DE60221672T2

DE60221672T2 - Turbocompound-brennkraftmaschinenanordnung

Info

Publication number: DE60221672T2
Application number: DE60221672T
Authority: DE
Inventors: Göran Olsson; Henrik Ask
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: WO2003016694A1; DE60221672D1; US20060191264A1; SE0102769L; ATE369488T1; BR0211988A; BR0211988B1; SE0102769D0; US7240491B2; EP1421270A1; EP1421270B1; JP2004538419A; SE523149C2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für eine Brennkraftmaschine in Turbocompound-Bauweise, wobei die Maschine ein Abgassystem zum Ableiten der Maschinenabgase, eine Ladeturbine, die einen Verdichter für die Verbrennungsluft der Maschine antreibt, und eine Abgasturbine aufweist, die in dem Abgassystem stromab von der Ladeturbine zur Gewinnung der Restenergie aus dem Abgas durch Übertragen auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist, und wobei das Abgassystem auch eine Abgasbremsdrosseleinrichtung aufweist, die stromab von der Abgasturbine angeordnet ist.
STAND DER TECHNIK
Bei einer Turbocompound-Maschine (TC-Maschine) wird die Leistung aus der Leistungsturbine der TC-Einheit über einen Getriebemechanismus auf die Kurbelwelle der Maschine übertragen. Diese Leistung wird dadurch erhalten, dass die Restenergie extrahiert wird, die in den Maschinenabgasen zurückbleibt, nachdem diese durch einen Turboverdichter zum Verdichten der Maschinenladeluft hindurchgegangen sind.
Zum Abbremsen der Maschine wird normalerweise eine Abgasbremse verwendet. Bei einer TC-Maschine besteht die Abgasbremse aus einer speziellen Anordnung, normalerweise einem Drosselventil, das den Abgasstrom drosseln kann, und wird stromab von der TC-Einheit angeordnet. Wenn das Ventil geschlossen ist und die Kraftstoffeinspritzung aufhört, wird Leistung anstatt von der Kurbelwelle über ein Getriebe zu der Leistungsturbine der TC-Einheit übertragen. Diese Leistung trägt dazu bei, die Bremswirkung zu erhöhen, da es ein Energieverlust ist, der für das Bremsen positiv ist. Dadurch entsteht jedoch ein Problem. Da ein Ventil stromab von der TC-Einheit geschlossen worden ist, nimmt die Dichte der Luft zu, in der die Leistungsturbine der TC-Einheit arbeitet. Dies unterstützt natürlich das Bremsen, führt jedoch auch zum Entstehen von erhöhten thermischen und mechanischen Spannungen. Diese Spannungen hängen von der Maschinendrehzahl ab und nehmen mit erhöhter Maschinendrehzahl zu. Um einen Bruch an der TC-Einheit oder anderen Bauteilen zu vermeiden, müssen diese für die erhöhten Spannungen dimensioniert werden. Dies kann zu einer Auslegung führen, die unnötig teuer ist, da sie komplizierter ausgeführt ist und teures wärmefestes Material verwendet werden muss.
Bei einer Abgasbremse nimmt die Bremswirkung für eine gegebene Maschinendrehzahl zu, wenn der Gegendruck nach der Turbine ansteigt. Um ein Bremsen zu erreichen, das so gut wie möglich ist, sollte der Gegendruck so hoch wie möglich sein. Für eine TC-Maschine ist dies besonders schwierig, da die vorstehend erwähnten Spannungen als Folge des zunehmenden Gegendrucks entstehen. Für einen gegebenen Gegendruck nehmen die Spannungen auch zu, wenn die Drehzahl zunimmt. Damit kein Bruch an den Bauelementen auftritt, müssen sie so gebaut sein, dass sie die Spannungen aushalten können, die bei der maximal zulässigen Maschinenbremsgeschwindigkeit entstehen. Alternativ kann ein niedrigerer Gegendruck gewählt werden. Für einen niedrigeren Gegendruck kann davon ausgegangen werden, dass er noch eine akzeptable Bremsleistung bei hohen Maschinendrehzahlen ergibt, bei niedrigen Maschinendrehzahlen die Bremswirkung jedoch gering wird. Die Situation ist die, dass zum Erzielen einer guten Bremswirkung bei niedrigen Maschinendrehzahlen ein hoher Gegendruck erforderlich ist, der seinerseits zu großen Kräften bei hohen Maschinendrehzahlen führt, oder alternativ niedrige Gegendrucke bei hoher Maschinendrehzahl zu verwenden und eine schlechte Bremswirkung bei niedrigen Maschinendrehzahlen zu erhalten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung zu erreichen, die eine schnelle und effektive Regulierung des Abgasgegendrucks während einer Maschinenbremsung ermöglicht.
Dieses Ziel wird durch eine Bremseinrichtung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Mit Hilfe der Lösung nach der Erfindung ist es möglich, die Bremswirkung für alle Maschinendrehzahlen zu optimieren, ohne gezwungen zu sein, teure bauliche Lösungen zu wählen. Bei niedrigen Maschinendrehzahlen wird ein hoher Gegendruck ge wählt, der eine akzeptable Bremswirkung und akzeptable Spannungen ergibt. Bei hohen Maschinendrehzahlen wird ein niedrigerer Gegendruck gewählt, der akzeptable Spannungen und eine akzeptable Bremswirkung ergibt. Mit dieser Lösung kann die Bremswirkung somit für die gewählte bauliche Lösung und das ausgewählte Material über dem ganzen Bereich von Maschinendrehzahlen optimiert werden. Dies bedeutet im Prinzip, dass es für jede Maschinendrehzahl einen einzigen Gegendruck gibt, der eine maximale Bremswirkung bietet, ohne zum Entstehen von nicht akzeptablen Spannungen zu führen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgasdruckregler mit Einrichtungen zum Anpassen des Abgasbremsdrucks an die Motordrehzahl versehen.
Gemäß einer Variante der Anordnung nach der Erfindung hat die Abgasbremsdrossel ein Abgasventil, das in dem Abgassystem stromab von der Abgasturbine angeordnet ist und eine Parallelumgehung mit dem Abgasdruckregler regelt.
Der Abgasdruckregler besteht zweckmäßigerweise aus einem Kolbenventil, das eine erste Kolbenfläche, auf die der Abgasdruck einwirkt, wenn die Abgasbremsdrossel geschlossen ist, und eine zweite gegenüberliegende Kolbenfläche umfasst, die permanent mit der ersten Kolbenfläche verbunden ist und auf die ein Steuerdruck einwirkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die Ausführungsformen näher beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt sind, in denen
1 ein Umrissschema ist, das eine erste Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung zeigt, und
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
Die in den Figuren gezeigte Anordnung soll bei einer im Wesentlichen konventionellen Brennkraftmaschine in Turbocompound-Bauweise (nicht gezeigt) verwendet werden, die vorzugsweise in die Antriebseinheit eines Schwerlastfahrzeuges oder eines Omnibusses eingebaut ist. Die Maschine ist vorteilhafterweise ein Dieselmotor in einer Bauweise mit Direkteinspritzung, bei der ein Lader 10 mit einer abgasbetriebenen Turbine 11 und einem auf der Turbinenwelle 12 angeordneten Verdichter 13 für die Verdichtung und Zuführung von Verbrennungsluft verwendet wird. Dem Verdichter 13 wird für die Verdichtung Einlassluft zugeführt, wonach die verdichtete Luft während ihres Durchgangs durch einen Ladeluftkühler gekühlt werden kann, bevor sie in den Einlassverteiler des Motors eintritt.
Die Motorabgase werden in herkömmlicher Weise in einem Abgassammler gesammelt und zu der Turbine 11 des Laders 10 für den Antrieb des Verdichters 13 geführt. Die Abgase werden dann über eine zweite Abgasturbine, die bei der gezeigten Ausführungsform aus einer Axialturbine 15 besteht, und eine Abgasbremsanordnung 16 zu einer Schalldämpfereinheit mit optionaler Abgasfilterausrüstung geführt.
Die Abgasturbine 15 wird in Turbocompound-Maschinen verwendet, um aus den Abgasen Restenergie nach ihrem Durchgang durch die Laderturbine zu extrahieren. Die Abgase treiben die Leistungsturbine mit sehr hohen Drehzahlen bis zu etwa 90.000 UpM bei einer normalen Maschinendrehzahl an, was für einen Dieselmotor für Schwerlastwagen eine Motordrehzahl von etwa 1.500 bis 2.500 UpM ist. Das erhaltene Drehmoment wird auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine u.a. über ein Getriebe 17, das die Drehzahl reduziert, und eine Fluidkupplung 18 übertragen, die das Getriebe 17 mechanisch von der Motorkurbelwelle trennt.
Die Abgasbremsanordnung 16 hat eine Drossel 19, die mit Hilfe einer Servo-Einrichtung 20 zwischen zwei Endstellungen bewegt werden kann, wobei sich die Drossel zwischen einer vollständig offenen und einer vollständig geschlossenen Position schnell ändert. Die Abgasbremsanordnung hat zusätzlich eine an der Drossel 19 vorbeigehende Umgehung 21, die mit Hilfe eines Abgasbremsreglers in Form eines Kolbenventils 22 gesteuert werden kann, das stromauf von der Drossel 19 angeordnet ist. Wenn das Abgasdrosselventil geschlossen ist, wirkt der Abgasdruck auf eine erste Kolbenfläche 23, auf die entgegen der Wirkung einer Schraubenfeder 24 gedrückt wird, so dass die Umgehung geöffnet wird. Eine zweite Kolbenfläche 25 ist permanent mit der Kolbenfläche 23 über eine Stange 26 verbunden und in einem Zylinder 27 so angebracht, dass sie bewegt werden kann.
Auf die Kolbenfläche 25 wirkt ein Regulierluftdruck über ein Verdichtungsdruckluftrohr 28, das mit einem Druckluftsystem in dem Fahrzeug verbunden ist, das zur Erzeugung von Leistung für Zusatzeinheiten in dem Fahrzeug verwendet wird, beispielsweise das Bremssystem und das System für den pneumatischen Betrieb des Fahrzeuggetriebes. Dieses Druckluftsystem hat u.a. einen Verdichter 29, einen Speicherbehälter 30 und ein Ventilgehäuse 31.
Da die zweite Kolbenfläche 25 des Kolbenventils 22 einen Durchmesser hat, der etwas kleiner als der der ersten Kolbenfläche 23 ist, ist das Kolbenventil in der Lage, während des Maschinenbremsens zu reagieren und die Umgehung 21 vorbei an der Abgasbremsdrossel 16 in dem Fall zu öffnen, wenn ein auf die erste Kolbenfläche wirkender Abgasdruck kleiner als der in dem Druckluftrohr 29 herrschende Druck ist und somit auf die zweite Kolbenfläche 25 wirkt. Beispielsweise kann die Kolbenfläche 23 einen Durchmesser von 90 mm haben, während die Kolbenfläche 25 einen Durchmesser von 84 mm hat, wodurch das Kolbenventil 22 auf einen Abgasdruck reagieren kann, der etwa 15% kleiner als der Systemdruck ist.
Die Ventileinheit 31 stellt einen Überdruck bereit, der von dem Standby-Überdruckpegel von 0,5 bar auf einen höheren Wert variieren kann, der in Beziehung zu der geforderten Maschinenbremswirkung reguliert werden kann. Für diesen Zweck ist die Ventileinheit mit einer Maschinensteuereinheit 32 verbunden (siehe 2), die so angeordnet ist, dass sie den Überdruck mit höherem Wert bezüglich der verschiedenen Parameter regelt, beispielsweise bezüglich Informationen über den Bremspedaldruck und das ABS-System, so dass die Bremsleistung bezogen auf den Betrieb der Maschine und auf den Straßenzustand optimiert wird.
Die Regelung erfolgt in folgender Weise: Auf die Kolbenfläche 25 in dem Abgasdruckregler 22 wirkt der Steuerdruck P_control. Dadurch entsteht eine Kraft, die auf die Kolbenfläche 23 über die Stange 26 übertragen wird. Diese Kraft versucht, die Gase zurückzuhalten, die durch das Ventil 23 hindurchgehen möchten, und man erhält einen Gegendruck P_m.
Im Gleichgewichtszustand gilt:
Der Steuerdruck P_control ist einstellbar und wird durch die Ventileinheit 31 eingestellt. Da der Gegendruck direkt proportional zum Steuerdruck ist, wird der Gegendruck geändert, wenn der Steuerdruck geändert wird.
2 zeigt eine Variante der Erfindung, in welcher der Abgasbremsregler in einer Weise ausgestaltet ist, die anders als die in 1 gezeigte ist. Dabei ist das Abgasrohr L-förmig, und das Kolbenventil 22 ist in dem Winkel zwischen den beiden Teilen des Rohrs eingesetzt. In diesem Fall braucht man keine Drossel 19 und keine Umgehung 21, da das Umschalten von Normalbetrieb auf Abgasbremsung dadurch erfolgt, dass das Kolbenventil 22 aus einer inneren inaktiven Position in eine äußere aktive Position bewegt wird. In dieser Position sperrt die Kolbenfläche 23 das Abgasrohr bei einem Druck, der durch das Ventilgehäuse 31 und die Maschinensteuereinheit 40 bestimmt wird, so dass Überschussdruck im Leckstrom an der Kolbenfläche 23 vorbeigehen kann. Die in 2 gezeigte Variante der Erfindung ist etwas billiger als die in 1 gezeigte Lösung auszuführen, ergibt jedoch unglücklicherweise einen höheren Druckverlust im Abgasrohr.
Ein Vorteil der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, dass die Bremswirkung der Maschinenbremse geregelt werden kann. Dies bedeutet, dass es möglich ist, unterschiedliche Bremswirkungen bei unterschiedlichen Maschinendrehzahlen zu erhalten. Dieser einstellbare Bremseffekt kann beispielsweise dazu verwendet werden, den Kraftverbrauch zu verringern und den Fahrkomfort zu erhöhen. Diese Nebeneffekte werden natürlich auch erreicht, wenn der Abgasgegendruck in einer üblichen Turbomaschine oder Ansaugmaschine geregelt wird.
Dies kann mit den modernen Steuereinheiten erreicht werden, die an gegenwärtigen Maschinen vorhanden sind, wobei mechanische Komponenten verfügbar sind, die ausreichend schnell sind, so dass der erforderliche Gegendruck erreicht werden kann. Bei dem Beispiel des Regelsystems, das in der Patentanmeldung gezeigt ist, erfolgt eine indirekte Einstellung des Gegendrucks dadurch, dass ein Speisedruck für die EPG variiert wird. Dieser Speisedruck führt zum Entstehen eines vorgegebenen Gegendrucks. Eine alternative Weise zur Steuerung des Gegendrucks besteht darin, in dem Sammlergehäuse eine Drucksensor anzubringen und den Druck zu messen und den Zuführdruck zu der Luftdrossel (der EPG) mit Hilfe der Steuereinheit so zu regeln, dass der erforderliche Gegendruck erhalten wird. Dieses Fahren ist jedoch komplizierter und aufwändiger als das indirekte Verfahren. Praktische Versuche haben gezeigt, dass es für eine normale Maschinengröße für Schwerlastfahrzeuge fast möglich ist, ein konstantes Bremsmoment über einen sehr großen Bereich von Motordrehzahlen bei Verwendung der Anordnung zu erreichen, die in der Patentanmeldung gezeigt ist.
Die Erfindung ist nicht als auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt anzusehen, es ist eine Anzahl von weiteren Varianten und Modifizierungen innerhalb des Umfangs der nachstehenden Patentansprüche möglich.

Claims

Anordnung für eine Brennkraftmaschine in Turbocompound-Bauweise, wobei die Maschine – ein Abgassystem zum Ableiten der Maschinenabgase, – eine Ladeturbine (11), die einen Verdichter (13) für die Verbrennungsluft der Maschine antreibt, und – eine Abgasturbine (15) aufweist, die in dem Abgassystem stromab von der Ladeturbine zur Gewinnung der Restenergie aus dem Abgas durch Übertragen auf die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist, – wobei das Abgassystem auch eine Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) aufweist, die stromab von der Abgasturbine (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) einen druckgesteuerten Abgasdruckregler (22) aufweist, der eine variable Regelung eines Abgasbremsdrucks in wenigstens einem Schritt zusätzlich zu den Schritten "aus" und "ein" ermöglicht, und – dass der Abgasdruckregler (22) mit Einrichtungen zum Anpassen des Abgasbremsdrucks an die Motordrehzahl versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) eine Abgasdrossel, die in dem Abgassystem stromab von der Abgasturbine angeordnet ist, und eine Parallelumgehung aufweist, die von dem Abgasdruckregler geregelt wird
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasdruckregler aus einem Kolbenventil (22) besteht, das eine erste Kolbenfläche (23), auf die der Abgasdruck einwirkt, wenn die Abgasbremsdrosseleinrichtung (16) geschlossen ist, und eine zweite gegenüberliegende Kolbenfläche (24) aufweist, die permanent mit der ersten Kolbenfläche verbunden ist und auf die ein Steuerdruck einwirkt.