DE19814572B4

DE19814572B4 - Verfahren und Bremseinrichtung für einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE19814572B4
Application number: DE19814572A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Bischoff
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: DE19814572A1; US6085526A

Abstract

Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb, wobei zur Bestimmung eines die Stellung der Turbinengeometrie beeinflussenden Stellsignals (S_St) Motorbetriebsparameter gemessen werden,
dadurch gekennzeichnet,
– daß als Motorbetriebsparameter der Ladedruck (p_2S) im Ansaugrohr und der Abgasgegendruck (p₃) im Abgasstrang vor dem Abgasturbolader 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.

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 Ladedrucks bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt. Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Bremswirkung zu erzielen, wird die Turbinengeometrie in eine Staustellung überführt, 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 Turbinenrad, woraufhin der Verdichter im Ansaugtrakt einen Überdruck aufbaut. Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein Überdruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Dekompressionsventile in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Bremsbetrieb muß der Kolben im Verdichtungshub Kompressionsarbeit gegen 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 Stellglied zur Einstellung der Leitschaufeln der Turbinengeometrie beaufschlagt.
Diese Regelung erlaubt es zwar, die Bremsleistung in Abhängigkeit der Motorbetriebsparameter auf eine gewünschte Größe bzw. einen gewünschten Verlauf zu bringen, um beispielsweise auf Gefällstrecken 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.
Aus der Druckschrift DE 195 31 871 C1 ist ein Verfahren zur Regelung des Ladedruckes bei einer mittels eines Abgasturboladers mit verstellbarer Turbinengeometrie aufgeladenen Brennkraftmaschine auf einen vorgegebenen betriebspunktabhängigen Sollwert bekannt. Gemäß der DE 195 31 871 C1 soll im Instationärbetrieb, insbesondere nach positivem Lastwechsel aus niederen Last- und Drehzahlbereichen heraus, mit einfachen Mitteln die Regelung der Brennkraftmaschine verbessert werden, indem der Regelung die Differenz aus Abgasgegendruck und Ladedruck als Eingangsgröße zugeführt wird. Die DE 195 31 871 C1 zeigt aber weder in allgemeiner Weise ein Motorbremsverfahren für Turbinen mit variabler Turbinengeometrie noch offenbart diese Druckschrift, die Motorbremsleistung zu maximieren.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, für alle Motordrehzahlbereiche ein Bremsleistungsmaximum bereitzustellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 7 bzw. 8 gelöst.
Das neuartige Verfahren nutzt als Regelungskriterium die Summe aus Ladedruck im Ansaugtrakt und Abgasgegendruck im Leitungsabschnitt zwischen den Zylinderauslässen und dem Abgasturbolader. Die Funktion der Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck verläuft etwa proportional zur erzielbaren Bremsleistung, so daß beim Maximum des Gesamtdrucks, gebildet aus der Summe von Ladedruck und Abgasgegendruck, auch das Bremsleistungsmaximum zu finden ist.
Der Gesamtdruck als Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck bildet ein verläßliches Kriterium für die Bestimmung der maximalen 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 Drehzahlpunkt bzw. für bestimmte Drehzahlbereiche der tatsächliche Gesamtdruck mit einem Maximaldruck verglichen und die Turbinengeometrie soweit verstellt, bis der Gesamtdruck mit dem Maximaldruck 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 Motorbetrieb ermittelt werden.
Der Maximaldruck kann vorab bestimmt werden, indem ein Referenzmotor über das erforderliche Drehzahlspektrum vermessen wird und eine drehzahlabhängige Druckkurve, die den Maximaldruck der Summe aus Ladedruck und Abgasgegendruck repräsentiert, erstellt und abgespeichert wird. Die Druckkurve für den Maximaldruck kann im laufenden Motorbetrieb herangezogen werden, um einen drehzahlbezogenen Vergleich zwischen dem Gesamtdruck 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 Vorteil, daß der Maximaldruck für alle Drehzahlbereiche vorab bekannt ist und das Verfahren zur Einstellung des Bremsleistungsmaximums Schnell durchgeführt werden kann.
Der Maximaldruck kann aber auch im laufenden Motorbetrieb bestimmt werden, indem die Stellung der Turbinengeometrie so lange 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 eingestellt werden kann, weil Toleranzen und Streuungen bei in Großserie gefertigten Motoren ausgeglichen werden.
Gemäß einer anderen Ausführung wird vorab ein drehzahlabhängiges Kennfeld für diejenigen Positionen der Leitschaufeln der Turbinengeometrie bestimmt, für die sich ein Bremsleistungsmaximum einstellt. Jeder Motordrehzahl wird eine bestimmte Stellung der Turbinengeometrie zugeordnet, die dem Bremsleistungsmaximum bei dieser Drehzahl entspricht. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß zur Einstellung des Bremsleistungsmaximums nur die Motordrehzahl als Information benötigt wird; auf die Messung des Ladedrucks und des Abgasgegendrucks kann gegebenenfalls verzichtet werden.
Es sind auch Mischformen der verschiedenen Ausführungen möglich. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, den Maximaldruck vorab zu bestimmen und der Bremseinrichtung als Rohwert zuzuführen, der im laufenden Betrieb über eine rechnerische Ermittlung des Maximums des gemessenen Lade- und Abgasgegendrucks korrigiert wird.
Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung erzeugt auf der Grundlage der Informationen Motordrehzahl, Gesamtdruck und Maximaldruck diejenigen Stellsignale, die für eine Verstellung der Turbinengeometrie zum Erreichen der maximalen Bremsleistung erforderlich 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 Beaufschlagung der Leitschaufeln eines Abgasturboladers zuführbar ist. Dem Bremsregler 4 sind ein Summierer 2 und ein Vergleichsglied 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 Abgasturbolader 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 zugeführt, in dem aus dem Differenzdruck Δp das Stellsignal S_St für das Stellglied 5 erzeugt wird.
Als Ladedruck, der in die Ermittlung des Gesamtdrucks einfließt, kann sowohl der Ladedruck p_2S im Ansaugtrakt in Strömungsrichtung hinter dem Ladeluftkühler als auch der Ladedruck p₂ vor dem Ladedruckkühler sein.
Der Maximaldruck p_max ist als drehzahlabhängiges Kennfeld in einer 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 Eingangssignale werden der Berechnungseinheit der aktuelle Gesamtdruck pges und die aktuelle Motordrehzahl n_Mot zugeführt. In der Berechnungseinheit 7 werden mehrere aufeinanderfolgende Gesamtdrücke 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 Gesamtdrücke zu erhalten, aus denen das Maximum berechnet werden kann, wird mittels des Stellglieds 5 die Stellung der Turbinengeometrie 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 erzeugenden Stellung verharrt.
Die Variation der Turbinengeometrie-Stellung zur Ermittlung des Maximaldrucks hat den Vorteil, daß das aus der Summe von Ladedruck und Abgasgegendruck gebildete Regelkriterium bauartunabhängig für jeden beliebigen Abgasturbolader und für jeden beliebigen Motor eingesetzt werden kann. Bei diesem iterativen Regelverfahren wird während des Bremsbetriebs das Maximum der Drucksumme selbsttätig gesucht. Es ist möglich, ohne mechanische Anschläge oder anderweitiger Verstellwegbeschränkungen für die variable Turbinengeometrie und ohne den Einsatz zusätzlicher Sensoren die dem gewünschten Bremsbetrieb entsprechende Einstellung der variablen Turbinengeometrie ausschließlich softwareseitig vorzunehmen.
Die Speichereinheit 6 und die Berechnungseinheit 7 können miteinander kombiniert werden, indem in der Speichereinheit 6 zunächst ein Roh-Maximaldruck p_max als Initialwert ausgelesen und der Ermittlung eines Stellsignals zugrunde gelegt wird. Im folgenden Zyklus wird der Rohwert durch ein geeignetes Iterationsverfahren in der Berechnungseinheit 7 verbessert.
Mit dem Verfahren bzw. mit der Einrichtung zur Messung des Ladedrucks und des Abgasgegendrucks als Absolutdrücke kann höhenabhängig die zu erwartende Bremsleistung ermittelt und dem Fahrer angezeigt werden. Mit zunehmender Höhe nimmt die Bremsleistung ab; aus der maximal erreichbaren Bremsleistung läßt sich die noch zulässige, entsprechend verringerte Gefällegeschwindigkeit und/oder eine der geodätischen Höhe angepaßte Zuladung errechnen. Wird die zulässige Gefällegeschwindigkeit überschritten, können automatisch sicherheitsrelevante Fahrzeug/Motor-Funktionen aktiviert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführung kommuniziert eine Speichereinheit 8 unmittelbar mit dem Bremsregler 4. In der Speichereinheit 8 ist ein drehzahlabhängiges Kennfeld mit den Stellungen St der Turbinengeometrie abgelegt, bei denen sich ein Bremsleistungsmaximum einstellt. In Abhängigkeit der der Speichereinheit 8 zugeführten aktuellen Motordrehzahl n_Mot wird aus dem Kennfeld die zugehörige Stellung St bestimmt, die als Eingangssignal dem Bremsregler 4 zugeführt wird. Im Bremsregler 4 wird aus der Information über die Stellung St unmittelbar ein Stellsignal S_St für das Stellglied 5 erzeugt, das die Turbinengeometrie in die dem Bremsleistungsmaximum entsprechende Stellung überführt.
Bei dieser Ausführung kann auf die Ermittlung und Weiterverarbeitung des Ladedrucks p_2S und des Abgasgegendrucks p₃ verzich tet werden. Es entfällt auch die Bereitstellung des Maximaldrucks p_max.

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb, wobei zur Bestimmung eines die Stellung der Turbinengeometrie beeinflussenden Stellsignals (S_St) Motorbetriebsparameter gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, – daß als Motorbetriebsparameter der Ladedruck (p_2S) im Ansaugrohr und der Abgasgegendruck (p₃) im Abgasstrang vor dem Abgasturbolader 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.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Turbinengeometrie solange variiert wird, bis der Gesamtdruck (p_ges) und der Maximaldruck (p_max) übereinstimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wert für den Maximaldruck (p_max) eine definierte Stellung der Turbinengeometrie zugeordnet wird.
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.
Verfahren zur Einstellung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie im Motorbremsbetrieb, wobei zur Bestimmung 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 Turbinengeometrie 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.
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 Eingangssignale zuführbar sind und in dem ein den Gesamtdruck (p_ges) als Summe von Ladedruck (p_2S) und Abgasgegendruck (p₃) repräsentierendes 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 Differenzdruck (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) zuführbar ist.
Bremseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsglied (3) mit einer Speichereinheit (6) kommuniziert, in der der Maximaldruck (p_max) gespeichert ist.
Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximaldruck (p_max) als drehzahlabhängiges Kennfeld abgespeichert ist.
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.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsregler (4) mit einer Speichereinheit (8) kommuniziert, in der die den Maximaldruck (p_max), hervorrufenden Stellungen der Turbinengeometrie als drehzahlabhängiges Kennfeld gespeichert sind.
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.