DE19844571C2 - Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Motorbremsverfahren für eine aufge­ ladene Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 195 43 190 A1 ist ein Motorbremssystem für eine auf­ geladene Brennkraftmaschine bekannt, die mit einer Abgasturbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter variabel einstell­ baren Turbinengeometrie versehen ist. Das Leitgitter umfaßt Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so eingestellt werden können, dass der wirksame Turbinenquerschnitt der Turbi­ ne verändert wird. Hierdurch können je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Abgasgegendrücke im Ab­ schnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader reali­ siert werden, wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden können.

Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswir­ kung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Leitungsabschnitt zwischen den Zylindern und der Abgas­ turbine baut sich ein hoher Abgasgegendruck auf, mit der Folge, dass Abgas mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle zwischen den Leitschaufeln strömt und das Turbinenrad mit einem hohen Impuls beaufschlagt. Die Turbinenleistung wird auf den Verdich­ ter übertragen, woraufhin die dem Motor zugeführte Verbren­ nungsluft vom Verdichter unter erhöhten Ladedruck gesetzt wird.

Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Ladedruck beaufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein erhöhter Abgasgegendruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über geöffnete Bremsventile in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motor­ bremsbetrieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.

Derartige Motorbremssysteme werden bevorzugt bei schweren Nutz­ fahrzeugen eingesetzt, bei denen Motorbremsleistungen in der Größenordnung von mehreren Hundert kW erzeugt werden können.

Weiterhin ist es aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 44 25 956 A1 bekannt, im Motorbremsbetrieb zeitweise zur Befeue­ rung der Brennkraftmaschine Kraftstoff einzuspritzen, um die Bremsleistung zu erhöhen. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird vor dem Erreichen des oberen Totpunktes gezündet, woraufhin sich im Brennraum ein Druck aufbaut, gegen den der sich nach oben bewe­ gende Kolben Arbeit verrichten muß. Diese Verdichtungsarbeit wird von der kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs abgezogen, wodurch ein wirksamer Bremseffekt erzielt wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Motorbremsverfah­ ren anzugeben, mit dem ein schneller Bremsleistungsaufbau er­ reicht wird.

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

Gemäß dem neuartigen Verfahren wird die Brennkraftmaschine auch im Motorbremsbetrieb zur Steigerung der Bremsleistung zumindest zeitweise befeuert. Die Befeuerung bewirkt, daß ein Abgas­ massenstrom erzeugt wird, der über geöffnete Bremsventile in den Abgasstrang hinein abgeblasen wird. Neben dem Effekt, daß der Kolben Verdichtungsarbeit gegen das vor dem oberen Totpunkt gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch verrichten muß, wird außerdem erreicht, daß der Abgasgegendruck in kurzer Zeit erhöht wird, so daß der Kolben den Brennrauminhalt gegen den hohen Abgasge­ gendruck ausschieben muß. Außerdem wird die Turbinendrehzahl schnell gesteigert und infolgedessen die Laderleistung in kur­ zer Zeit erhöht, wodurch wiederum ein erhöhter Massendurchsatz durch den Motor mit entsprechender Leistungssteigerung erreicht wird.

Da ein Zünden und eine saubere Verbrennung des Kraftstoff-Luft- Gemisches nur bei einem ausreichend hohen Zylinderinnendruck möglich ist, der Brennrauminhalt aber wegen der geöffneten Bremsventile zumindest teilweise abgeleitet wird, werden Maß­ nahmen zur Aufrechterhaltung eines Mindestdrucks im Zylinderin­ nenraum ergriffen. Diese Maßnahmen bestehen darin, daß eine die Verbrennung charakterisierende Kenngröße eingeführt wird, die Kenngröße auf Unterschreiten eines Grenzwerts überwacht wird und gegebenenfalls der über Zylinderauslässe in den Abgasstrang abgeleitete Abgasmassenstrom reduziert wird, insbesondere durch Reduzierung des Ventilhubs von Bremsventilen oder aber durch Verkleinerung des Ventilquerschnitts. Die Reduzierung des Ab­ gasmassenstromes hat zur Folge, daß ein weiteres Absinken des Zylinderinnendruckes verhindert wird, gegebenenfalls der Innen­ druck sogar erhöht wird und damit einhergehend die Zylindertem­ peratur erhöht und die Gemischbildung gefördert wird, so daß die Verbrennung das Kraftstoff-Luft-Gemisches aufrecht erhalten werden kann.

Die Kenngröße muß nicht notwendigerweise identisch mit dem Zy­ linderinnendruck sein. Es reicht vielmehr aus, eine mit dem Zy­ linderinnendruck korrelierende Größe heranzuziehen und einen Grenzwert zu bilden, der demjenigen Mindest-Zylinderinnendruck entspricht, bei dem ein Zünden und eine Verbrennung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches gerade noch möglich ist.

Sobald die Kenngröße in den Bereich des Grenzwertes absinkt, werden die Bremsventile in Richtung ihrer Schließstellung ver­ setzt, so daß weniger Brennrauminhalt in den Abgasstrang ent­ weichen kann und ein weiteres Abfallen des Zylinderinnendrucks verhindert wird. Der Grenzwert der Kenngröße hängt vom Typ der Brennkraftmaschine, dem Verhältnis von Kraftstoff und Luft, der Geometrie des Brennraumes etc. ab und kann in einem Kennfeld in Abhängigkeit der genannten Parameter und Zustandsgrößen abge­ speichert und bei einer Änderung eines Parameters oder einer Zustandsgröße aktualisiert werden.

Als Kenngröße wird eine Motor-Zustandsgröße berücksichtigt, insbesondere die Motordrehzahl, die ohne Probleme zu überwachen ist und in der Regel ohnehin gemessen und in einer Motor-Regel- und Steuereinheit zur Steuerung und Regelung des Motors als Zahlenwert vorliegt. Die Ermittlung der Motordrehzahl ist übli­ cherweise leichter zu bewerkstelligen als die Ermittlung des Zylinderinnendrucks. Der Motor-Zustandsgröße ist als Grenzwert eine Motor-Mindestdrehzahl zugeordnet, die dem Mindest- Zylinderinnendruck entspricht, welcher für die Aufrechterhal­ tung einer Verbrennung erforderlich ist. Fällt die Motordreh­ zahl in den Bereich des Grenzwertes ab, wird der abfließende Abgasmassenstrom verringert, insbesondere durch Reduzierung des Ventilhubs der Bremsventile.

Es kann zweckmäßig sein, die Bremsventile trotz fortdauernden Motorbremsbetriebes vollständig zu schließen, um zu verhindern, daß die Verbrennung versiegt. Eine vollständige Schließung ist bei Bremssystemen mit im Hub konstanten Bremsventilen zur Erhö­ hung des Zylinderinnendruckes angezeigt. Die Schließung der Bremsventile kann bei einer Änderung der die Verbrennung beein­ flussenden Parameter und Zustandsgrößen, insbesondere bei einer ansteigenden Motordrehzahl, wieder aufgehoben bzw. der Ventil­ hub wieder vergrößert werden. Bei kontinuierlich verstellbaren Bremsventilen wird zur Aufrechterhaltung der Verbrennung die zu beobachtende Motor-Zustandsgröße auf den Grenzwert geregelt, wobei der Ventilhub in Abhängigkeit weiterer Parameter wie Schub, Gefälle etc. bei konstanter Drehzahl variiert wird.

Es kann zweckmäßig sein, in der Brennkraftmaschine eine Abbla­ seeinrichtung vorzusehen, die einen einstellbaren Bypass zur Abgasturbine bildet. Der Bypass kann zur Reduzierung des Abgas­ gegendruckes und zur Verminderung des Ladedruckes geöffnet wer­ den, um Bauteilüberlastungen zu vermeiden.

Um in Notfällen in kürzestmöglicher Zeit eine maximale Motor­ bremsleistung zur Verfügung zu stellen, wird die variable Tur­ binengeometrie vorteilhaft in ihre dem Bremsleistungsmaximum entsprechende Staustellung überführt, die Bremsventile maximal geöffnet und außerdem die maximal mögliche Kraftstoffmenge ver­ brannt. Dies hat zur Folge, daß in den Zylindern eine sehr hohe Energiemenge erzeugt und in den Abgasstrang ausgestoßen wird, die zur Steigerung der Laderleistung die Turbine auf eine höhe­ re Drehzahl bringt. Die maximal zulässigen Zylinderinnendrücke werden in dieser Situation zweckmäßig der Bereitstellung maxi­ maler Bremsleistung untergeordnet. Insbesondere wird eine even­ tuell vorhandene Abblaseeinrichtung trotz der Gefahr von Bau­ teilüberlastungen zugunsten eines schnellen Druckaufbaus in Schließstellung versetzt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die eine schematische Darstellung einer aufgela­ denen Brennkraftmaschine mit variabler Turbinengeometrie zeigt.

Die Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eine Diesel-Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, weist einen Abgasturbolader 3 auf, der einen im Ansaugtrakt 8 der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Verdichter 10 zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks am Zylindereinlaß und eine Turbine 11 im Abgasstrang 9 umfaßt. Die Turbine 11, die vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben wird, ist mit einer variablen, verstellbaren Turbinengeometrie ausgestattet, die zwischen ei­ ner Öffnungsstellung mit maximalem Turbineneintrittsquerschnitt und einer Staustellung mit minimalem Turbineneintrittsquer­ schnitt verstellbar ist. In der befeuerten Antriebsbetriebswei­ se steht die variable Turbinengeometrie in der Regel in Öff­ nungsstellung, um einen größtmöglichen Massendurchsatz durch die Turbine zu ermöglichen und eine hohe Laderleistung zu er­ zeugen. Im Motorbremsbetrieb steht die variable Turbinengeome­ trie in der Regel in Schließstellung, so dass der Abgasgegen­ druck stark ansteigt und der Brennrauminhalt zur Erzeugung von Motorbremsleistung über geöffnete Bremsventile 20 gegen den ho­ hen Abgasgegendruck ausgeschoben werden muß.

Die variable Turbinengeometrie kann durch Drehschaufeln, durch ein axial verschiebliches Leitgitter oder durch sonstige Vario­ turbinentypen realisiert sein, beispielsweise durch Klappentur­ binen mit einer zum Turbinenrad weisenden Flut, die über eine Klappe abgesperrt werden kann.

Weiterhin ist eine Abblaseeinrichtung 25 vorgesehen, über die zur Senkung das Abgasgegendrucks Abgas stromauf der Turbine 11 ausgeleitet und stromab der Turbine 11 in den Abgasstrang wie­ der eingeleitet werden kann. Die Abblaseeinrichtung 25 ist mit einem regelbaren Ventil versehen. Die variable Turbinengeome­ trie und/oder die Abblaseeinrichtung 25 werden über ein Stelle­ lement 12 auf den gewünschten Strömungsquerschnitt bzw. die Menge abzuleitenden Abgases eingestellt. Über die Abblaseein­ richtung 25 kann sichergestellt werden, daß Maximaldrücke, die zu einer Bauteilzerstörung führen können, nicht überschritten werden. Es werden insbesondere der Ladedruck im Ansaugtrakt und der Abgasgegendruck im Abgasstrang stromauf der Turbine 11 überwacht.

Über eine Kupplung 13 ist die Kurbelwelle 16 der Brennkraftma­ schine 1 mit einem nachgeschalteten Handschalt-Getriebe 2 ver­ bunden. Eine erste Kupplungsscheibe 14 der Kupplung 13 ist drehfest mit der Kurbelwelle 16 verbunden, eine zweite Kupp­ lungsscheibe 15 ist drehfest an eine Getriebeantriebswelle 17 des Getriebes 2 gekoppelt. Das im befeuerten Antriebsbetrieb erzeugte Antriebsmoment wird über die Kurbelwelle 16 und die Getriebeantriebswelle 17 auf eine Getriebeabtriebswelle 18 übertragen.

Weiterhin ist eine Motorregelung und -steuerung 4 zur Regelung und Steuerung der Fahr- und Betriebszustände der Brennkraftma­ schine 1, des Abgasturboladers 3 und gegebenenfalls des Getrie­ bes 2 vorgesehen. Der Motorregelung und -steuerung 4 sind meh­ rere Verarbeitungseinheiten 5, 6, 7 zugeordnet, jeweils eine für die Regelung und Steuerung von Einspritzdüsen 19, für die Bremsventile 20, über die die Zylinder der Brennkraftmaschine zusätzlich zu den Auslaßventilen mit dem Abgasstrang 9 kommuni­ zieren, und für das Stellelement 12 des Abgasturboladers 3. In der Motorregelung und -steuerung 4 mit den Verarbeitungseinhei­ ten 5, 6, 7 werden in Abhängigkeit von Eingangssignalen, die Parameter oder Betriebszustände des Fahrzeugs repräsentieren, Steuersignale erzeugt, die über Signalleitungen 21 bis 24 zur Beaufschlagung der jeweiligen Fahrzeugkomponenten bzw. ihrer zugehörigen Stellelemente übertragen werden.

Als Bremsventile können von den Auslaßventilen getrennt ausge­ bildete Dekompressionsventile verwendet werden, über die die Zylinder mit dem Abgasstrang kommunizieren. Die Bremsventile können als Ventile mit konstantem Hub oder als im Hub variabel einstellbare Ventile ausgebildet sein. Es kann aber auch zweck­ mäßig sein, als Bremsventile die Auslaßventile selbst zu ver­ wenden, indem abweichend vom Öffnungszyklus des befeuerten Be­ triebs die Auslaßventile kontinuierlich während des Schaltvor­ gangs im Motorbremsbetrieb geöffnet werden.

Für einen schnellen Aufbau von Motorbremsleistung ist vorgese­ hen, die Bremsventile 20 in Öffnungsstellung und die variable Turbinengeometrie der Turbine 11 in Staustellung zu versetzen und zugleich in der Kompressionsphase vor dem oberen Totpunkt Kraftstoff über die Einspritzdüsen 19 einzuspritzen und zu zün­ den. Der Kolben muß Verdichtungsarbeit gegen das expandierende Gemisch im Brennraum leisten; außerdem wird der Abgasgegendruck erhöht und insbesondere die Turbinenleistung schnell angehoben.

In der Motorregelung und -steuerung 4 wird die Motordrehzahl überwacht und bei einem Absinken der Motordrehzahl unter eine Mindestdrehzahl die Bremsventile 20 in Richtung ihrer Schließ­ stellung versetzt. Bei Bremsventilen mit variabel einstellbarem Hub wird der Ventilhub soweit verringert, daß der Zylinderin­ nendruck oberhalb der für eine Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderlichen Grenze liegt, worauf­ hin die Drehzahl wieder über die kritische Drehzahlgrenze an­ steigt. Bremsventile, die als Konstant-Drosselventile ausgebil­ det sind, werden geschlossen. Die Überwachung bzw. Regelung der Drehzahl ist technisch leichter zu realisieren als die Überwa­ chung und Regelung des Zylinderinnendrucks. In die Regelung kann die Einstellung der Abblaseeinrichtung 25 mit einbezogen werden.

Um in Notfällen in kürzester Zeit eine maximale Bremsleistung zur Verfügung zu stellen, werden bei variabler Turbinengeome­ trie in Staustellung die Bremsventile maximal geöffnet und es wird eine maximal mögliche Kraftstoffmenge eingespritzt und verbrannt. Zugleich wird die Abblaseeinrichtung 25 geschlossen, um einen größtmöglichen Abgasgegendruck aufzubauen.

Claims (6)

1. Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, deren Abgasturbine (11) eine variable Turbinengeometrie auf­ weist, die zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbi­ nenquerschnitts zwischen einer Staustellung und einer Öffnungs­ stellung verstellt werden kann, wobei im Motorbremsbetrieb die Brennkraftmaschine (1) zumindest zeitweise befeuert wird, dadurch gekennzeichnet,

• - dass oberhalb eines Grenzwerts einer Motor-Zustandsgröße Bremsventile (20) am Zylinderausgang der Brennkraftmaschine (1) in Öffnungsstellung stehen,
• - dass bei einem Absinken der Motor-Zustandsgröße in den Be­ reich des Grenzwerts die Bremsventile (20) zur Reduzierung des aus den Zylindern abgeleiteten Abgasmassenstroms in Richtung ihrer Schließstellung versetzt werden.

2. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhub der Bremsventile (20) reduziert wird.

3. Motorbremsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsventile (20) vollständig geschlossen werden.

4. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Zustandsgröße die Motordrehzahl und der Grenz­ wert eine Motor-Mindestdrehzahl ist.

5. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abblaseeinrichtung (25) zur einstellbaren Ableitung des Abgases stromauf der Turbine (11) vorgesehen ist und die Abblaseeinrichtung (25) von Öffnungsstellung in Schließstellung versetzt wird.

6. Motorbremsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Notbremsung die variable Turbinengeometrie in Staustellung überführt wird, die Bremsventile (20) maximal geöffnet werden und eine maximal mögliche Kraftstoffmenge ein­ gespritzt und verbrannt wird.