Способ управления устройством торможения двигателем и устройство торможения двигателем
CONTROL METHOD OF ENGINE BRAKING DEVICE AND ENGINE BRAKING DEVICE

Настоящее изобретение предлагает способ управления устройством торможения двигателем для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, в частности, грузового автомобиля или автобуса, в соответствии с предварительной отличительной частью пункта 1, устройство торможения двигателем в соответствии с предварительной отличительной частью пункта 14 и автомобиль в соответствии с пунктом 15 формулы изобретения.
В частности, в случае имеющего воспламенение от сжатия (дизельного) двигателя внутреннего сгорания грузового автомобиля или автобуса существует известная практика создания противодавления выхлопного газа в выхлопной системе посредством тормозного щитка в режиме превышения допустимой скорости, причем вышеупомянутое противодавление осуществляет эффективное торможение двигателем, поскольку поршни двигателя внутреннего сгорания работают против этого давления выхлопного газа в течение такта выхлопа (выпускные клапаны открыты).
Чтобы значительно увеличить эффект такого устройства торможения двигателем, как известно, например, из патента ФПГ № DE 3922884 A1, существует практика дополнительной установки декомпрессионного тормоза, где, помимо обычной работы клапана в соответствии с четырехтактным принципом, выпускные клапаны также остаются частично открытыми в течение такта сжатия. Здесь дополнительный эффект торможения возникает за счет дросселированного выпуска воздуха для горения в выхлопную систему.
Декомпрессионный тормоз может иметь выхлопное или принудительное управление. В режиме выхлопного управления время открытия и закрытия клапана устанавливается таким образом, что выпускные клапаны открываются нерегулярно в специально заданном режиме вследствие противодавления выхлопного газа, которое присутствует, когда тормозной щиток закрывается ("отскок клапана") и удерживаются механизмом в открытом положении до следующего регулярного открытия клапанов.
В случае принудительно регулируемого декомпрессионного тормоза вмешательство в регулярное время открытия и закрытия клапана, как правило, осуществляется посредством гидравлических и механических приспособлений, чтобы удерживать выпускные клапаны в частично открытом положении в специально заданном режиме, по меньшей мере, также и в течение такта сжатия.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и устройство торможения двигателем, посредством которых может быть увеличена мощность торможения двигателем, представляющего собой двигатель внутреннего сгорания рассматриваемого типа, имеющего выхлопной турбонаддув, причем температурная нагрузка двигателя внутреннего сгорания в режиме торможения двигателем должна оставаться на минимальном возможном уровне.
Эта задача решается посредством отличительных особенностей, описанных в независимых пунктах формулы изобретения. Преимущественные усовершенствования настоящего изобретения составляют предмет зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно пункту 1 формулы изобретения, предлагается способ управления устройством торможения двигателем для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, в частности, грузовых автомобилей или автобусов, причем в данном устройстве имеется впускная система, выхлопная система, газообменные клапаны, соединенные с двигателем внутреннего сгорания, в частности, газообменные клапаны, работающие в соответствии с четырехтактным принципом, устройство впрыска топлива, которое впрыскивает топливо, по меньшей мере, в одну камеру сгорания, выхлопной турбонаддув посредством, по меньшей мере, одного выхлопного турбонагнетателя, встроенного в выхлопную систему и впускную систему, и блок торможения двигателем, причем блок торможения двигателем имеет декомпрессионный тормоз, который воздействует, по меньшей мере, на один выпускной клапан из газообменных клапанов, и тормозной щиток, который располагается в выхлопной системе и вызывает накопление выхлопного газа. Согласно настоящему изобретению, предложение заключается в том, что когда начинается торможение двигателем, или в течение торможения двигателем, топливо впрыскивается, по меньшей мере, в одну камеру сгорания или в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания в течение заданного периода времени, в частности, в течение непродолжительного времени.
Таким образом, данное предложение согласно настоящему изобретению приводит к увеличению мощности торможения двигателем, причем это обусловлено тем, что давление наддува во впускной системе двигателя внутреннего сгорания повышается все быстрее за счет того, что увеличивается энергия выхлопного газа в выхлопной системе или в выхлопной турбине выхлопного турбонагнетателя, и, следовательно, увеличивается массовый поток газа через двигатель внутреннего сгорания. С одной стороны, это вызывает увеличение мощности торможения, в частности, посредством использования декомпрессионного тормоза, и, с другой стороны, приводит к увеличению рассеяния тепла в двигателе внутреннего сгорания через выхлопную систему.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, впрыск топлива может регулироваться в соответствии с давлением наддува, которое преобладает во впускной системе ниже по потоку относительно компрессора выхлопного турбонагнетателя.
В частности, оказывается возможным начало впрыска только после того, как достигается определенное нижнее пороговое значение давления наддува, чтобы впрыскиваемое топливо поступало, когда выхлопной турбиной выхлопного турбонагнетателя уже достигнута рабочая точка с благоприятной эффективностью (эффективное использование топлива при низком расходе). Здесь нижнее пороговое значение давления наддува особенно предпочтительно составляет более чем или равняется 0,5 бар (50 кПа) (по отношению к окружающей среде) и наиболее предпочтительно составляет более чем или равняется 1,0 бар (100 кПа) (по отношению к окружающей среде).
Кроме того, продолжительность впрыска может ограничиваться достижением определенного верхнего порогового значения давления наддува. Верхнее пороговое значение давления наддува особенно предпочтительно определяется таким образом, что впрыск осуществляется не позднее или во времени перед достижением максимального давления наддува (PLmax), которое может быть достигнуто в мгновенной рабочей точке. Особенно предпочтительным является условие, согласно которому впрыск должен осуществляться перед достижением максимального давления наддува, которое может быть достигнуто в мгновенной рабочей точке двигателя внутреннего сгорания, поскольку, с одной стороны, эффект увеличения давления наддува может продолжать свое действие, и, с другой стороны, могут учитываться возможные колебания давление наддува в различных двигателях внутреннего сгорания. В качестве примера, верхнее пороговое значение давления наддува для осуществления впрыска во времени перед достижением максимального давления наддува (PLmax), которое может быть достигнуто в мгновенной рабочей точке, определяется следующим образом: PLmax - от 0,3 до 0,7 бар (от 30 до 70 кПа), в частности, PLmax - 0,5 бар (50 кПа).
В качестве альтернативы или в качестве дополнения, впрыском топлива можно управлять в течение ограниченного времени, т. е. продолжительность впрыска может быть ограничена по времени, чтобы предотвращались продолжительные фазы впрыска, приводящие к увеличению расхода топлива в случае медленного повышения давления наддува или неблагоприятных рабочих состояний двигателя внутреннего сгорания. Продолжительность впрыска ограничивается уровнем, составляющим, например, не более чем 30 секунд и предпочтительно не более чем 20 секунд.
Кроме того, по причинам, связанным с удобством вождения, может оказаться преимущественным, если впрыскиваемое количество дросселируется обратно линейно и/или непрерывно по направлению к нулевому значению согласно пилообразной функции, на основе начала впрыска или определенного периода времени после начало впрыска.
В качестве особенно преимущественного варианта осуществления, впрыскиваемое количество топлива можно практически соответствовать впрыскиваемому количеству в режиме холостого хода двигателя внутреннего сгорания. В результате этого становится возможным достижение удовлетворительного увеличения давления наддува в режиме торможения двигателем с использованием лишь небольшого дополнительного расхода топлива при надлежащих показателях выхлопного газа.
Согласно преимущественному усовершенствованию данного способа, точка впрыска в течение торможения двигателем может изменяться по отношению к обычному впрыску топлива, в частности, в интервале от 15° до 30° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой соответствующего поршня в течение такта сжатия двигателя внутреннего сгорания, чтобы обеспечивалось особенно благоприятное увеличение давления наддува при низком расходе топлива и высокой мощности торможения двигателем.
Согласно настоящему изобретению в устройстве торможения двигателем для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, имеется впускная система, выхлопная система, газообменные клапаны, соединенные с двигателем внутреннего сгорания, в частности, газообменные клапаны, регулируемые согласно четырехтактному принципу, устройство впрыска топлива, которое впрыскивает топливо, по меньшей мере, в одну камеру сгорания, выхлопной турбонаддув посредством, по меньшей мере, одного выхлопного турбонагнетателя, встроенного в выхлопную систему и впускную систему, и блок торможения двигателем, причем блок торможения двигателем имеет декомпрессионный тормоз, который воздействует, по меньшей мере, на один выпускной клапан из газообменных клапанов, и тормозной щиток, который располагается в выхлопной системе и вызывает накопление выхлопного газа. Согласно настоящему изобретению, предлагается управляющее устройство без обратной связи и/или с обратной связью, которое управляет впрыском топлива, в частности, электронный управляющий блок, который осуществляет впрыск топлива в течение заданного периода времени в процессе режима торможения двигателем, когда присутствует сигнал торможения двигателем.
Преимущества, которые обеспечивает данное устройство торможения двигателем, достигаются таким же образом, как преимущества, уже описанные выше в связи со способом согласно настоящему изобретению. В данном отношении следует обратиться к приведенному выше описанию.
Здесь особенно предпочтительный вариант осуществления представляет собой способ или вариант, согласно которому тормозной щиток располагается выше по потоку относительно выхлопной турбины, предпочтительно непосредственно выше по потоку и вблизи относительно выхлопной турбины выхлопного турбонагнетателя, причем он сконструирован как направляющий поток щиток, который воздействует на пропускание газового потока через выхлопную турбину. В результате этого становится возможным, практически без дополнительных расходов в отношении конструкции, значительное увеличение давления наддува на стороне впуска в режиме торможения двигателем и, таким образом, увеличение массового потока, который требуется в двигателе внутреннего сгорания для достигаемой мощности торможения. Таким образом, тормозной щиток выполняет одновременно несколько функций: он обеспечивает, предпочтительно посредством управления с обратной связью, достаточное противодавление выхлопного газа, а также дополнительно обеспечивает преимущественный приток в турбину при уменьшенной скорости потока выхлопного газа и пониженной энтальпии выхлопного газа, аналогично работе регулирующего щитка на выхлопных турбинах с переменной геометрией турбины.
Более конкретно, в отличие от тормозного щитка, расположенного ниже по потоку относительно выхлопной турбины, здесь тормозной щиток, расположенный выше по потоку относительно выхлопной турбины (в частности, тормозной щиток, расположенный непосредственно выше по потоку и вблизи относительно выхлопной турбины) создает более высокий перепад давления на выхлопной турбине, и в результате этого, благодаря тому, что в таком случае становится возможным увеличение массового потока и объемного потока через выхлопную турбину, можно в значительной степени увеличивать давление наддува и противодавление выхлопного газа, и, таким образом, мощность торможения двигателем также может значительно увеличиваться функционально надежным способом без термической перегрузки двигателя внутреннего сгорания. Благодаря перепаду давления на тормозном щитке, расположенном выше по потоку, здесь достигается уменьшение нагрузки выхлопной турбины при таком же противодавлении выхлопного газа, и, таким образом, это приводит к желательному увеличению мощности торможения при увеличении противодавления выхлопного газа без повышения нагрузки выхлопной турбины.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, здесь предлагается условие расположения тормозного щитка выше по потоку и снаружи, предпочтительно непосредственно выше по потоку и снаружи относительно корпуса турбины, представляющей собой выхлопную турбину выхлопного турбонагнетателя (и, таким образом, выше по потоку относительно впускного трубопровода корпуса турбины). Благодаря конфигурации, в которой, по меньшей мере, один тормозной щиток располагается выше по потоку и, следовательно, снаружи относительно корпуса турбины или впускного трубопровода выхлопной турбины, вышеупомянутый щиток не представляет собой компонент выхлопной турбины, и в результате этого становится возможным расположение тормозного щитка, обеспечивающее простоту монтажа и увеличение степени свободы в отношении конструкции. В частности, в таком случае здесь становится возможным предотвращение конструкционных модификаций выхлопной турбины, и исключается необходимость установки большого числа различных турбин для различных рядов моделей. Согласно конкретному первому варианту осуществления, который является особенно предпочтительным для данной цели, выхлопная турбина, в частности, корпус турбины выхлопной турбины может в таком случае находиться в гидравлическом сообщении с выхлопным коллектором, к которому поступает выхлопной газ, по меньшей мере, через один цилиндр и предпочтительно через множество цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем отдельный модуль, имеющий тормозной щиток, устанавливается между выхлопной турбиной и выхлопным коллектором, в частности, между корпусом турбины выхлопной турбины и выхлопным коллектором и, таким образом, непосредственно выше по потоку и снаружи относительно корпуса турбины выхлопной турбины, причем вышеупомянутый модуль жестко присоединяется как к корпусу турбины, так и к выхлопному коллектору. Таким образом, что является особенно компактным и преимущественным в отношении конструкции, предлагается условие, согласно второму конкретному вариант осуществления, чтобы устанавливать выхлопную турбину или корпус выхлопной турбины выхлопного турбонагнетателя непосредственно на выхлопной коллектор, в который выхлопной газ поступает, по меньшей мере, через один цилиндр и предпочтительно через множество цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем тормозной щиток располагается в области выхлопного коллектора и, следовательно, непосредственно выше по потоку и снаружи относительно корпуса турбины выхлопной турбины.
Даже если настоящее изобретение всегда разъясняется выше в связи с тормозным щитком, данный термин "тормозной щиток" следует определенно понимать в широком и всестороннем смысле, не ограничиваясь только щитками, имеющими поворотную конструкцию. Таким образом, если не разъясняется другое условие, термин "тормозной щиток" также определенно распространяется на любые другие подходящие и/или неповоротные дросселирующие устройства, например задвижки или поворотные задвижки.
Что касается преимуществ, достигаемых посредством автомобиля согласно настоящему изобретению, аналогичным образом, следует обратить внимание на пояснения, представленные выше.
Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения ниже разъясняется более конкретно с дополнительными подробностями. На чертежах:
фиг. 1 представляет, в форме чисто схематической иллюстрации, двигатель внутреннего сгорания для грузового автомобиля или автобуса, в котором присутствуют впускная система, выхлопная система, устройство впрыска топлива, выхлопной турбонагнетатель и устройство торможения двигателем имеющий тормозной щиток выше по потоку относительно выхлопной турбины, причем данные устройства управляются посредством электронного управляющего блока двигателя; и
фиг. 2 представляет диаграмму, иллюстрирующую мощность торможения двигателем, которая может быть достигнута посредством устройства торможения двигателем согласно фиг. 1, и давление наддува PL, которые представлены на графике в зависимости от определенной продолжительности измерения в режиме торможения двигателем.
Фиг. 1. представляет чисто схематическим образом двигатель внутреннего сгорания 1 (например, шестицилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания) для автомобиля, в частности, для грузового автомобиля или автобуса, в котором присутствуют впускная система 2 и выхлопная система 3 (согласно традиционной конструкции, где это не описано). Дроссельный клапан 5 может необязательно присутствовать во впускном коллекторе 4 впускной системы 2.
Выхлопная система 3 имеет выхлопной коллектор 6, который присоединяется к камерам сгорания двигателя внутреннего сгорания 1 и присоединяется непосредственно или косвенно к выхлопной турбине 8 выхлопного турбонагнетателя 7. Выхлопная турбина 8 известным образом приводит в действие компрессор 9, причем вышеупомянутый компрессор, в свою очередь, присоединяется к впускному коллектору 4 через трубопровод 10 и направляет воздух для горения при определенном давлении наддува PL в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания 1. Выхлопной газ, выходящий через выхлопной коллектор 6 и выхлопную турбину 8, далее выводится наружу через выхлопной трубопровод 11. На чертеже не представлены другие трубопроводы впускной системы 2 и выхлопной системы 3 автомобильного двигателя внутреннего сгорания 1.
Что касается устройства торможения двигателем, данный двигатель внутреннего сгорания 1 имеет декомпрессионный тормоз (не представленный на чертеже), который воздействует на газообменные клапаны или выпускные клапаны двигателя внутреннего сгорания 1. Кроме того, выше по потоку относительно выхлопной турбины 8 располагается тормозной щиток 12, посредством которого может производиться определенное противодавление выхлопного газа PA.
Декомпрессионный тормоз может приводиться в действие известным способом в условиях управления газом посредством повышенного противодавления выхлопного газа PA, когда тормозной щиток 12 является, по меньшей мере, частично закрытым, и при этом селективно включается "колебание" давления" или "отскок клапана" для выпускных клапанов (см., например, патентную заявку ФРГ № 2008 061412 A1), или может управляться механическо-гидравлическое открытие выпускных клапанов (принудительное управление), которое воздействует на клапанный механизм в течение такта сжатия двигателя внутреннего сгорания (см. патент ФРГ № 3922884 A1).
Что касается подробного описания вариант осуществления декомпрессионного тормоза, в качестве альтернативы, можно ознакомиться с вышеупомянутыми публикациями.
Кроме того, двигатель внутреннего сгорания 1 оборудован устройством впрыска топлива, в котором сопла 13 впрыска (для простоты на чертеже представлено только одно сопло 13 впрыска) впрыскивают топливо в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания 1 известным способом.
Устройство впрыска топлива может приводиться в действие, например, с использованием обычной рельсовой системы, причем имеющими электрический привод соплами 13 впрыска, которые подают топливо, управляет электронный управляющий блок 14.
В управляющем блоке 14 логически сочетаются соответствующие рабочие параметры, которые определяются посредством датчиков, например, такие как скорость автомобиля, скорость двигателя, температура, требуемая нагрузка и т. д., и на этом основании вычисляется и регулируется соответствующее требуемое количество впрыскиваемого топлива.
Во впускном коллекторе 4, располагается, кроме того, датчик давления наддува 15, посредством которого определяется давление наддува PL, которое передается в управляющий блок 14 двигателя по сигнальной линии. Кроме того, в выхлопном коллекторе 6 установлен датчик давления 16, который измеряет противодавление выхлопного газа PA, и результаты измерений которого аналогичным образом передаются в управляющий блок 14 по сигнальной линии.
Кроме того, в управляющий блок 14 поступает сигнал B, который соответствует началу процесса торможения двигателем в режиме превышения допустимой скорости грузового автомобиля или автобуса. Данный сигнал можно производить посредством соответствующей кнопки или системы управления торможением двигателем (не представленной на чертеже), которая управляет переменной мощностью торможения двигателем.
Помимо впрыска топлива, управляющий блок 14 необязательно может также управлять перепускным клапаном 17, установленным в качестве чисто опционального устройства на выхлопной турбине 8 выхлопного турбонагнетателя 7, и/или клапан рециркуляции выхлопного газа 18, установленный в качестве чисто опционального устройства в трубопроводе 19, расположенном между впускной системой 2 и выхлопной системой 3, на основании специфических условий эксплуатации в отношении мощности двигателя и выхлопных газов.
Помимо известных функций, электронный управляющий блок 14 модифицируется таким образом, что когда обнаруживается режим превышения допустимой скорости, и подается сигнал торможения двигателем B, он закрывает тормозной щиток 12 в большей или меньшей степени заданным образом и, кроме того, регулирует вспомогательный впрыск топлива в определенном количестве (в соответствии с мгновенной рабочей точкой двигателя внутреннего сгорания 1).
В таком случае впрыскиваемое количество может приблизительно равняться количеству для работы в холостом режиме двигателя внутреннего сгорания 1, причем оно может управляться в течение лишь кратковременного периода в соответствии с давлением наддува PL во впускном коллекторе 4, а также если это является целесообразным, в соответствии с противодавлением выхлопного газа PA. Продолжительность вспомогательного впрыска может составлять вплоть до 30 секунд.
Впрыскиваемое количество, точка впрыска и продолжительность впрыска связаны друг с другом таким образом, что происходит едва заметное увеличение расхода топлива и выхлопного газа при оптимальном увеличении давления наддува.
Считается особенно преимущественным, если вспомогательный впрыск начинается только выше определенного давления наддува PL, превышающего, например, 0,5 бар (50 кПа) (по отношению к окружающей среде), потому что только в таком случае может наблюдаться относительно эффективное повышение давления наддува PL и, в связи с ним, высокая мощность торможения двигателем. Это "начальное давление наддува" также обеспечивает благоприятные условия воспламенения впрыскиваемого топлива.
Продолжительность вспомогательного впрыска в режиме торможения двигателем оказывается ограниченной извне достижением давления наддува, которое может быть достигнуто при постоянном торможении в текущей рабочей точке двигателя внутреннего сгорания 1. Однако предпочтительное предложение заключается в том, чтобы прерывать вспомогательный впрыск при относительно низком давлении наддува PL (например, при PLmax, составляющем 0,5 бар (50 кПа)). В результате этого становятся возможным предотвращение превышений допустимого профиля давления наддува и подавление возможных колебаний давления наддува в различных двигателях внутреннего сгорания 1.
Продолжительность времени вспомогательного впрыска в режиме торможения двигателем может быть ограниченной, составляя, например, до 20 секунд, во избежание продолжительных фаз впрыска, приводящих к нежелательному увеличению расхода топлива в случае медленного повышения давления наддува в неблагоприятных рабочих точках двигателя внутреннего сгорания 1.
Кроме того, по соображениям удобства, может оказаться целесообразным плавное обратное дросселирование вспомогательного впрыска по направлению к нулю согласно пилообразной функции.
Кроме того, точка впрыска в течение вспомогательного впрыска в режиме торможения двигателем может предпочтительно находиться в течение соответствующего такта сжатия двигателя внутреннего сгорания 1, причем наилучшие результаты были достигнуты в интервале от 15° до 30° угла поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой соответствующего поршня.
В данном отношении, фиг. 2 представляет диаграмму, которая иллюстрирует воздействия описанного вспомогательного впрыска на профиль давления наддува PL и, следовательно, на мощность торможения двигателем внутреннего сгорания 1, например, в течение продолжительности измерения от 0 (начало торможения двигателем) до 10 секунд
Здесь кривая измерения 20 описывает традиционную мощность торможения в процентах как функцию увеличения давления наддува, в то время как расположенная выше кривая измерения 21 описывает увеличение давления наддува достигаемую мощность торможения двигателем, когда осуществляется вспомогательный впрыск.
Как можно легко видеть на вышеупомянутых кривых измерения 20, 21, дополнительный вспомогательный впрыск топлива в режиме торможения двигателем приводит к повышению профиля давления наддува при начальном очень большом градиенте, при котором может достигаться мощность торможения двигателем, которая повышается аналогичным образом, по существу вплоть до 100%. В таком случае давление наддува PL может даже кратковременно превышать уровень 100% соответствующей системе конфигурации.
Хотя измеренные значения были определены для двигателя внутреннего сгорания 1, имеющего управляемый давлением газа декомпрессионный тормоз, они также являются актуальными для двигателя внутреннего сгорания 1, имеющего выхлопной турбонаддув и использующего принудительно управляемый декомпрессионный тормоз.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 – двигатель внутреннего сгорания
2 – впускная система
3 – выхлопная система
4 – впускной коллектор
5 – дроссельный клапан
6 – выхлопной коллектор
7 – выхлопной турбонагнетатель
8 – выхлопная турбина
9 – компрессор
10 – впускной трубопровод
11 – выхлопной трубопровод
12 – тормозной щиток
13 – клапан впрыска
14 – управляющий блок
15 – датчик давления
16 – датчик давления
17 – перепускной клапан
18 – клапан рециркуляции выхлопного газа
19 – трубопровод
20 – кривая измерения без вспомогательного впрыска
21 – кривая измерения с вспомогательным впрыском