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Dokumentenidentifikation DE60201448T2 02.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001223315
Titel Brennkraftmaschine mit Dekompressionsbremse und mit einem Abgasturbolader mit verstellbarer Turbinengeometrie
Anmelder Iveco S.p.A., Torino, IT
Erfinder Conicella, Fabrizio, 10132 Torino, IT
Vertreter Notarbartolo & Gervasi GmbH, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60201448
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.01.2002
EP-Aktenzeichen 020008694
EP-Offenlegungsdatum 17.07.2002
EP date of grant 06.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.02.2006
IPC-Hauptklasse F02B 37/24(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F02B 37/22(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F01L 13/06(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      F02D 9/06(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, welche mit einem Turbolader, der eine Turbine mit verstellbarer Geometrie aufweist, und mit einem Dekompressions-Bremssystem ausgestattet ist.

Aus dem Dokument DE-C-197 27 140 sind zum Beispiel Brennkraftmaschinen bekannt, welche mit einem Turbolader, der eine Turbine mit verstellbarer Geometrie aufweist, und mit einem Dekompressions-Bremssystem ausgestattet sind.

Dekompressions-Bremssysteme beruhen auf dem Prinzip der Abführung der innerhalb der Motorzylinder erzeugten Kompressionsenergie, um damit Bremsleistung zu erzeugen; dies kann zum Beispiel durch das Öffnen der Auslassventile der Motorzylinder zum Ende des Kompressionshubs erreicht werden. Die Wirksamkeit dieser Lösung wird durch die Aufladung erhöht, welche durch den Turbolader bewirkt wird, was eine Erhöhung der Kompressionsleistung und daher der Bremsleistung nach sich zieht.

Es ist jedoch bekannt, dass der Wirkungsgrad einer Turbine in dem Maße abnimmt, wie der Volumenstrom der Gase abfällt, was von der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle (der Kürze wegen wird diese im Nachfolgenden als "Motordrehzahl" bezeichnet) abhängig ist; deshalb ist, wenn die Motorbremsung bei niedriger Motordrehzahl vorgenommen wird, wie dies beispielsweise bei Fahrten bergab auftreten kann, die Bremswirkung, welche durch Dekompression erzielt werden kann, unbefriedigend, da die Höhe des Ansaugdruckes des Motors niedrig ist und die abgeführte Kompressionsarbeit folglich bescheiden ausfällt.

Im Hinblick auf die Erhöhung der Wirksamkeit der Motorbremsung bei niedrigen Drehzahlen wurde die Anwendung von Turboladern eingeführt, welche mit einer Turbine mit verstellbarer Geometrie (VGT) ausgestattet sind, d. h. welche einen Rotor und eine ringförmige Einlassdüse enthalten, in welcher ein mit Laufschaufeln versehener Stator untergebracht ist, welcher darauf ausgerichtet ist, den effektiven Strömungsquerschnitt der Düse zu steuern durch die Verstellung der Richtung der Laufschaufeln oder durch relatives axiales Gleiten zwischen einem die Strömung absperrenden Element, welches einen Teil des Stators bildet, und der Düse selbst.

Der effektive Strömungsquerschnitt wird als eine Funktion der Betriebsbedingungen des Motors eingestellt; insbesondere wird bei niedrigen Motordrehzahlen der Stator in einer Position minimalen effektiven Strömungsquerschnittes gehalten, was eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Gase, welche auf den Rotor auftreffen, bewirkt. Es ist die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrotors (der Kürze wegen im Nachfolgenden als "Turbinendrehzahl" bezeichnet), die eine Erhöhung des Aufladungsdruckes bewirkt.

Bei hohen Motordrehzahlen treten die Abgase mit hohen Volumenströmen durch die Turbine; im Hinblick darauf, die Turbinendrehzahl auf einem sicheren Niveau zu halten, d. h. auf einem solchen Niveau, dass der Turbolader nicht übermäßig belastet wird und die thermische Belastung des Motors und des Turboladers in Grenzen gehalten werden, ist es notwendig, den effektiven Strömungsquerschnitt der Düse allmählich zu vergrößern, so dass die Geschwindigkeit, mit der die genannten Gase auf den Rotor auftreffen, vermindert wird und folglich die Drehzahl der Turbine und der Ladedruck in Grenzen gehalten werden.

Gemäß dem Dokument DE-C-197 27 140 wird der effektive Strömungsquerschnitt der Turbine dadurch gesteuert, dass man zwischen vorher eingestellten Grenzwerten einen Größenwert beibehält, welcher für die Turbineneinstellung charakteristisch ist und als TBF = AT·DT/VH definiert ist, wobei AT den effektiven Einlassströmungsquerschnitt der Turbine, d. h. die gesteuerte Variable, darstellt, DT der Einlassdurchmesser des Turbinenrotors ist und VH der Hubraum des Motors ist. Insbesondere wird diese Größe unterhalb des Wertes von 0,005 gehalten und liegt vorzugsweise zwischen 0,001 und 0,003.

Die vorerwähnte Steuerungslogik weist den Nachteil auf, dass nur geometrische Faktoren des Motors (Hubraum) und der Turbine (Einlassdurchmesser), aber nicht die Betriebsbedingungen des Motors in Betracht gezogen werden.

Das Ergebnis davon besteht darin, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen und insbesondere in der Nähe der maximal zulässigen Motordrehzahl, die Steuerung, welche mit der oben beschriebenen Logik erreicht werden kann, zu unerwünschten Werten der Betriebsparameter des Motors und des Turboladers in Bezug auf die von der Bauweise her vorhandenen Beschränkungen führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Brennkraftmaschine, welche mit einem Turbolader, der eine Turbine mit verstellbarer Geometrie aufweist, und mit einem Dekompressions-Bremssystem ausgestattet ist, zu entwickeln, welche ermöglicht, die weiter oben erwähnten Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass es sich dabei um eine Brennkraftmaschine handelt, wie sie in Anspruch 1 definiert wird.

Unter dem Gesichtspunkt eines besseren Verständnisses der Erfindung wird weiter unten eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf den beigefügten Zeichnungssatz beschrieben. In diesem bedeuten:

1 veranschaulicht eine Funktionsübersicht einer Brennkraftmaschine, welche mit einem Turbolader, der eine Turbine mit verstellbarer Geometrie aufweist, und mit einem Dekompressions-Bremssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.

2 und 3 sind graphische Darstellungen, welche das Verhalten der Betriebsgrößen des Motors von 1 als Funktion der Motordrehzahl darstellen.

Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet generell die Bezugszahl 1 eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, welche mit einer Dekompressions-Bremsvorrichtung 2 und mit einem Turbolader 3 ausgestattet ist.

Der Motor 1 enthält mehrere Zylinder 4, wobei jeder von ihnen mit einem Einspritzventil 5, einem Paar von Einlassventilen 6 und einem Paar von Auslassventilen 7 verbunden ist. Die Einlassventile 6 und die Auslassventile 7 sind mit dem zugehörigen Einlasskrümmer 8 und dem jeweiligen Abgaskrümmer 9 verbunden.

Die Dekompressions-Bremsvorrichtung 2, welche von einer an sich bekannten Ausführung ist und deshalb nicht im Detail beschrieben wird, ist dergestalt ausgelegt, dass die Betätigung der Auslassventile 7 variiert oder das zyklische Öffnen eines Hilfsventils gesteuert wird, um so in den Zylindern 4 nach dem zugehörigen Kompressionshub eine Dekompression hervorzurufen. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist im Dokument EP-A-0543210 veranschaulicht.

Der Turbolader 3 umfasst eine Turbine mit verstellbarer Geometrie 10 und einen Kompressor 11 mit den jeweiligen Rotoren 12, 13, welche auf einer gemeinsamen Welle 14 befestigt sind.

Die Turbine 10 umfasst ferner einen ringförmigen Einlasskanal 15, welcher mit dem Abgaskrümmer 9 des Motors 1 verbunden ist, und eine Düse 17, um die Gase vom Kanal 15 zum Rotor 12 zu lenken. In der Düse 17 ist ein mit Laufschaufeln versehener ringförmiger Stator 16 mit verstellbarer Geometrie angeordnet, welcher insbesondere eine Anzahl von Laufschaufeln 18 und eine ringförmige Einfassung 19 enthält, welche an den Laufschaufeln befestigt ist und welche sich damit in axialer Richtung bewegen kann zwischen einer zurückgezogenen Position (in 1 mit einer gestrichelten Linie dargestellt), in welcher sich die ringförmige Einfassung in axialer Richtung von der Düse 17 entfernt befindet und der effektive Strömungsquerschnitt bei seinem Maximum liegt, und einer in 1 nach vorn gerichteten Position, in welcher ein beträchtlicher Anteil der Düse durch die ringförmige Einfassung 19 abgedeckt wird und der verbleibende Strömungsquerschnitt sein Minimum hat.

Die axiale Bewegung der ringförmigen Einfassung 19 wird durch einen elektrischen Stellantrieb 20 gesteuert, welcher mittels einer elektronischen Steuereinheit 24 des Motors 1 gesteuert wird, wobei diese Steuereinheit auch die Einspritzventile 5 und die Bremsvorrichtung 2 in einer an sich bekannten Weise steuert.

Als Reaktion auf ein Betätigungssignal, welches von einem mit dem Bremspedal 22 verbundenen Schalter 21 oder von einer weiteren manuellen Betätigungsvorrichtung 23 erhalten wird, betätigt die Steuereinheit 24 die Dekompressions-Bremsvorrichtung 2 und verhindert die Einspritzung von Kraftstoff in die Zylinder 4; folglich wird als Ergebnis der Dissipation der Kompressionsenergie eine Bremswirkung erreicht. Diese Bremswirkung wird durch die Turbine mit verstellbarer Geometrie 10 verstärkt, deren Einstellung durch die Steuereinheit 24 mittels des Stellantriebs 20 als eine Funktion der Motordrehzahl N gesteuert wird, welche mittels eines Sensors 25 ermittelt wird.

Insbesondere wird in einem Bereich der Motordrehzahlen N unterhalb eines Schwellwertes, wo N0 zum Beispiel gleich 70–75% der Nenndrehzahl Nn der maximalen Leistung des Motors 1 beträgt, die Turbine 10 durch die Steuereinrichtung 24 bei einer Einstellung des maximalen Schließens gehalten, in welcher sich die ringförmige Einfassung 19 in der oben erwähnten nach vorn gerichteten Position befindet und einen minimalen effektiven Strömungsquerschnitt S0 frei lässt. Auf diese Art und Weise wird ein Gegendruck geschaffen, welcher ein Ansteigen der Kompressionsenergie des Motors hervorruft. Weiterhin steigt die Geschwindigkeit der Abgase und folglich die Drehzahl des Rotors 12; dadurch wird auch der Aufladeeffekt verstärkt, was die Kompressionsenergie und somit die Bremsleistung weiter erhöht. Da die Motordrehzahl und die Bremsleistung ansteigen, müssen die zuvor erwähnten Effekte unter Kontrolle gehalten werden für den Zweck, die Drehzahl der Turbine 10 auf einem sicheren Niveau zu halten, d. h. auf einem solchen Niveau, dass der Turbolader nicht überlastet wird und die thermische Belastung des Motors 1 und des Turboladers 2 innerhalb vorher festgelegter Grenzen gehalten wird; insbesondere ist es notwendig, den effektiven Strömungsquerschnitt S allmählich zu vergrößern, so dass die Geschwindigkeit, mit welcher die Gase auf den Rotor 12 auftreffen, und folglich der Ladedruck herabgesetzt werden.

Ausgehend von einer Motordrehzahl, welche gleich N0 ist, steuert folglich die Steuereinrichtung 24 den Stellantrieb 20 dergestalt, dass sich die ringförmige Einfassung 19 zurück bewegt und einen allmählich ansteigenden effektiven Strömungsquerschnitt S frei lässt. Dieser Querschnitt ist durch den Ausdruck definiert: S = n*L*x,[1] in welchem n die Anzahl der Laufschaufeln des Stators (und folglich die der Abteile zwischen den Laufschaufeln), L die Länge (in Umfangsrichtung) eines jeden Abteils und x die freie axiale Abmessung der Abteile ist, d. h. die axiale Länge des Spaltes, welcher zwischen der ringförmigen Einfassung 19 und der in axialer Richtung begrenzenden Fläche 25 auf der der Düse 17 gegenüber liegenden Seite gebildet wird.

Die Bedingung maximaler Bremsleistung wird bei der maximalen Motordrehzahl Nmax erreicht, welche höher als die Nenndrehzahl Nn und beispielsweise gleich 120% von Nn ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Minimum des Sicherheitswertes ST des effektiven Strömungsquerschnittes S unter der genannten Bedingung maximaler Bremsleistung mit geometrischen und Betriebsparametern des Motors 1 und des Turboladers 3 durch die folgende Gleichung verknüpft:

Darin sind:

K ist eine dimensionslose Konstante, deren Wert gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen 0,0175 und 0,0230 liegt,

T0 ist die Umgebungstemperatur, gleich 293 K

T1 ist die Temperatur der Gase am Einlass der Turbine unter der Bedingung maximaler Bremsleistung, sie liegt normalerweise zwischen 630 K und 740 K je nach der Art des Motors und des Turboladers,

pi ist der Druck der Gase am Einlass der Turbine unter der genannten Bedingung maximaler Bremsleistung,

PMEmax ist der maximale Auslegungswert des mittleren effektiven Drucks des Motors,

NT ist der maximal zulässige Wert für die Drehzahl der Turbine,

DT ist der Einlassdurchmesser des Rotors 12 der Turbine 10, und

V ist der Hubraum des Motors.

In der genannten Gleichung [2] muss die Temperatur in Grad Kelvin angegeben werden. Da es sich um eine dimensionslose Gleichung handelt, können die anderen Größen in beliebigen Maßeinheiten angegeben werden, vorausgesetzt dass sie untereinander kongruent sind wie zum Beispiel die Längen in mm, die Flächen in mm2, die Volumina in mm3 (bzw. in cm, cm2 und cm3 oder m, m2 und m3).

Vorzugsweise liegt der Wert der Konstanten K zwischen 0,020 und 0,022, und noch stärker vorzuziehen ist ein Wert, welcher ungefähr gleich 0,021 ist.

Durch rechnerische Verfahren wurde ermittelt und experimentell bestätigt, dass sich der genannte Wert K bei einer Veränderung der konstruktiven und betrieblichen Kenngrößen des Motors 1 und des Turboladers 3 nicht grundlegend ändert, d. h. er bleibt für unterschiedliche Motoren und unterschiedliche Grenzwerte der Parameter bestehen. Daher ist der genannte Wert mit den baulichen und konstruktiven Parametern des Motors verknüpft und ermöglicht, wenn erst einmal die baulichen Parameter bekannt sind und die konstruktiven Grenzdaten festgelegt worden sind, den Minimalwert ST des effektiven Strömungsquerschnittes der Düse 17 unter den Bedingungen maximaler Bremsleistung, welche mit den genannten Grenzdaten kompatibel sein können, zu berechnen.

Die Steuerung des Querschnittes S erfolgt, wie weiter oben beschrieben worden ist, durch Veränderung der axialen Position der ringförmigen Einfassung 19 und somit der axialen Abmessung x des Spaltes zwischen der ringförmigen Einfassung 19 und der in axialer Richtung begrenzenden Fläche 25 auf der der Düse 17 gegenüber liegenden Seite. Insbesondere wird der Stellantrieb 20 durch die Einheit 24 gesteuert, so dass x bis zur Drehzahl N0 auf dem Minimalwert

gehalten wird und auf diese Weise x bis zum Wert
bei der Drehzahl Nmax gemäß einem in einem Bearbeitungs- und Steuerblock 24a der Einheit 24 gespeicherten Gesetz erhöht wird. Dieses Gesetz ist zweckmäßigerweise vom linearen Typ.

Die Vorteile, welche durch die vorliegende Erfindung erzielt werden können, werden aus einer Betrachtung der qualitativen graphischen Darstellungen in den 2 und 3 offensichtlich, welche das Verhalten der Turbinendrehzahl NT und des mittleren effektiven Drucks PME mit der Veränderung der Motordrehzahl N gemäß der vorliegenden Erfindung (durchgezogene Linien) und gemäß der in der Einführung zur Beschreibung aufgezeigten Steuerungstechnik (gestrichelte Linien) veranschaulichen. Es ist leicht aus den graphischen Darstellungen zu ersehen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl NT als auch der mittlere effektive Druck PME innerhalb der jeweiligen vorher eingestellten Maximalwerte gehalten werden, welche in die Gleichung [2] Eingang gefunden haben, soweit der effektive Strömungsquerschnitt ST der Turbine unter der Bedingung maximaler Bremsleistung unter Berücksichtigung der vorerwähnten Werte bestimmt wird. Im Gegensatz dazu können gemäß dem Stand der Technik, wo dieser Querschnitt ausschließlich auf der Grundlage von geometrischen Parametern des Motors und des Turboladers berechnet wird, unerwünschte Werte für die Betriebsparameter wie beispielsweise für NT und für PME erhalten werden.

Da die Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die geometrischen als auch die Betriebsparameter in Betracht zieht, kann darüber hinaus die Gleichung [2] auf unterschiedliche Arten von Motoren angewendet werden, und bei gleichen geometrischen Kenndaten des Motors kann sie ermöglichen, dass die Steuerung der Geometrie der Turbine an unterschiedliche Grenzwerte der Betriebsparameter angepasst wird.

Schließlich ist es offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung Gegenstand von Modifikationen und Veränderungen sein kann, ohne dass vom Rahmen des Schutzes der Ansprüche abgewichen wird.

Insbesondere kann die Veränderung des effektiven Strömungsquerschnittes dadurch erreicht werden, dass man mit Hilfe des Stellantriebs 24 die Neigung der Laufschaufeln der Turbine 10 verstellt, so dass die effektive Breite der Abteile zwischen ihnen und dem Auftreffwinkel der Gase auf den Rotor verändert wird, und nicht mit Hilfe einer axialen Verschiebung des Stators.

Weiterhin kann unter der Voraussetzung der Bedingungen maximaler Bremsleistung die Änderung des Strömungsquerschnittes vom Minimalwert S0 bis zum Wert ST gemäß einem nicht linearen Gesetz erfolgen wie beispielsweise durch das Mapping als Funktion der Motordrehzahl und optional von einem oder mehreren weiteren Betriebsparametern.


Anspruch[de]
  1. Brennkraftmaschine (1), welche umfasst:

    – eine Dekompressions-Bremsvorrichtung (2),

    – einen Turbolader (3), welcher mit einer Turbine (10) mit verstellbarer Geometrie ausgestattet ist und diese Turbine einen Rotor (12) und eine ringförmige Düse (17) aufweist, um die Abgase in Richtung auf den genannten Rotor (12) zu leiten, in welchem ein mit Laufschaufeln versehener Stator (16) angeordnet ist, welcher einen verstellbaren effektiven Strömungsquerschnitt (S) der genannten Düse (17) festlegt,

    – einen Stellantrieb (20) für die Steuerung der Einstellung des genannten Stators (16), und

    – eine Steuereinheit (24) für die Steuerung des genannten Stellantriebs (20) als Reaktion auf ein Betätigungssignal für die Dekompressionsbremsung und als Funktion zumindest der Drehzahl (N) des genannten Motors (1), so dass allmählich der genannte effektive Querschnitt (S) von einem Minimalwert (S0), welcher im unteren Teil des Bereichs der Drehzahländerung des Motors (1) beibehalten wird, bis zu mindestens einem minimalen Sicherheitswert (ST) unter den Bedingungen einer maximalen Bremsleistung,

    dadurch gekennzeichnet, dass unter Bezugnahme auf die genannte Bedingung der maximalen Bremsleistung der genannte minimale Sicherheitswert (ST) nach der Gleichung
    berechnet wird. Darin sind:

    T0 die Umgebungstemperatur,

    Ti die Temperatur der Gase am Einlass der Turbine (10) unter der genannten Bedingung der maximalen Bremsleistung,

    pi der Druck der Gase am Einlass der Turbine (10) unter der genannten Bedingung der maximalen Bremsleistung,

    PMEmax der maximale Entwurfswert des mittleren effektiven Druckes des Motors (1),

    NTmax der maximal zulässige Wert der Drehzahl der Turbine (10),

    Nmax die maximale Drehzahl des Motors (1),

    DT der Durchmesser des Einlasses des Rotors (12) der Turbine (10),

    V der Hubraum des Motors (1), und

    K eine dimensionslose Konstante zwischen 0,0175 und 0,0230.
  2. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Konstante K zwischen 0,020 und 0,022 liegt.
  3. Motor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Konstante K annähernd gleich 0,021 ist.
  4. Motor gemäß irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte untere Teil des Bereiches der Drehzahländerung nach oben hin durch einen Schwellwert (N0) zwischen 65 und 80% der Nenndrehzahl (NN) der maximalen Leistung des genannten Motors (1) begrenzt wird.
  5. Motor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Schwellwert (N0) zwischen 70 und 75% der genannten Nenndrehzahl (NN) des Motors (1) liegt.
  6. Motor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung der maximalen Bremsleistung bei einer maximalen Drehzahl (Nmax) des Motors (1) zwischen 110 und 130% der genannten Nenndrehzahl (NN) des Motors (1) erreicht wird.
  7. Motor gemäß irgendeinem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Steuereinheit (24) Betriebs- und Steuermittel (24a) für das lineare Verstellen des genannten effektiven Strömungsquerschnitts (S) vom genannten Minimalwert (S0) bis zum genannten Grenzwert, während die Drehzahl (N) des Motors (1) ansteigt, umfasst.
  8. Motor gemäß irgend einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Stator (17) eine ringförmige Einfassung (19) und eine Anzahl von Laufschaufeln (18) umfasst, welche sich axial von der genannten Einfassung (19) weg erstrecken, wobei die genannte Einfassung unter dem Druck des genannten Stellantriebs (20) axial in die genannte Düse hinein (17) bewegbar ist, so dass der genannte effektive Strömungsquerschnitt (S) der genannten Düse (17) verändert wird.
  9. Motor gemäß irgend einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Stator (16) eine Anzahl von Laufschaufeln (18) enthält, welche eine veränderbare Neigung besitzen, die durch den genannten Stellantrieb (20) gesteuert wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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