DE60319901T2

DE60319901T2 - Abgasbremsensteuerung

Info

Publication number: DE60319901T2
Application number: DE60319901T
Authority: DE
Inventors: Ken Huddersfield Ball; Pierre Huddersfield French
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: CN1438410A; KR20030068479A; CN100557216C; US20060118081A1; EP1336740A2; GB0203490D0; DE60319901D1; EP1336740B1; US7004142B2; JP2003247433A; JP4309147B2; EP1336740A3; US20030188532A1; US7461629B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Steuerung der Betätigung einer Fahrzeugabgasbremse. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf die Steuerung einer Abgasbremse, die auf einen turbogeladenen Motor angewandt wird.
Motoren mit Verdichtungszündung (Dieselmotoren), die dazu dienen, Großfahrzeuge wie z. B. Lastkraftwagen anzutreiben, sind häufig mit Abgasbremssystemen ausgestattet. Es sind viele Typen eines Abgasbremssystems bekannt, wie z. B. US-6230682 , die alle im Allgemeinen ein Ventil in der Auslassleitung vom Motor umfassen, das bei Aktivierung mindestens den Motorauslass im Wesentlichen blockiert. Dadurch wird ein Gegendruck erzeugt, der die Drehung des Motors verlangsamt, wodurch eine Bremskraft bereitgestellt wird, die über den Fahrzeugantriebsstrang auf die Fahrzeugräder übertragen wird. Bei einigen Abgasbremssystemen lässt sich die Bremse so einstellen, dass sie automatisch aktiviert wird, wenn die Motordrosselklappe geschlossen wird (d. h. der Fahrer seinen Fuß vom Gaspedal wegnimmt). Bei anderen Systemen kann die Abgasbremse eine manuelle Aktivierung durch den Fahrer erfordern, wie z. B. das Niederdrücken eines Bremspedals.
Es ist jetzt für große Dieselmotoren Standard, dass sie mit einem Turbolader ausgestattet sind. Ein Turbolader umfasst im Wesentlichen ein abgasangetriebenes Turbinenrad, das ein Verdichterrad in Drehung versetzt. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind in den jeweiligen Gehäusen an entgegengesetzten Enden einer drehbaren Welle angebracht, die durch eine Bohrung in einem Lagergehäuse hindurchgeht, das zwischen dem Verdichter- und dem Turbinengehäuse angeordnet ist. Das Lagergehäuse nimmt die Radial- und Axiallager und die zugeordneten Schmiersysteme und Dichtungen auf.
Die Welle ist normalerweise in Bezug auf die Bohrung des Lagergehäuses am Turbinenradende mittels eines Wellendichtringes (oder Kolbenringes) abgedichtet, der in einer Ringnut sitzt, die in der Welle hinter dem Turbinenrad bereitgestellt wird. Die Wellendichtung verhindert einerseits, dass Öl vom Lagerschmiersystem in das Turbinengehäuse austritt, was Blaurauch und Öltropfen vom Abgasrohr verursachen kann, sowie andererseits, dass das Lagergehäuse durch Abgase verschmutzt wird, was eine Überhitzung verursachen und die Lagerlebensdauer negativ beeinflussen kann.
Bei dieser konventionellen Wellendichtungsanordnung, bei der der turbogeladene Motor ein Motorbremsventil aufweist, das stromabwärts von der Turbine angeordnet ist, können sich Probleme ergeben. Während die Motorbremse aktiviert wird, steigt der Gegendruck in der Auslassleitung, und somit im Turbinenradgehäuse, schnell an und kann 4–5 bar erreichen. Da sich der Druck hinter dem Turbinenrad somit erhöht, kann der Wellendichtring an die Innenseite gedrückt werden. Diese Bewegung, zusammen mit der hohen Drehzahl der Welle, kann eine übermäßige Erwärmung durch Reibung erzeugen, was bewirken kann, dass es zur Überhitzung und zur funktionellen Beeinträchtigung des Wellendichtringes kommt. Dies kann wiederum bewirken, dass der Ring bezüglich der Bewegung in der Bohrung anfälliger ist und es zu einem schnellen Versagen der Dichtung kommt. Dieses Problem ist während der Einfahrzeit des Motors bzw. Turboladers besonders ausgeprägt, bevor es zur „Einbettung" des Dichtringes gekommen ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das obige Problem zu beseitigen bzw. abzuschwächen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerungssystem für eine Abgasbremse bereitgestellt, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor zu behindern, nachdem die Motordrosselklappe geschlossen wurde, wobei das Steuerungssystem Mittel zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers umfasst und betreibbar ist, um die Abgasbremse nur zu betätigen, nachdem die Fahrzeugdrosselklappe geschlossen wurde und die Drehzahl des Turboladers unterhalb eines Schwellwertes liegt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerungssystem für ein Abgasbremssystem bereitgestellt, das betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor zu behindern, nachdem die Motordrosselklappe geschlossen wurde, wobei das Steuerungssystem betreibbar ist, um die Betätigung der Abgasbremse im Anschluss an das Schließen der Motordrosselklappe eine Zeitdauer lang zu verzögern.
Durch das einfache Hilfsmittel, die Abgasbremse im Anschluss an die Aktivierung des Abgasbremssystems verzögert zu betätigen, gestattet es die vorliegende Erfindung, die Turbolader-Wellendrehzahl beträchtlich abzusenken, bevor der Gegendruck im Turbinengehäuse auf Werte ansteigt, die ausreichend sind, um Kräfte auszuüben, die die Turbinenenden-Dichtungsanordnung, wie z. B. den Dichtring, auf den oben Berg genommen wurde, verschieben können. Dadurch wird der Verschleiß an den Dichtungsbauteilen stark verringert.
Die Erfindung lasst sich auf Abgasbremssysteme anwenden, bei denen die Abgasbremse automatisch aktiviert wird, beispielsweise durch das Freigeben der Motordrosselklappe, oder bei denen die manuelle Aktivierung beispielsweise durch das Niederdrücken eines Pedals erforderlich ist. Im letzteren Fall gibt es schon ein gewisses Maß an Verzögerung zwischen dem Schließen der Drosselklappe und der Aktivierung der Bremse, aber das erfindungsgemäße System arbeitet so, dass sichergestellt wird, dass die Verzögerung ausreicht, um die Turbinendrehzahl im ausreichenden Maße absenken zu können, um den Verschleiß an der Dichtung, wie oben erwähnt, zu verhindern. Die Erfindung arbeitet so, dass eine Verzögerung zwischen einem Signal oder einer Aktion der Abgasbremsaktivierung (wie z. B. dem Schließen der Drosselklappe oder dem Niederdrücken eines Bremspedals) und der tatsächlichen Betätigung der Abgasbremse (durch Schließen des Abgasbremsventils) eingebracht wird. Mit anderen Worten: Das Wesentliche ist die Einbringung einer Verzögerung zwischen der Aktivierung des Bremssystems und dem Schließen des Abgasbremsventils.
Die Verzögerungszeit lässt sich vorher festlegen oder kann eine Funktion der Drehzahl des Turboladers unmittelbar vor dem Schließen der Drosselklappe sein, oder lässt sich anhand der Überwachung im Anschluss an die Betätigung der Abgasbremse ableiten.
Beispielsweise stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Steuerungssystem für eine Abgasbremse bereit, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor zu behindern, nachdem die Motordrossellappe geschlossen wurde, wobei das Steuerungssystem Mittel zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers umfasst und betreibbar ist, um die Abgasbremse nur zu aktivieren, nachdem die Fahrzeugdrosselklappe geschlossen wurde und die Drehzahl des Turboladers unterhalb eines Schwellwertes liegt.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Steuern der Aktivierung einer Motorabgasbremse bereit, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor auf das Schließen der Motordrosselklappe hin zu behindern, wobei das Verfahren das Einbringen einer Verzögerung zwischen dem Schließen der Drosselklappe und der Betätigung der Motorabgasbremse umfasst.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren beispielsweise das Überwachen der Turboladerdrehzahl oder eines Motorparameters, der für die Turboladermotordrehzahl bezeichnend ist, und das Aktivieren der Abgasbremse, und zwar nur nachdem die Drosselklappe geschlossen und die Turboladerdrehzahl unter einen Schwellwert abgefallen ist.
Es versteht sich, dass nachdem die Drosselklappe „geschlossen" wurde, die Kraftstoffzufuhr nicht notwendigerweise vollständig gestoppt wird, sondern die Kraftstoffzufuhr auf ein Leerlaufniveau abgesenkt werden kann. Die Angaben in Bezug auf das Schließen der Drosselklappe sind überall in dieser Patentbeschreibung dementsprechend auszulegen. Beispielsweise umfasst die Aktion des Schließens der Drosselklappe in Bezug auf ein Fahrzeug im Allgemeinen das Freigeben des Gaspedals durch den Fahrer des Fahrzeugs.
Sonstige Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung offensichtlich.
Es werden jetzt spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nur beispielhaften Charakter haben, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Schnittdarstellung eines Teils einer Turbinenrad-Lagergehäuse-Baugruppe ist;
2 ein Kurvendiagramm ist, das die Geschwindigkeit des Druckanstiegs in der Turbine in Beziehung zum Abfall der Turbinenraddrehzahl veranschaulicht, und zwar in dem Maße, wie die Motordrosselklappe geschlossen wird.
1 ist ein schematischer Längsschnitt durch einen Teil eines Turboladers, der ein Turbinenrad 1 zeigt, das an eine Turboladerwelle 2 montiert ist, die sich durch ein Lagergehäuse 3 erstreckt, die an Radiallagern 4 abgestützt wird. Das Turbinenende der Welle 2 ist in Berg auf das Lagergehäuse 3 mittels eines Wellendichtringes 5 abgedichtet, der in einer Ringnut 6 sitzt, die in der Welle 2 definiert ist. Bei diesem Beispiel weist die Bohrung 7 im Lagergehäuse einen Absatz für die Verringerung des Durchmessers auf um eine ringförmige Schulter 8 zu definieren. Diese Baugruppe ist vollständig konventionell ausgeführt. Es versteht sich, dass ein Großteil der Details bezüglich der Turboladerbauform für die vorliegende Erfindung unerheblich ist und somit nicht dargestellt wird.
Bei einem konventionellen Abgasbrems-Steuerungssystem wird die Abgasbremse, unmittelbar nachdem die Motordrosselklappe geschlossen wurde, automatisch betätigt. Dies hat einen schnellen Anstieg des Druckes im Turbinengehäuse hinter dem Turbinenrad zur Folge, wodurch der Dichtring 5 tendenziell an die Innenseite gedrückt wird. Die Axialbewegung des Dichtringes 5 im ringförmigen Schlitz 6 kann, in Kombination mit der hohen Drehzahl des Turbinenrades und der Welle, eine übermäßige Erwärmung durch Reibung erzeugen und einen schnellen Verschleiß der Dichtung bis zum Frühausfall bewirken. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Effekt durch das einfache Hilfsmittel des Einbringen einer Zeitverzögerung zwischen dem Schließen der Drosselklappe und der Betätigung der Abgasbremse stark verringert.
2 zeigt, wie die Turbinenrad-Wellen-Drehzahl abfällt, nachdem die Drosselklappe zum Zeitpunkt = 0 geschlossen wurde. Bei einem konventionellen automatischen Abgasbrems-Steuerungssystem wird die Abgasbremse sofort betätigt, so dass der Druck im Turbinengehäuse schnell ansteigt, wie dies durch die Linie P₁ veranschaulicht wird. Der Effekt des Verzögerns der Betätigung der Abgasbremse in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung (entweder durch Einbringen einer vorgegebenen Zeitverzögerung oder Abwarten bis der Turbolader unter eine bestimmte Drehzahl abgefallen ist) wird durch die Drucklinie P₂ veranschaulicht. Eine relativ kurze Zeitverzögerung T_D (normalerweise in der Größenordnung von 0,1 bis 2 Sekunden) ist ausreichend, damit die Turbinendrehzahl beträchtlich abfallen kann, bevor die Druckwerte, die zur Ausübung einer beträchtlichen Axialkraft auf den Dichtring benötigt werden, erreicht werden. Es kommt somit zu einer entsprechenden Verringerung der reibungsbedingten Erwärmung des Dichtringes, während er sich verschiebt, was daher den Dichtringverschleiß stark verringert.
Die Erfindung ist nicht auf Abgasbremssysteme beschränkt, bei denen die Abgasbremse automatisch aktiviert wird, nachdem die Drosselklappe geschlossen wurde. Zum Beispiel wird bei einem System, das die manuelle Aktivierung der Abgasbremse erfordert, indem beispielsweise ein Bremspedal niedergedrückt wird, die Verzögerung im Anschluss an diese manuelle Aktivierung eingebracht, um eine ausreichende Verzögerung für den erforderlichen Abfall der Turboladerdrehzahl sicherzustellen.
Der Fachmann kann die vorliegende Erfindung auf vielerlei Weise realisieren. Zum Beispiel könnte bei modernen mikroprozessorgesteuerten Motormanagementsystemen die erforderliche Zeitverzögerung zwischen dem Schließen der Drosselklappe und der Betätigung der Motorbremse einfach in das Motormanagementsystem programmiert werden. Die Verzögerung lässt sich als feste Zeitdauer im Anschluss an das Schließen der Drosselklappe programmieren oder kann in einem Bezug zur Motor- und/oder Turboladerdrehzahl unmittelbar vor dem Schließen der Drosselklappe stehen. Beispielsweise könnte im Motormanagementsystem eine „Verweistabelle" integriert sein, die die Beziehung der Motordrehzahl oder Turboladerdrehzahl zur erforderlichen Abgasbrems-Zeitverzögerung enthält.
Alternativ dazu könnte die Drehzahl des Turboladers direkt von einem geeigneten Sensor überwacht werden, der dem Abgasbrems-Steuerungssystem ein Signal liefert und die Abgasbremse nur betätigt, nachdem die Drosselklappe geschlossen wurde und die überwachte Turboladerdrehzahl auf einen vorgegebenen Wert abgefallen ist. Ebenso könnte das Abgasbrems-Steuerungssystem einen anderen Parameter des Motors, wie z. B. den Abgaskrümmerdruck, überwachen, der für die Turboladerdrehzahl bezeichnend ist. Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Betätigung der Abgasbremse anhand der Ermittlung der Turboladerdrehzahl direkt gesteuert wird, ist es möglich, dass es bei einigen Situationen keine Zeitverzögerung zwischen dem Schließen der Fahrzeugdrosselklappe und der Betätigung der Abgasbremse gibt, wenn die Turboladerdrehzahl, nachdem die Drosselklappe geschlossen wurde, schon unter dem Schwellwert liegt.
Obwohl es zweckmäßig sein kann, das Abgasbrems-Steuerungssystem in ein sonst wie konventionelles Motormanagementsystem zu integrieren, versteht es sich, dass ein separates Steuerungssystem bereitgestellt werden könnte, das auf das Schließen der Drosselklappe in einer der oben vorgeschlagenen alternativen Weise reagiert.
Die exakte Dauer der Verzögerung lässt sich für die Anpassung an eine bestimmte Turboladerinstallation variieren, wird aber im Allgemeinen ein Kompromiss zwischen dem Wunsch sein, den Verschleiß am Dichtring zu begrenzen, ohne jedoch die Abgasbremsleistung wesentlich zu verschlechtern.
Der Effekt des Abgasbrems-Gegendruckes auf den Wellendichtring-Verschleiß ist besonders während der Einfahrzeit eines Motors bzw. Turboladers ausgeprägt. Folglich lassen sich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so konstruieren, dass für eine begrenzte Dauer von der Lebensdauer des Abgasturboladers eine Verzögerung hinsichtlich der Aktivierung der Motorbremse eingebracht wird. Beispielsweise könnte die Verzögerung der Abgasbremse so programmiert werden, dass sie nur für eine vorgegebene Zahl von zurückgelegten Kilometern betreibbar ist (mit der Möglichkeit des Nullsetzens dieses Kilometerstandes, für den Fall, dass ein Turbolader-Dichtring oder der gesamte Turbolader während der Lebensdauer des Motors bzw. des Fahrzeugs ausgetauscht wird).
Zusammenfassend ist der Kern der vorliegenden Erfindung die Idee des Einbringen einer Verzögerung zwischen der Betätigung der Abgasbremse, und zwar im Anschluss an das Schließen der Drosselklappe, und der Aktivierung des Abgasbremssystems (die automatisch erfolgen oder eine manuelle Aktivierung erfordern kann) und der Fachmann wird in der Lage sein, die Erfindung in einer Vielzahl von verschiedenen Arten und Weisen, die an unterschiedliche Anwendungen angepasst sind, zu realisieren.

Claims

Steuerungssystem für eine Abgasbremse, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor zu behindern, nachdem die Motordrosselklappe geschlossen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem Mittel zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers umfasst und betreibbar ist, um die Abgasbremse nur zu betätigen, nachdem die Fahrzeugdrosselklappe geschlossen wurde und die Drehzahl des Turboladers unterhalb eines Schwellwertes liegt.
Steuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Motorbremse im Anschluss an das Schließen der Drosselklappe automatisch betätigt wird, sobald die Turboladerdrehzahl auf den Schwellwert abgefallen ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Mittel zum Ermitteln der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers Mittel umfasst, um die Drehzahl des Turboladers direkt oder anhand eines Motorparameters, der für die Turboladerdrehzahl bezeichnend ist, zu überwachen.
Steuerungssystem für ein Abgasbremssystem, das betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor zu behindern, nachdem die Motordrossellappe geschlossen wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem betreibbar ist, um die Betätigung der Abgasbremse im Anschluss an das Schließen der Motordrosselklappe eine Zeitdauer lang zu verzögern.
Steuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Zeitdauer vorgegeben ist.
Steuerungssystem nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei die Zeitdauer eine Funktion der Drehzahl des Turboladers unmittelbar vor dem Schließen der Drosselklappe ist und das Steuerungssystem Mittel umfasst, um die Drehzahl des Turboladers, entweder direkt oder anhand eines Motorparameters, der für die Turboladerdrehzahl bezeichnend ist, zu überwachen.
Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei Mittel bereitgestellt werden, um die Drehzahl des Turboladers entweder direkt oder durch Überwachen eines Motorparameters, der für die Turboladerdrehzahl bezeichnend ist, kontinuierlich zu überwachen und die Abgasbremse nur betätigt wird, nachdem die Drosselklappe geschlossen wurde und die überwachte Turboladerdrehzahl unter einen vorgegebenen Wert abgefallen ist.
Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Steuerungssystem betreibbar ist, um die Verzögerung für eine begrenzte Dauer von der Lebensdauer des Turboladers einzubringen.
Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Motorbremse automatisch im Anschluss an das Schließen der Drosselklappe und nach Ablauf der Zeitdauer betätigt wird.
Motor mit innerer Verbrennung, der mit einem Turbolader und einer Abgasbremse ausgestattet ist, die betrieben wird, um den Abgasstrom an einem, stromabwärts vom Turbolader befindlichen Ort auf das Schließen der Motordrosselklappe hin zu behindern, und ein Motorbremssteuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zum Steuern der Aktivierung einer Abgasbremse, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor auf das Schließen der Motordrosselklappe hin zu behindern, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Überwachen der Turboladerdrehzahl oder eines Motorparameters, der für die Turboladermotordrehzahl bezeichnend ist, und Aktivieren der Abgasbremse, und zwar nur nachdem die Drosselklappe geschlossen und die Turboladerdrehzahl unter einen Schwellwert abgefallen ist.
Verfahren zum Steuern der Aktivierung einer Motorabgasbremse, die betrieben wird, um den Abgasstrom von einem turbogeladenen Verbrennungsmotor auf das Schließen der Motordrosselklappe hin zu behindern, wobei das Verfahren das Einbringen einer Verzögerung zwischen dem Schließen der Drosselklappe und der Betätigung der Motorabgasbremse umfasst.