СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ТОРМОЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ, УСТРОЙСТВО ТОРМОЖЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
CONTROL METHOD OF ENGINE BRAKING DEVICE, ENGINE BRAKING DEVICE AND VEHICLE

Настоящее изобретение относится к способу управления устройством торможения двигателем для двигателя внутреннего сгорания автомобилей, в частности транспортных средств промышленного назначения, в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения, к устройству торможения двигателем, в соответствии с ограничительной частью п. 8 формулы изобретения, и к транспортному средству по п. 13 формулы изобретения.
В частности, в случае двигателей внутреннего сгорания со сжатием воздуха (дизельные двигатели) в грузовых автомобилях, имеется известная практика создания противодавления выхлопного газа в выхлопной системе посредством тормозного щитка в режиме превышения оборотов, причем упомянутое противодавление дает эффективное торможение двигателем, поскольку поршни двигателя внутреннего сгорания работают против этого давления выхлопного газа во время такта выхлопа (открытые выпускные клапаны).
С целью существенного увеличения эффективности такого устройства торможения двигателем, имеется практика, известная из патента DE10 2008 061 412 A1, например, дополнительного предоставления декомпрессионного тормоза, где, в дополнение к регулярному срабатыванию клапана в соответствии с четырехтактным принципом, выпускные клапаны также частично открываются во время такта сжатия. Здесь, дополнительное тормозящее действие возникает от дросселированного выпуска воздуха сгорания в выхлопную систему.
В случае управляемого выхлопом декомпрессионного тормоза, синхронизация выпускных клапанов сконфигурирована таким образом, что выпускные клапаны открываются нерегулярно, специально заданным образом, вследствие того, что присутствует противодавление выхлопного газа, когда тормозной щиток закрыт ("проскакивание клапана"), и поддерживаются открытыми механизмом до следующего регулярного открытия клапана. В этом случае, использование декомпрессионного тормоза зависит от входного противодавления выхлопного газа, или вызывается, входным противодавлением выхлопного газа.
Задача изобретения заключается в предложении способа, и устройства торможения двигателем, посредством которого переменная мощность торможения двигателем может быть подвергнута выборочному и точному управлению с разомкнутым и/или замкнутым контуром в случае двигателя внутреннего сгорания с выхлопным турбонаддувом.
Эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы. Преимущественные положения изобретения составляют предмет зависимых пунктов формулы.
В соответствии с п. 1 формулы, предлагается способ управления устройством торможения двигателем для двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, в частности в транспортных средства промышленного назначения, причем устройство торможения двигателем имеет систему впуска, выхлопную систему, клапаны газового обмена, связанные с двигателем внутреннего сгорания (предпочтительно, клапаны газового обмена управляются в соответствии с четырехтактным принципом), выхлопной турбонаддув, осуществляемый посредством, по меньшей мере, одного выхлопного турбокомпрессора, встроенного в выхлопную систему и в систему впуска, и узел торможения двигателем, причем узел торможения двигателем имеет декомпрессионный тормоз, который воздействует, по меньшей мере, на один выпускной клапан из клапанов газового обмена и, в частности, управляется газом и/или зависит от противодавления выхлопного газа, и тормозной щиток, который размещен в выхлопной системе и приводит к накоплению выхлопного газа. В соответствии с изобретением, предлагается, чтобы, в режиме торможения двигателем, требуемый тормозящий момент управлялся в соответствии с давлением наддува выхлопного турбокомпрессора и в соответствии с противодавлением выхлопного газа выше по потоку относительно тормозного щитка, который предпочтительно размещается выше по потоку относительно выхлопной турбины выхлопного турбокомпрессора. Было установлено, что противодавления выхлопного газа, как доступного параметра управления для селективной активизации декомпрессионного тормоза на основе вариации состояний давления благодаря давлению наддува в двигателе внутреннего сгорания с наддувом, не достаточно для гарантии селективного инициирования или управления декомпрессионным тормозом или, соответственно, требуемой мощностью, расходуемой на торможение в режиме торможения двигателем. Только соединение противодавления выхлопного газа с мгновенно преобладающим давлением наддува обеспечивает надежный параметр управления для точного управления декомпрессионным тормозом.
В преимущественном конкретном развитии изобретения, предлагается, чтобы, по меньшей мере, давление (PL) наддува и дифференциальное давление (PD) использовалось в качестве параметров управления, причем дифференциальное давление (PD) формируется из противодавления (PA) выхлопного газа и давления (PL) наддува как PA-PL=PD. Поскольку механизм управляемого давлением газа декомпрессионного тормоза не непосредственно зависит от противодавления выхлопного газа, но от разности давления между противодавлением (PA) выхлопного газа и давлением (PL) наддува, то оказывается преимущественным, посредством управления в соответствии с изобретением, гарантировать точное управление декомпрессионным тормозом по всему рабочему диапазону узла торможения двигателем, включая в себя различающиеся запросы мощности, расходуемой на торможение.
В преимущественной конфигурации параметров управления, тормозящий момент управляется только управляемым тормозным щитком в первой фазе, с начинающимся декомпрессионным торможением в переходной фазе, и с максимальной возможной мощностью, расходуемой на торможение посредством декомпрессионного тормоза и тормозного щитка в конечной фазе.
Кроме того, также оказывается возможным, с давлением наддува, повышающимся в режиме торможения двигателем, увеличить противодавление PA выхлопного газа посредством заданного увеличения закрытия тормозного щитка, который предпочтительно размещается выше по ходу выхлопной турбины выхлопного турбокомпрессора, для введения заданного дифференциального давления. Устанавливаемое значение давления наддува может, кроме того, быть вычислено посредством трехмерной характеристики, которая составляется с использованием числа оборотов двигателя внутреннего сгорания и необходимого тормозящего момента двигателя.
Кроме того, оказывается возможным, для получения преимуществ относительно разработки управления, определить устанавливаемое значение дифференциального давления посредством главной трехмерной характеристики, которая составляется с использованием числа оборотов двигателя внутреннего сгорания и фактического давления наддува, и, кроме того, посредством понижения трехмерной характеристики, которая составлена с использованием числа оборотов двигателя внутреннего сгорания и запроса торможения двигателем. Зависимость главной трехмерной характеристики от фактического давления наддува преимущественна, поскольку повышение дифференциального давления также может требоваться с повышением давления наддува, чтобы вызвать управляемое давлением газа открытие клапана. Понижение трехмерной характеристики, с другой стороны, имеет задачу снижения дифференциального давления, даже в случае частичных запросов тормозящего момента.
Более определенно, значение фактического дифференциального давления дополнительно предпочтительно устанавливается в соответствии с заданным значением дифференциального давления и положением тормозного щитка двигателя.
Наконец, может быть преимущественным, если фактическое значение давления наддува устанавливается во время торможения двигателем посредством задания определенного значения давления наддува и посредством элемента управления на выхлопной турбине, причем упомянутое фактическое значение, в свою очередь, воздействует на требуемую мощность двигателя, расходуемую на торможение, или использование декомпрессионного тормоза специальным образом, вместе со значением PD дифференциального давления. По существу известно, что элемент управления на выхлопном турбокомпрессоре может быть обходным клапаном (перепускным клапаном) и/или направляющим поток элементом выхлопного турбокомпрессора, в частности, направляющим поток элементом выхлопной турбины с переменной газотурбинной геометрией. Управление дроссельным клапаном, предоставляемым в системе впуска двигателя внутреннего сгорания, также может быть преимущественным.
В устройстве торможения двигателем в соответствии с изобретением предполагается, что тормозной щиток в выхлопной системе и давление наддува в системе впуска двигателя внутреннего сгорания управляются в режиме торможения двигателем посредством контроллера давления наддува, что зависит от требуемой мощности, расходуемой на торможение, и посредством контроллера дифференциального давления, который формирует дифференциальное давление из противодавления выхлопного газа и давления наддува. Тем самым, получаются преимущества, уже описанные выше в связи с процедурой в соответствии с изобретением.
Также, для устройства торможения двигателем в соответствии с изобретением, тормозной щиток опять-таки предпочтительно размещается выше по ходу выхлопной турбины выхлопного турбокомпрессора, наиболее предпочтительно - непосредственно выше по ходу и как смежный с выхлопной турбиной и, таким образом, формирует направляющую поток откидную створку, которая (положительно) воздействует на доступ газа на выхлопную турбину. Тем самым, оказывается возможным сильно увеличить давление наддува со стороны впуска в режиме торможения двигателем, фактически без дополнительного усложнения конструкции и, таким образом, увеличить массовый поток, требуемый в двигателе внутреннего сгорания для достижения мощности, расходуемой на торможение. Таким образом, тормозной щиток выполняет несколько функций одновременно: он гарантирует, предпочтительно при управлении с замкнутым контуром, достаточное противодавление выхлопного газа, и дополнительно гарантирует преимущественный приток на турбину с уменьшенным расходом выхлопного газа и более низкое теплосодержание выхлопного газа, подобно действию откидной створки управления на выхлопных турбинах с переменной газотурбинной геометрией. В частности, в отличие от тормозного щитка, размещенного снизу по ходу выхлопной турбины, тормозной щиток, размещенный выше по ходу выхлопной турбины (предпочтительно непосредственно выше по ходу и как смежный с выхлопной турбиной), в данном случае дает больший градиент давления поперек выхлопной турбины, в результате чего, вследствие большего массового потока и объемного потока, который оказывается тогда возможным через выхлопную турбину, давление наддува и противодавление выхлопного газа могут быть значительно увеличены и, таким образом, также и мощность двигателя, расходуемая на торможение, может быть значительно увеличена функционально надежным способом без тепловой перегрузки двигателя внутреннего сгорания. С использованием градиента давления поперек тормозного щитка, размещенного сверху по ходу, меньшая нагрузка выхлопной турбины достигается здесь для того же самого противодавления выхлопного газа и, следовательно это приводит к желательному увеличению мощности, расходуемой на торможение, с увеличением противодавления выхлопного газа, без большей нагрузки выхлопной турбины.
Как особенно предпочтительная опция, в данном случае предусмотрено размещение тормозного щитка выше по ходу и снаружи, предпочтительно непосредственно выше по ходу и снаружи газотурбинного корпуса для выхлопной турбины выхлопного турбокомпрессора (и поэтому выше по ходу всасывающего трубопровода корпуса турбины). Посредством расположения, по меньшей мере, одного тормозного щитка выше по ходу и, следовательно, вне газотурбинного корпуса или всасывающего трубопровода выхлопной турбины, упомянутая откидная створка не формирует компоненту выхлопной турбины, что позволяет при позиционировании тормозного щитка выполнить простую сборку с увеличенными степенями свободы при данной конструкции. В частности, в данном случае оказывается возможным избежать структурных модификаций выхлопной турбины, и в данном случае нет необходимости иметь большое количество различных турбин для различных модельных серий. В соответствии с конкретным первым вариантом реализации, который особенно предпочтителен для этой цели, выхлопная турбина, в частности газотурбинный корпус выхлопной турбины, может быть в данном случае гидравлически связан с выхлопным трубопроводом, на который выхлопной газ поступает через, по меньшей мере, один, предпочтительно множество, цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем отдельный модуль, имеющий тормозной щиток устанавливается между выхлопной турбиной и выхлопным трубопроводом, в частности между газотурбинным корпусом выхлопной турбины и выхлопным трубопроводом и, следовательно, непосредственно выше по ходу и вне газотурбинного корпуса выхлопной турбины, причем упомянутый модуль надежно соединяется и с газотурбинным корпусом и с выхлопным трубопроводом. В частности, компактным образом и с конструктивным преимуществом, в соответствии со вторым конкретным вариантом реализации предполагается, для выхлопной турбины или корпуса выхлопной газовой турбины выхлопного турбокомпрессора, монтаж непосредственно на выхлопном трубопроводе, на который поступает выхлопной газ через, по меньшей мере, один, предпочтительно множество, цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем тормозной щиток размещается в области выхлопного трубопровода и, следовательно, непосредственно выше по ходу и вне газотурбинного корпуса выхлопной турбины.
Кроме того, в соответствии с конкретным предпочтительным вариантом реализации, предоставляется элемент управления, который воздействует на давление наддува в системе впуска,. Элемент управления, который воздействует на давление наддува в системе впуска, может быть обходным клапаном и/или направляющим поток элементом выхлопной турбины, например, предоставленным на выхлопной турбине выхлопного турбокомпрессора, в частности, направляющим поток элементом выхлопной турбины с переменной газотурбинной геометрией, и/или дроссельным клапаном в системе впуска двигателя внутреннего сгорания.
Наконец, задаваемые значения контроллера давления наддува и/или контроллера дифференциального давления могут быть сохранены в трехмерных характеристиках, которые получаются в соответствии, по меньшей мере, с числом оборотов двигателя внутреннего сгорания, с запросом мощности, расходуемой на торможение и со значениями давления наддува в системе впуска и противодавления выхлопного газа в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания.
Хотя изобретение пояснялось выше в связи с тормозным щитком, этот термин "тормозной щиток" следует понимать в широком и всеобъемлющем смысле, и он не ограничивается только конфигурациями поворотной откидной створки. Таким образом, если не поясняется иначе, термин "тормозной щиток" также явно предполагает включение в себя любое другое подходящее и/или не поворотное дросселирующее устройство, например ползун или поворотный ползун.
Что касается преимуществ, полученных посредством процедуры в соответствии с изобретением, и транспортного средства в соответствии с изобретением, то следует обращать внимание на сделанные выше замечания.
Иллюстративный вариант реализации изобретения поясняется ниже более конкретно в связи с приложенными схематическими чертежами, на которых:
Фиг. 1 изображает упрощенную схематическую иллюстрацию двигателя внутреннего сгорания для грузового автомобиля, имеющего систему впуска, выхлопную систему, выхлопной турбокомпрессор и устройство торможения двигателем, имеющее управляемый газом декомпрессионный тормоз, и тормозной щиток выше по ходу выхлопной турбины, причем устройства управляются в режиме торможения двигателем посредством электронного блока управления двигателем, имеющего контроллер давления наддува и контроллер дифференциального давления;
Фиг. 2 - упрощенная блок-схема управления с замкнутым контуром устройством торможения двигателем в соответствии с Фиг. 1, имеющего контроллер давления наддува и контроллер дифференциального давления для введения заданного противодавления выхлопного газа;
Фиг. 3 - диаграмма мощности, расходуемой на торможение, двигателя внутреннего сгорания, которая может управляться или устанавливаться посредством системы управления с замкнутым контуром в соответствии с Фиг. 2, представленная графически относительно числа оборотов;
Фиг. 4 - схематическая иллюстрация формирования задаваемого значения давления наддува в контроллере давления наддува; и
Фиг. 5 - другая схематическая иллюстрация формирования задаваемого значения дифференциального давления в дифференциальном контроллере давления для управления блоком управления двигателя в соответствии с Фиг. 1 и 2.
Двигатель 1 внутреннего сгорания (например, дизельный двигатель внутреннего сгорания с шестью цилиндрами), в частности для грузового автомобиля, имеющий систему 2 впуска и выхлопную систему 3 (обычной конструкции, которая не описывается) показана на Фиг. 1 просто схематически. Дроссельный клапан 5 может быть опционально предоставлен во впускном трубопроводе 4 системы 2 впуска.
Выхлопная система 3 имеет выхлопной трубопровод 6, который соединен с камерами сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания и соединен прямо или косвенно с выхлопной турбиной 8 выхлопного турбокомпрессора 7. Выхлопная турбина 8 запускает компрессор 9 известным образом, причем упомянутый компрессор соединяется, в свою очередь, с трубопроводом 4 впуска посредством трубопроводной линии 10 и поставляет воздух сгорания при заданном давлении PL наддува на камеры сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания. Выхлопной газ, вытекающий через выхлопной трубопровод 6 и выхлопную турбину 8, переносится далее выхлопной трубопроводной линией 11. Другие трубопроводные линии системы 2 впуска и выхлопной системы 3 двигателя 1 внутреннего сгорания автомобиля не показаны.
В качестве устройства торможения двигателем, двигатель 1 внутреннего сгорания имеет декомпрессионный тормоз (не показан), который действует на клапаны газового обмена или выпускные клапаны двигателя 1 внутреннего сгорания. Тормозной щиток 12, посредством которого может быть произведено задаваемое противодавление PA выхлопного газа, дополнительно предоставляется выше по ходу выхлопной турбины 8.
Декомпрессионный тормоз может быть инициализирован известным образом при управлении газом посредством увеличения противодавления PA выхлопного газа, когда тормозной щиток 12, по меньшей мере, частично закрыт, причем при этом давлении для выпускных клапанов селективно инициируются режимы "дребезжания" или "проскакивания клапана" (например. DE 10 2008 061 412 A1).
Что касается подробного варианта реализации управляемого выхлопом декомпрессионного тормоза, альтернативно ссылка может быть сделана на упомянутые публикации.
Дополнительно в трубопроводе 4 впуска размещается датчик 13 давления наддува, посредством которого давление PL наддува регистрируется и подается на блок 14 управления двигателем (который будет описан ниже) через сигнальную линию 15. Датчик 16 давления, который измеряет противодавление PA выхлопного газа выше по ходу тормозного щитка 12, и значения которого аналогично передаются на блок 14 управления через сигнальную линию, дополнительно вставлен в выхлопной трубопровод 6.
Кроме того, сигнал B, который соответствует инициированию торможения двигателем в режиме превышения нормальных оборотов двигателя грузового автомобиля, и сигнал α загрузки, подаются на блок 14 управления. Сигнал B выводится посредством системы управления торможения двигателем (не показана), которая требует переменной мощности двигателя, расходуемой на торможение.
Блок 14 управления управляет клапаном 17 обхода на выхлопной турбине 8 выхлопного турбокомпрессора 7 и клапаном 18 рециркуляции выхлопного газа в линии 19, размещенной между системой 2 впуска и выхлопной системой 3, на основании заданных условий, относящихся к мощности двигателя и к выходящему выхлопу двигателя 1 внутреннего сгорания.
Кроме известных функций в режиме запуска двигателя 1 внутреннего сгорания, электронный блок 14 управления модифицируется таким образом, что, когда режим превышения нормальных оборотов регистрируется и имеется сигнал B торможения двигателем, тормозной щиток 12 закрывается в большей или меньшей степени, чтобы ввести заданное противодавление PA выхлопного газа и дополнительно управлять давлением PL наддува.
С этой целью, контроллер 20 давления наддува и контроллер 21 дифференциального давления предоставляются в блоке 14 управления (Фиг. 2), как показано в упрощенной форме, причем упомянутые контроллеры определяют мощность, расходуемую на торможение в режиме B торможения двигателем посредством управления тормозным щитком 12 и элементами управления (клапан 17 обхода для снижения давления PL наддува и/или направляющая поток откидная створка для увеличения давления наддува и/или дроссельная откидная створка 5 в системе 2 впуска).
На Фиг. 4 схематично показан формирователь 20' задаваемого значения давления наддува при соединении с контроллером 20 давления наддува (отдельно здесь не показан). Здесь, задаваемое значение давления наддува предпочтительно определяется посредством трехмерной характеристики 20a (только обозначенной), которая формируется посредством числа оборотов n двигателя внутреннего сгорания и требуемого тормозящего момента B. Фактическое значение PL давления наддува устанавливается вмешательством в управление одного или нескольких упомянутых элементов управления.
На Фиг. 5 показан формирователь 21' задаваемого значения дифференциального давления при соединении с контроллером 20 дифференциального давления (отдельно здесь не показан), в котором предпочтительно предоставляются две трехмерные характеристики 21a, 21b, которые связаны математически (системой управления или электронными средствами) для формирования дифференциального давления PD.
Как показано на Фиг. 5, задаваемое значение дифференциального давления формируется посредством главной трехмерной характеристики 21b, составленной графически с использованием числа оборотов n и фактического значения PL давления наддува. Дифференциальное давление PD в случае запросов частичного тормозного момента дополнительно уменьшается в заданное число раз, используя понижающуюся трехмерную характеристику 21a, составленную графически с использованием числа оборотов n и запроса B тормозного момента.
Оценивая сформированные таким образом значения PL и PD давления, оказывается возможным точно установить противодавление PA выхлопного газа, соответствующее мощности двигателя, расходуемой на торможение, так, чтобы, как показано на Фиг. 3 относительно числа n оборотов двигателя, нижняя кривая 22 для более низкой мощности двигателя, расходуемой на торможение, с не активизированным декомпрессионным торможением, центральная кривая 23 для переходной области с начинающимся декомпрессионным торможением и верхняя кривая 24 для максимальной мощности двигателя, расходуемой на торможение, могли бы выборочно контролироваться или устанавливаться, как и, конечно же, и режимы в промежуточных областях между отдельными кривыми. Здесь, самая нижняя кривая 25 отображает мощность, затрачиваемую на сопротивление, которое возникает для двигателя внутреннего сгорания, когда тормозной щиток полностью открыт.
Зависимость задаваемого противодавления PA выхлопного газа от значения PL фактического давления наддува гарантирует, что когда давление PL наддува повышается, дифференциальное давление PD также увеличивается, тем самым, надежно гарантируя управляемое газом открытие клапана для выпускных клапанов. Переходная область от нарастания выхлопного газа самого по себе, через тормозной щиток 12, на декомпрессионный тормоз дополнительно может управляться более эффективно, причем различные условия давления во время газового обмена в двигателе 1 внутреннего сгорания могут быть лучше учтены в режиме торможения двигателем.
Давление PL наддува в режиме B торможения двигателем может быть уменьшено (например, в области кривой 22 на Фиг. 3) или увеличено (например, кривая 24 на Фиг. 3) в соответствии с требуемой мощностью, расходуемой на торможение элементами управления для введения фактического давление наддува. Как объяснено выше, это достигается управлением дроссельным клапаном 5 в системе 2 впуска и/или клапаном 17 обхода на выхлопном турбокомпрессоре 7 и/или, например, управлением направляющей поток откидной створки выше по ходу выхлопной турбины 8. Если необходимо, тормозной щиток 12 мог бы также использоваться вместе с направляющей поток откидной створкой в выхлопном турбокомпрессоре 7 с переменной газотурбинной геометрией.
Изобретение не ограничивается показанным иллюстративным вариантом реализации. Например, двигатель 1 внутреннего сгорания также может быть воплощен с последовательным повышением давления в двух выхлопных турбокомпрессорах 7, размещенных последовательно, первый из которых может быть выбран как каскад высокого давления, и второй из которых может быть выбран как каскад низкого давления.
Список обозначений
1 двигатель внутреннего сгорания
2 система впуска
3 система выхлопа
4 трубопровод впуска
5 дроссельный клапан
6 выхлопной трубопровод
7 выхлопной турбокомпрессор
8 выхлопная турбина
9 компрессор
10 линия впуска
11 выхлопная линия
12 тормозной щиток
13 датчик давления наддува
14 блок управления
15 линия сигнала
16 датчик давления
17 клапан обхода
18 клапан рециркуляции выхлопного газа
19 линия
20 контроллер давления наддува
20a трехмерная характеристика
21 контроллер дифференциального давления
21a трехмерная характеристика
21b трехмерная характеристика
22-24 кривые мощности, расходуемой на торможение
25 кривая мощности, расходуемой на преодоление лобового сопротивления
20' заданное прежнее значение давления наддува
21' заданное прежнее значение дифференциального давления