bremsvorgangs wird die aktuelle Motordrehzahl erfaßt und zweckmäßig für den aktuellen Drehzahl­ punkt bzw. für bestimmte Drehzahlbereiche der tatsächliche Ge­ samtdruck mit einem Maximaldruck verglichen und die Turbinen­ geometrie soweit verstellt, bis der Gesamtdruck mit dem Maxi­ maldruck übereinstimmt. Sobald dies der Fall ist, liegt der tatsächliche Gesamtdruck beim maximal erreichbaren Wert und ist zugleich das Bremsleistungsmaximum für den aktuellen Wert der Drehzahl bzw. für den aktuellen Drehzahlbereich erreicht.

Der Maximaldruck kann vorab bestimmt oder im laufenden Motorbe­ trieb ermittelt werden.

Der Maximaldruck kann vorab bestimmt werden, indem ein Refe­ renzmotor über das erforderliche Drehzahlspektrum vermessen wird und eine drehzahlabhängige Druckkurve, die den Maxi­ maldruck der Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck repräsen­ tiert, erstellt und abgespeichert wird. Die Druckkurve für den Maximaldruck kann im laufenden Motorbetrieb herangezogen wer­ den, um einen drehzahlbezogenen Vergleich zwischen dem Gesamt­ druck als Summe des gemessenen Ladedrucks und Abgasgegendrucks und dem Maximaldruck bilden zu können.

In der Bremseinrichtung werden in Abhängigkeit der Abweichung des Gesamtdrucks vom Maximaldruck Stellsignale erzeugt, die die Stelleinrichtung der Turbinengeometrie steuern. Die Stellung der Turbinengeometrie wird solange geändert, bis Gesamtdruck und Maximaldruck übereinstimmen. Diese Ausführung hat den Vor­ teil, daß der Maximaldruck für alle Drehzahlbereiche vorab be­ kannt ist und das Verfahren zur Einstellung des Bremsleistungs­ maximums schnell durchgeführt werden kann.

Der Maximaldruck kann aber auch im laufenden Motorbetrieb be­ stimmt werden, indem die Stellung der Turbinengeometrie so lan­ ge variiert wird, bis der Gesamtdruck ein Maximum erreicht. Die Bestimmung des Maximums erfolgt auf rechnerischem Wege in einer Berechnungseinheit der Bremseinrichtung. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß das Bremsleistungsmaximum sehr genau einge­ stellt werden kann, weil Toleranzen und Streuungen bei in Groß­ serie gefertigten Motoren ausgeglichen werden.

Gemäß einer anderen Ausführung wird vorab ein drehzahlabhängi­ ges Kennfeld für diejenigen Positionen der Leitschaufeln der Turbinengeometrie bestimmt, für die sich ein Bremsleistungsma­ ximum einstellt. Jeder Motordrehzahl wird eine bestimmte Stel­ lung der Turbinengeometrie zugeordnet, die dem Bremsleistungs­ maximum bei dieser Drehzahl entspricht. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß zur Einstellung des Bremsleistungsmaximums nur die Motordrehzahl als Information benötigt wird; auf die Mes­ sung des Ladedrucks und des Abgasgegendrucks kann gegebenen falls verzichtet werden.

Es sind auch Mischformen der verschiedenen Ausführungen mög­ lich. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den Maxi­ maldruck vorab zu bestimmen und der Bremseinrichtung als Rohwert zuzuführen, der im laufenden Betrieb über eine rechne­ rische Ermittlung des Maximums des gemessenen Lade- und Abgas­ gegendrucks korrigiert wird.

Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung erzeugt auf der Grundlage der Informationen Motordrehzahl, Gesamtdruck und Maximaldruck diejenigen Stellsignale, die für eine Verstellung der Turbinen­ geometrie zum Erreichen der maximalen Bremsleistung erforder­ lich sind.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Blockschaltbild einer Bremseinrichtung dargestellt ist.

Die Bremseinrichtung 1 umfaßt einen Bremsregler 4 zur Erzeugung eines Stellsignals S_St, welches einem Stellglied 5 zur Beauf­ schlagung der Leitschaufeln eines Abgasturboladers zuführbar ist. Dem Bremsregler 4 sind ein Summierer 2 und ein Vergleichs­ glied 3 vorgeschaltet. Dem Summierer 2 werden der Ladedruck P_2S im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und der Abgasgegendruck p₃ im Abgasstrang zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgastur­ bolader als Eingangssignale zugeführt und dort zum Gesamtdruck p_ges addiert. Der Gesamtdruck p_ges wird dem Vergleichsglied 3 als Eingangssignal zugeführt und dort von einem dem Vergleichsglied 3 ebenfalls als Eingangssignal zugeführten Maximaldruck p_max subtrahiert. Der Differenzdruck Δp zwischen Maximaldruck p_max und Gesamtdruck p_ges wird als Signal dem Bremsregler 4 zuge­ führt, in dem aus dem Differenzdruck Δp das Stellsignal S_St für das Stellglied 5 erzeugt wird.

Als Ladedruck, der in die Ermittlung des Gesamtdrucks ein­ fließt, kann sowohl der Ladedruck P_2S im Ansaugtrakt in Strö­ mungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler als auch der Ladedruck p₂ vor dem Ladedruckkühler sein.

Der Maximaldruck p_max ist als drehzahlabhängiges Kennfeld in ei­ ner Speichereinheit 6 abgelegt. Die Motordrehzahl n_Mot liegt als Eingangssignal an der Speichereinheit 6 an, als Ausgangssignal wird der der aktuellen Motordrehzahl n_Mot zugeordnete Maxi­ maldruck p_max generiert, der dem Vergleichsglied 3 zugeführt und dort mit dem Gesamtdruck p_ges verglichen wird.

In einer anderen Ausführung ist alternativ oder zusätzlich zur Speichereinheit 6 eine Berechnungseinheit 7 vorgesehen, in der der Maximaldruck p_max rechnerisch ermittelt wird. Als Eingangs­ signale werden der Berechnungseinheit der aktuelle Gesamtdruck p_ges und die aktuelle Motordrehzahl n_Mot zugeführt. In der Be­ rechnungseinheit 7 werden mehrere aufeinanderfolgende Gesamt­ drücke p_ges, die bei einer bestimmten Motordrehzahl, jedoch bei unterschiedlichen Stellungen der Turbinengeometrie anliegen, miteinander verglichen und mit bekannten Methoden das dieser Motordrehzahl zugeordnete Maximum ermittelt. Um mehrere Gesamt­ drücke zu erhalten, aus denen das Maximum berechnet werden kann, wird mittels des Stellglieds 5 die Stellung der Turbinen­ geometrie variiert. Sobald das Maximum gefunden ist, ist die im Vergleichsglied 3 gebildete Differenz von Maximaldruck p_max und Gesamtdruck p_ges gleich Null, so daß der Bremsregler 4 keine die Turbinenstellung ändernden Stellsignale S_St erzeugt und die Turbinengeometrie in ihrer die maximale Bremsleistung erzeugen­ den Stellung verharrt.

Die Variation der Turbinengeometrie-Stellung zur Ermittlung des Maximaldrucks hat den Vorteil, daß das aus der Summe von Lade­ druck und Abgasgegendruck gebildete Regelkriterium bauartunab­ hängig für jeden beliebigen Abgasturbolader und für jeden be­ liebigen Motor eingesetzt werden kann. Bei diesem iterativen Regelverfahren wird während des Bremsbetriebs das Maximum der Drucksumme selbsttätig gesucht. Es ist möglich, ohne mechani­ sche Anschläge oder anderweitiger Verstellwegbeschränkungen für die variable Turbinengeometrie und ohne den Einsatz zusätzli­ cher Sensoren die dem gewünschten Bremsbetrieb entsprechende Einstellung der variablen Turbinengeometrie ausschließlich softwareseitig vorzunehmen.

Die Speichereinheit 6 und die Berechnungseinheit 7 können mit­ einander kombiniert werden, indem in der Speichereinheit 6 zu­ nächst ein Roh-Maximaldruck p_max als Initialwert ausgelesen und der Ermittlung eines Stellsignals zugrunde gelegt wird. Im fol­ genden Zyklus wird der Rohwert durch ein geeignetes Iterations­ verfahren in der Berechnungseinheit 7 verbessert.

Mit dem Verfahren bzw. mit der Einrichtung zur Messung des La­ dedrucks und des Abgasgegendrucks als Absolutdrücke kann höhen­ abhängig die zu erwartende Bremsleistung ermittelt und dem Fah­ rer angezeigt werden. Mit zunehmender Höhe nimmt die Bremslei­ stung ab; aus der maximal erreichbaren Bremsleistung läßt sich die noch zulässige, entsprechend verringerte Gefällegeschwin­ digkeit und/oder eine der geodätischen Höhe angepaßte Zuladung errechnen. Wird die zulässige Gefällegeschwindigkeit über­ schritten, können automatisch sicherheitsrelevante Fahr­ zeug/Motor-Funktionen aktiviert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführung kommuniziert eine Speicherein­ heit 8 unmittelbar mit dem Bremsregler 4. In der Speicherein­ heit 8 ist ein drehzahlabhängiges Kennfeld mit den Stellungen St der Turbinengeometrie abgelegt, bei denen sich ein Bremslei­ stungsmaximum einstellt. In Abhängigkeit der der Speicherein­ heit 8 zugeführten aktuellen Motordrehzahl n_Mot wird aus dem Kennfeld die zugehörige Stellung St bestimmt, die als Eingangs­ signal dem Bremsregler 4 zugeführt wird. Im Bremsregler 4 wird aus der Information über die Stellung St unmittelbar ein Stell­ signal S_St für das Stellglied 5 erzeugt, das die Turbinengeome­ trie in die dem Bremsleistungsmaximum entsprechende Stellung überführt.

Bei dieser Ausführung kann auf die Ermittlung und Weiterverar­ beitung des Ladedrucks p_2S und des Abgasgegendrucks p₃ verzich­ tet werden. Es entfällt auch die Bereitstellung des Maxi­ maldrucks p_max.

Claims (13)

1. Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit varia­ bler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb, wobei zur Bestim­ mung eines die Stellung der Turbinengeometrie beeinflussenden Stellsignals (S_St) Motorbetriebsparameter gemessen werden,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß als Motorbetriebsparameter der Ladedruck (p_2s) im Ansaug­ rohr und der Abgasgegendruck (p₃) im Abgasstrang vor dem Ab­ gasturbolader gemessen werden,
• - daß ein Gesamtdruck (p_ges) als Summe aus Ladedruck (p_2s) und Abgasgegendruck (p₃) bestimmt wird
• - und daß die Turbinengeometrie soweit verstellt wird, bis der Gesamtdruck (p_ges) mit einem Maximaldruck (p_max) übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Motordrehzahl (n_Mot) bestimmt wird und jeder Motordrehzahl (n_Mot) ein Maximaldruck (p_max) für die Summe aus Ladedruck (p_2s) und Abgasgegendruck (p₃) zugeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximaldruck (p_max) vorab bestimmt und für den Vergleich mit dem Gesamtdruck (p_ges) vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Turbinengeometrie solange variiert wird, bis der Gesamtdruck (P_ges) und der Maximaldruck (p_max) überein­ stimmen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wert für den Maximaldruck (p_max) eine definierte Stel­ lung der Turbinengeometrie zugeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximaldruck (p_max) als Maximum der Summe aus Ladedruck (p_2s) und Abgasgegendruck (p₃) während des Motorbetriebs durch Verstellen der Turbinengeometrie bestimmt wird.

7. Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit varia­ bler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb, wobei zur Bestim­ mung eines die Stellung der Turbinengeometrie beeinflussenden Stellsignals (S_St) Motorbetriebsparameter gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Motorbetriebsparameter die Motordrehzahl gemessen und jeder Motordrehzahl (n_Mot) eine definierte Stellung der Turbi­ nengeometrie zugeordnet wird, bei der sowohl der Gesamtdruck (p_ges) als Summe aus Ladedruck (p_2S) und Abgasgegendruck (p₃) als auch die Bremsleistung ein Maximum einnehmen.

8. Bremseinrichtung für einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Bremsregler (4) zur Erzeugung eines Stellsignals (S_St) in Abhängigkeit von meßbaren Motorbetriebsparametern, wobei das Stellsignal (S_St) einem Stellglied (5) zuführbar ist, über das die Turbinengeometrie in eine den Abgasgegendruck erhöhende Staustellung überführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bremseinrichtung (1) einen Summierer (2) umfaßt, dem der Ladedruck (p_2S) und der Abgasgegendruck (p₃) als Eingangs­ signale zuführbar sind und in dem ein den Gesamtdruck (p_ges) als Summe von Ladedruck (p_2S) und Abgasgegendruck (p₃) repräsentie­ rendes Signal erzeugbar ist,
• - daß das den Gesamtdruck (p_ges) repräsentierende Signal einem Vergleichsglied (3) zuführbar ist, in dem der Gesamtdruck (p_ges) mit einem Maximaldruck (p_max) vergleichbar und ein einen Diffe­ renzdruck (Δp) von Gesamtdruck (p_ges) und Maximaldruck (p_max) repräsentierendes Signal erzeugbar ist
• - und daß das den Differenzdruck (Δp) repräsentierende Signal dem Bremsregler (4) zur Erzeugung des Stellsignals (S_St) zu­ führbar ist.

9. Bremseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsglied (3) mit einer Speichereinheit (6) kom­ muniziert, in der der Maximaldruck (p_max) gespeichert ist.

10. Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximaldruck (p_max) als drehzahlabhängiges Kennfeld ab­ gespeichert ist.

11. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsglied (3) mit einer Berechnungseinheit (7) zur Bestimmung des Maximaldrucks (p_max) als Maximum der Summe aus Ladedruck (p_2S) und Abgasgegendruck (p₃) kommuniziert.

12. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsregler (4) mit einer Speichereinheit (8) kommuni­ ziert, in der die den Maximaldruck (p_max) hervorrufenden Stel­ lungen der Turbinengeometrie als drehzahlabhängiges Kennfeld gespeichert sind.

13. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Motordrehzahl (n_Mot) als Eingangssignal den Speicher- bzw. Berechnungseinheiten (6, 7, 8) zuführbar ist.