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Die
Erfindung betrifft ein Motorbremsverfahren für eine aufgeladene Brennkraftmaschine
und eine Vorrichtung hierzu nach dem Oberbegriff des Anspruches
1 bzw. 15.
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Aus
der
DE 195 43 190
A1 ist ein Motorbremssystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine
bekannt, die mit einer Abgasturbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter
variabel einstellbaren Turbinengeometrie versehen ist. Das Leitgitter
umfaßt
Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so eingestellt werden
können,
daß der
wirksame Turbinenquerschnitt der Turbine verändert wird. Hierdurch können je
nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Abgasgegendrücke im Abschnitt
zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader realisiert werden,
wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters
je nach Bedarf eingestellt werden können.
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Um
im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswirkung zu
erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in
der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Leitungsabschnitt
zwischen den Zylindern und der Abgasturbine baut sich ein hoher
Abgasgegendruck auf, der zur Folge hat, 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 Verdichter übertragen,
woraufhin die dem Motor zugeführte
Verbrennungsluft vom Verdichter unter erhöhten Ladedruck gesetzt wird.
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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 Bremsventile
in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben
im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den
hohen Überdruck
im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht
wird.
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Ein
weiteres Motorbremssystem für
aufgeladene Brennkraftmaschinen mit variabler Turbinengeometrie
ist aus der
DE 196
37 999 A1 bekannt. Die Einstellung des Motorbremssystems
erfolgt mit Hilfe eines Regelsystems in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter
der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl, des
Ladedrucks, des Abgasgegendrucks, der Bremsleistungsanforderung
etc. Über
das Regelsystem kann beispielsweise eine Tempomatfunktion zur Beibehaltung einer
vorgegebenen Zielgeschwindigkeit auf Gefällstrecken realisiert werden,
wobei die erforderliche Bremsleistung bevorzugt über die Motorbremse erzeugt
wird. Wird die Zielgeschwindigkeit trotz des Erreichens des Bremsleistungsmaximums
der Motorbremse überschritten,
so wird zusätzliche
Bremsleistung über
die mechanische Radbremse bereitgestellt.
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Im
Motorbremsbetrieb muß darauf
geachtet werden, daß die
bauteilspezifische Turbinen-Drehzahlgrenze nicht überschritten
wird. Insbesondere auf Gefällstrecken
muß verhindert
werden, daß im Motorbremsbetrieb
eine die Belastungsgrenzen des Turboladers übersteigende Motorbremsleistung
erzeugt wird. Aus der Druckschrift
DE 197 17 094 C1 ist es bereits bekannt,
einen Bypass zur Turbine mit einem Abblaseventil vorzusehen, das
zur Vermeidung eines unzulässig
hohen Abgasgegendrucks in Öffnungsstellung
versetzt wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung das Problem zugrunde,
einerseits ein Motor-Bremsleistungsmaximum bereitzustellen und andererseits Überlastungen
im Motorbremsbetrieb zu vermeiden.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 15 gelöst.
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Gemäß der Neuerung
wird ein dimensionsloser Turbinenfaktor eingeführt, der aus dem Verhältnis der
spezifischen Turbinenleistung, die im Motorbremsbetrieb erzeugt
wird, zur spezifischen, aktuell erreichten Motorbremsleistung ermittelt
wird. Der Turbinenfaktor muß unterhalb
eines Grenzwerts liegen, was bei der Regelung der Motorbremsleistung als
einzuhaltende Randbedingung zu berücksichtigen ist. Der Turbinenfaktor
wird als Maß für die erzeugte
Turbinenleistung herangezogen, wobei mit der Erfüllung der Randbedingung sichergestellt
ist, daß die
Turbinendrehzahl die zulässige
Turbinen-Drehzahlgrenze nicht überschreitet,
so daß die Bauteil-Belastungsgrenzen
eingehalten werden können.
Zugleich kann die variabel einstellbare Turbinengeometrie in die
Staustellung zur Erzeugung eines Motor-Bremsleistungsmaximums überführt werden.
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Über die
Vorgabe und Einhaltung eines Grenzwerts für den Turbinenfaktor wird sichergestellt,
daß die
Drehzahlgrenze des Laders nicht überschritten
wird, auch wenn die Brennkraftmaschine und der Turbolader im Motorbremsbetrieb
im Bereich des Bremsleistungsmaximums gefahren werden. Die Regelung
des Turbinenfaktors erfolgt zweckmäßig über die Einstellung der spezifischen
Turbinenleistung ohne unmittelbare Beeinflussung der Motorbremsleistung,
wobei der Turbinenwirkungsgrad und/oder das Turbinen-Druckgefälle als
die Turbinenleistung bestimmende Größen manipuliert werden können.
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Die
Turbinenleistung wird bevorzugt über eine
Entlastungseinrichtung eingestellt, welche der Turbine zugeordnet
ist, so daß die
Turbine, insbesondere die variable Turbinengeometrie, unbeeinflußt bleiben
kann, solange eine ausschließliche
Einstellung über
die Entlastungseinrichtung zur Einhaltung des Turbinenfaktor-Grenzwerts
möglich
ist. Wenn der Turbinenfaktor allein durch Manipulation der Entlastungseinrichtung
nicht mehr innerhalb des zulässigen
Grenzwertes gehalten werden kann, kann eine zusätzliche Einstellung über die
variable Turbinengeometrie vorgenommen werden.
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Der
zulässige
Turbinenfaktor-Grenzwert wird vorteilhaft in Abhängigkeit des Quadrats der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit
bzw. Drehzahl der Turbine ermittelt, die als bauteilspezifischer
Parameter vom Werkstoff, von der Dimensionierung etc. abhängt. Dadurch
ist sichergestellt, daß die
Drehzahlgrenze nicht überschritten
werden kann.
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Die
spezifische Turbinenleistung, welche maßgeblich über die Regelung beeinflußt wird,
bestimmt sich aus dem Turbinenwirkungsgrad und einem isentropen
Turbinengefälle
(Enthalpiedifferenz über
die Turbine bei konstanter Entropie), das vom Turbinen-Druckgefälle abhängt, wobei
Wirkungsgrad und Turbinengefälle
jeweils linear in die Berechnung der spezifischen Turbinenleistung
einfließen.
Je nach technischer Ausführung
der Entlastungseinrichtung wird bevorzugt nur eine der Einflußgrößen oder
werden beide Einflußgrößen manipuliert.
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Für den Fall,
daß der
Turbinenwirkungsgrad herabgesetzt werden soll, wird zweckmäßig zumindest
ein Teil des Abgasmassenstromes vor dem Turbineneintritt abgezweigt
und vorteilhaft durch eine als Bypass zur Turbine ausgebildete Entlastungseinrichtung
geleitet. Dadurch wird der die Turbine durchströmende Massenstrom herabgesetzt,
der Anteil an Abgasenergie zur Umwandlung in Turbinenleistung wird geringer.
Außerdem
sinkt der Abgasgegendruck, das Druckgefälle nimmt ab und das durch
das Druckgefälle
bestimmte isentrope Turbinengefälle
wird reduziert.
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Soll
der Turbinenwirkungsgrad erhöht
werden, kann der über
den Bypass abgeleitete Abgasmassenstrom wieder reduziert und dementsprechend
der durch die Turbine strömende
Anteil erhöht werden.
Es steht mehr Abgasenergie zur Umwandlung in Turbinenleistung zur
Verfügung
und das Druckgefälle
steigt ebenfalls an.
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Für den Fall,
daß das
isentrope Turbinengefälle
unmittelbar beeinflußt
werden soll, wird die Entlastungseinrichtung vorzugsweise als Drosseleinrichtung,
insbesondere als Drosselklappe, ausgebildet, die stromauf oder zweckmäßig stromab
der Turbine im Abgasstrang angeordnet ist. Durch Einstellung der
Drosselklappe kann ein gewünschtes
Druckverhältnis
und ein entsprechendes isentropes Turbinengefälle erreicht werden.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit
variabler Turbinengeometrie,
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2 ein
Diagramm mit diversen Motorbremsleistungs-Kennlinien in Abhängigkeit des Querschnitts einer
der Turbine nachgeschalteten Drosselklappe,
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3 ein
Diagramm mit Druck-Kennlinien für
den Ladedruck und den Abgasgegendruck in Abhängigkeit des Querschnitts der
Drosselklappe.
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Gemäß 1 weist
die Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise
eine Diesel-Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, einen Abgasturbolader 2 auf,
der aus einem im Ansaugtrakt 3 der Brennkraftmaschine angeordneten
Verdichter 4 zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks am Zylindereinlaß und einer
Turbine 5 im Abgasstrang 6 besteht. Die Turbine 5 ist
mit einer variablen, verstellbaren Turbinengeometrie ausgestattet,
die mit Hilfe eines Stellglieds 9 zwischen einer Öffnungsstellung
mit maximalem wirksamem Turbinenquerschnitt und einer Staustellung
mit minimalem wirksamem Turbinenquerschnitt verstellbar ist. Die
variable Turbinengeometrie kann durch Drehschaufeln, durch ein axial verschiebliches
Leitgitter oder durch sonstige Varioturbinentypen realisiert sein,
beispielsweise durch Klappenturbinen mit einer zum Turbinenrad weisenden
Flut, die über
eine Klappe abgesperrt werden kann.
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In
der befeuerten Antriebsbetriebsweise ist die variable Turbinengeometrie
in der Regel in ihre Öffnungsstellung
mit einem im Vergleich zum Motorbremsbetrieb deutlich größeren Strömungsquerschnitt
versetzt, um einen größtmöglichen
Massendurchsatz durch die Turbine zu ermöglichen und eine hohe Laderleistung
zu erzeugen. Die Turbine 5 wird von den unter dem Abgasgegendruck
p3 stehenden Abgasen im Abgasstrang 6 zwischen
dem Zylinderauslaß der
Brennkraftmaschine und dem Turbineneinlaß angetrieben und treibt ihrerseits über eine Welle
den Verdichter 4 an, der die angesaugte Frischluft auf
einen erhöhten
Ladedruck p2 verdichtet. Die verdichtete
Luft wird zunächst über einen
Ladeluftkühler 8 geleitet
und anschließend
dem Zylindereinlaß der
Brennkraftmaschine 1 zugeführt, hierdurch wird eine Steigerung
der Motorantriebsleistung erzielt.
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Zur
Erzeugung von Motorbremsleistung wird das Leitgitter der Turbine 5 in
die Staustellung mit reduziertem Querschnitt überführt. Daraufhin baut sich ein
erhöhter
Abgasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit durch
Kanäle zwischen
den Leitschaufeln des Leitgitters und trifft auf das den Verdichter 4 antreibende
Turbinenrad, wodurch auch im Ansaugtrakt ein Überdruck entsteht. Zugleich
werden Bremsventile 7 am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine 1 geöffnet, so
daß die
im Zylinder verdichtete Luft gegen den hohen Abgasgegendruck in
den Abgasstrang 6 ausgeschoben wird.
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Die
Bremsleistung kann durch die Position des Leitgitters und der daraus
resultierenden Einstellung des Turbinenquerschnitts beeinflußt werden. Üblicherweise
wird die maximale Bremsleistung bei Staustellung erreicht, in der
die variable Turbinengeometrie einen minimalen Turbinenquerschnitt
aufweist.
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Stromab
der Turbine 5 ist im Abgasstrang 6 eine Drosselklappe 10 zur
Einstellung des freien Strömungsquerschnitts
im Abgasstrang 6 angeordnet. Die Drosselklappe 10 wird über ein
Stellglied 11 zwischen einer den Strömungsquerschnitt verriegelnden
Sperrstellung und einer den Strömungsquerschnitt
nicht beeinträchtigenden
Offenstellung verstellt. Zwischen der Turbine 5 und der
Drosselklappe 10 herrscht im Abgasstrang 6 der
Druck p4, stromab der Drosselklappe 10 liegt
der Druck p5 an.
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Zusätzlich oder
alternativ zur Drosselklappe 10 kann ein die Turbine 5 überbrückender
Bypass 13 mit einem einstellbaren Abblaseventil 14 vorgesehen sein. Über den
Bypass 13 kann zur Senkung das Abgasgegendrucks p3 Abgas stromauf der Turbine 5 aus
dem Abgasstrang 6 ausgeleitet und stromab der Turbine 11 in
den Abgasstrang 6 wieder eingeleitet werden. Die Menge
abzuleitenden Abgases wird über
das Abblaseventil 14 eingestellt.
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Weiterhin
ist der Brennkraftmaschine ein Regelsystem 12 zur Erzeugung
von Stellsignalen zugeordnet, über
die eine koordinierte Einstellung der Bremsventile 7 und
der Stellglieder 9 und 11 der variablen Turbinengeometrie
bzw. der Drosselklappe 10 in Abhängigkeit von Zustands- und
Betriebsgrößen und
Parameter des Fahrzeugs und der Brennkraftmaschine erfolgt. Falls
ein Bypass 13 zur Turbine vorgesehen ist, kann auch das
Abblaseventil 14 im Bypass über das Regelsystem 12 eingestellt
werden. Mittels des Regelsystems 12 werden insbesondere
im Motorbremsbetrieb die Brennkraftmaschine 1 bzw. die
der Brennkraftmaschine zugeordneten Komponenten in der Weise geregelt
eingestellt, daß maximale
Motorbremsleistung erreicht wird.
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Um
im Motorbremsbetrieb Überlastungen
zu verhindern, die insbesondere durch eine Überschreitung der zulässigen Turbinen-Drehzahlgrenze entstehen
können,
erfolgt die Einstellung der variablen Turbinengeometrie und/oder
der Drosselklappe 10 und/oder des Abblaseventils 14 in
der Weise, daß ein Turbinenfaktor
Tu, welcher als die Turbine beschreibende Kenngröße eingeführt wird, einen Grenzwert Tumax nicht überschreitet. Der Turbinenfaktor
Tu wird als dimensionslose Größe gemäß der Beziehung Tu = ΔhTu/ΔhMBr ermittelt; hierin bezeichnet ΔhTu die spezifische Turbinenleistung und ΔhMBr die spezifische Motorbremsleistung. Die
spezifische Turbinenleistung ΔhTu stellt einen Turbinen-Kennwert dar, der
mit zunehmender Turbinendrehzahl ansteigt. Die spezifische Motorbremsleistung ΔhMBr hängt
unter anderem von der aktuellen Stellung der variablen Turbinengeometrie
ab. Der Turbinenfaktor-Grenzwert Tumax berücksichtigt eine
maximal zulässige
Bauteilbelastung des Turboladers. Der Grenzwert Tumax wird
insbesondere in Abhängigkeit
der maximal zulässigen
Umfangsgeschwindigkeit Umax des Verdichterrades
gemäß der Beziehung Tumax = (f·Umax)2/ΔhMBr ermittelt, wobei „f" einen konstanten Faktor bezeichnet,
der in der Regel in der Größenordnung
von 0,8 bis 0,9 liegt. Über
die maximale Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterrades bzw. des
Turbinenrades wird die zulässige
Turbinen-Drehzahlgrenze berücksichtigt.
Der dimensionslose Turbinenfaktor-Grenzwert Tumax liegt
an der Drehzahlgrenze zweckmäßig in einem
Bereich zwischen 0,15 und 0,4.
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Die
Regelung des Motors und der zugeordneten Komponenten zur Erzielung
eines Bremsleistungsmaximums im Bereich der Drehzahlgrenze der Turbine
erfolgt in der Weise, daß der
Turbinenfaktor Tu höchstens
den Wert des Turbinenfaktor-Grenzwerts Tumax einnimmt.
Solange die Bedingung Tu ≤ Tumax erfüllt ist,
ist sichergestellt, daß die
Turbinen-Drehzahlgrenze
nicht überschritten
wird.
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Um
ein Bremsleistungsmaximum zu erreichen, wird die variable Turbinengeometrie
in Staustellung überführt. Die
Einhaltung der Turbinen-Drehzahlgrenze wird bevorzugt durch Einstellung
der Drosselklappe 10 stromab der Turbine 5 erreicht,
zugleich wird die Position der variablen Turbinengeometrie konstant
gehalten. Gegebenenfalls wird die Turbinen-Drehzahlgrenze auch durch
Einstellung des Abblaseventils 14 im Bypass 13 unter
Beibehaltung der Staustellung der variablen Turbinengeometrie eingehalten.
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Die
spezifische Turbinenleistung ΔhTu hängt gemäß der Beziehung ΔhTu = ηTg·ΔhTu,s vom Turbinenwirkungsgrad ηTg an der Drehzahlgrenze und vom isentropen
Turbinengefälle ΔhTu,s ab. Der Turbinenwirkungsgrad ηTg wird aus dem gemäß aktuellen Turbinenwirkungsgrad ηT, dem die Turbine überbrückenden Abblasestrom mAbbl und dem durch den Abgasstrang bzw. die
Turbine geleiteten Massenstrom mMot nach
dem Zusammenhang ηTg = ηT·(mMot – mAbbl)/mMot ermittelt.
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Das
isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s hängt von
der spezifischen Wärmekapazität cp3 des die Turbine durchströmenden Massenstromes,
der Temperatur T3 am Turbineneintritt, dem
Abgasgegendruck p3, dem Druck p4 am
Turbinenaustritt und dem Isentropenexponenten κ gemäß der Beziehung ΔhTu,s = cp3·T3·[1 – 1/(p3/p4)(κ-1/κ)]ab.
Der Turbinenfaktor Tu kann durch Manipulation der spezifischen Turbinenleistung ΔhTu auf den Grenzwert Tumax begrenzt
werden, wobei eine Einstellung sowohl über den Turbinenwirkungsgrad ηTg als auch über das isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s erfolgen kann. Der Turbinenwirkungsgrad ηTg wird insbesondere bei Einsatz eines Bypasses 13 mit
Abblaseventil 14 durch Erhöhung des die Turbine überbrückenden
Abblasestromes mAbbl dadurch reduziert, daß das Abblaseventil 14 geöffnet wird.
Das isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s wird insbesondere durch Einstellung
der Drosselklappe 10 manipuliert, indem durch Öffnung und
Schließung
der Drosselklappe 10 das Turbinen-Druckgefälle p3/p4 des Druckes
vor und nach der Turbine 5 eingestellt wird. Hierbei nimmt das
isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s mit sich öffnender Drosselklappe 10 zu
und mit sich schließender Drosselklappe 10 ab.
Bei vollständig
geöffneter
Drosselklappe sind der Druck p4 stromauf
der Drosselklappe und der Druck p5 stromab
der Drosselklappe nahezu identisch; in diesem Fall wird das isentrope Turbinengefälle ΔhTu,s durch das Druckgefälle p3/p5 bestimmt.
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Falls
die Drehzahlgrenze durch eine ausschließliche Einstellung der Drosselklappe 10 und/oder
durch ausschließliche
Einstellung des Abblaseventils 14 nicht mehr eingehalten
werden kann, wird zusätzlich
auch die variable Turbinengeometrie in Richtung ihrer Öffnungsstellung
verstellt, wodurch der Abgasgegendruck p3 und
folglich auch das Druckgefälle
p3/p4 über die
Turbine 5 reduziert wird.
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Es
kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, als
variable Turbinengeometrie ein verstellbares Leitgitter mit zusätzlichen
Sperrkörpern
einzusetzen, deren Position unabhängig vom Leitgitter eingestellt werden
kann. Die Sperrkörper
können
als Entlastungseinrichtung verwendet werden, indem durch Positionsverstellung
der Sperrkörper
das Druckgefälle
und die spezifische Turbinenleistung ΔhTu verändert wird.
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Dem
Diagramm nach 2 können Motorbremsleistungs-Kennlinien 15 für verschiedene
Turbinenquerschnitte in Abhängigkeit
des Querschnitts QD der der Turbine nachgeschalteten
Drosselklappe entnommen werden. In Richtung des Pfeils 16 nimmt der
Turbinenquerschnitt zu; die oberste Kennlinie repräsentiert
die Staustellung, die unterste Kennlinie die Öffnungsstellung der variablen
Turbinengeometrie. Die Kennlinien befinden sich bei einem minimalen Klappenquerschnitt
QD,min auf einem lokalen Bremsleistungsmaximum,
von dem ausgehend zunächst ein
Abfallen auf ein Bremsleistungsminimum bei einer Klappenstellung
QD,0 und anschließend ein Anstieg erfolgt. Der
minimale Klappenquerschnitt QD,min und die
hierbei erzeugte Motorbremsleistung werden im Falle eines Schadens
der variablen Turbinengeometrie eingehal ten.
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Das
schraffierte Gebiet 17 markiert einen unzulässigen Bereich
oberhalb der Turbinen-Drehzahlgrenze, der zulässige Bereich wird über eine
Grenzlinie 18 von dem unzulässigen, schraffierten Bereich getrennt.
Der Schnittpunkt zwischen der die Drehzahlgrenze repräsentierenden
Grenzlinie 18 und oberster, die Staustellung markierender
Motorbremsleistungs-Kennlinie 15 stellt denjenigen Betriebspunkt
des Laders dar, in welchem die maximale Motorbremsleistung PB,Nenn des Motors erreicht ist; dieser Betriebspunkt
wird bei einer Klappenstellung QD,max erreicht.
Um die maximale Motorbremsleistung zu erzielen, wird die Brennkraftmaschine
im Bereich der obersten Kennlinie 15 mit der variablen
Turbinengeometrie in Staustellung gefahren, wobei die Steigerung
der aktuellen Motorbremsleistung PB ausschließlich durch Öffnung der
Drosselklappe erzielt wird, deren Regelbereich zwischen der Klappenstellung
QD,0 und der der Drehzahlgrenze zugeordneten Klappenstellung
QD,max liegt. Falls die Drehzahlgrenze 18 erreicht
wird, ist eine weitere Regelung ausschließlich über die Klappenstellung der
Drosselklappe nicht mehr zu realisieren, vielmehr muß in diesem Fall
zusätzlich
die variable Turbinengeometrie in Richtung Öffnungsstellung verstellt werden,
damit die Drehzahlgrenze eingehalten werden kann. In diesem Fall
erfolgt die Regelung entlang der Grenzlinie 18 in 2 in
Pfeilrichtung 16 zugunsten kleinerer Turbinenquerschnitte.
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3 zeigt
den Ladedruck p2 und den Abgasgegendruck
p3 in Abhängigkeit des Querschnitts QD der Drosselklappe, jeweils dargestellt
für die
variable Turbinengeometrie in Staustellung. Mit zunehmendem Querschnitt
QD steigt der Anteil der Turbine an der
erzeugten Bremsleistung, mit abnehmendem Querschnitt QD nimmt
dagegen der Anteil der Drosselklappe an der erzeugten Bremsleistung
zu.