Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen.

[0002] Zur Unterstützung des Bremssystems bei Nutzfahrzeugen verwendet man Motorbremsen, welche aus einer Drosselklappe im Motorauspuff bestehen. Diese Drosselklappe versperrt bei Betätigung der Motorbremse den Motorauspuff, so daß sich während des Ausschubtaktes die Luft im Motorzylinder und einem anschließenden Auspuffkrümmer verdichtet und so zu einer Bremswirkung führt. Die Drosselklappe ist in der Regel im Durchmesser kleiner gehalten als das Auspuffrohr, um zu hohe Druckwerte zu vermeiden. Mit einer solchen Motorbremse lassen sich, gemessen an der Nutzleistung des Motors nur recht bescheidene Bremsleistungen erzielen, die lediglich die Druckluftbremse unterstützen können.

[0003] Zur Erhöhung der Bremsleistung von luftverdichtenden Brennkraftmaschinen ist es ferner nach DE-OS 30 26 529 bekannt, in den Ventiltrieb ein die wirksame Länge eines Ventiltriebgestänges im Sinne einer Öffnungsbewegung eines Auslaßventils steuerbares Teleskopglied vorzusehen. Zu diesem Zweck ist in einem Ventilstößel ein Kolben eingebaut, welcher von einem Pumpenkolben einer Hydraulikpumpeneinheit beaufschlagt über eine Stößelstange das Auslaßventil außerhalb der regulären Öffnungsphase öffnen kann, um im Kompressionstakt verdichtete Luft abzublasen, wodurch die dem Kolben zugeführte Verdichtungsarbeit vernichtet wird. Jeder Kolben der Auslaßventile einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist mit einem eigenen Pumpenkolben der zu einer Einheit zusammengefaßten Hydraulikpumpeneinheit über eine Leitung verbunden. Die Pumpenkolben sind sternförmig um einen Nocken angeordnet, welcher synchron mit einer Nockenwelle umläuft. Vorteilhafterweise kann dieser Nocken auf der Nockenwelle selbst angeordnet sein. Der Nocken ist dabei so geformt, daß die Auslaßventile jeweils im Kompressionstakt öffnen, um die verdichtete Luft über eine Auspuffleitung abzublasen. Eine solche Einheit gestattet es die Bremsleistung des Motors gegenüber der sonst üblichen Drosselung in der Auspuffleitung im Zuge des Ausschubtaktes zu erhöhen. Trotzdem ist man auch mit einer solchen Motorbremse nicht in der Lage, die Bremsleistung in den Bereich der Größenordnung der Motor-Nutzleistung zu bringen.

[0004] Aus CH-A-310 325 ist eine Motorbremse bei 4-Takt-Brennkraftmaschinen bekannt, bei der im Motor-Auspuffrohr eine Drosselklappe vorgesehen ist, welche bei Betätigung der Motorbremse geschlossen wird, so daß während des Verdichtungstaktes Bremsarbeit verrichtet wird. Zur Erhöhung der Bremsarbeit kann neben dem Auslaßventil ein zweites Ventil geöffnet werden, so daß auch während des Verdichtungstaktes Bremsarbeit zu verrichten ist. Das zweite Ventil ist ständig geöffnet, so daß sich der Staudruck im Zylinder nicht steuern läßt und die Bremsarbeit nicht zu optimieren ist. Eine weitere Variante geht davon aus, daß das Auslaßventil auch im Verdichtungstakt geöffnet wird. Durch den im Bremsbetrieb angegebenen Öffnungsquerschnitt von 0,5 bis 2 cm² je 100 Liter vom Arbeitskolben verdrängten Volumens wird kein optimaler Druckaufbau im Arbeitszylinder erreicht. Die sich aus dem p-V Diagramm ergebende Bremsarbeit während des Verdichtungstaktes entspricht nicht dem erreichbaren Maximum, zumal keine definitiv auf den Öffnungsquerschnitt abgestimmte Angabe über die Öffnungszeit des Auslaßventils während des Verdichtungstaktes gemacht wird.

[0005] Nach GB-A-21 62 580 wird vorgeschlagen im Bremsbetrieb das Motor-Auspuffrohr mittels einer Drosselklappe zu schließen und synchron dazu das Auslaßventil durch eine hydraulisch betätigbare Zusatzeinrichtung ständig um einen gewissen Betrag geöffnet zu halten. Durch diese konstante Öffnung des Auslaßventils wird nicht nur im Auspufftakt, sondern auch im Verdichtungstakt Bremsarbeit verrichtet. Eine konstante Öffnung des Auslaßventils kann aber zu keiner Optimierung der Bremsarbeit während des Verdichtungstaktes führen.

[0006] Ausgehend von einer Motorbremse gemäß dem Gattungsbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Motorbremsleistung durch eine Erhöhung der Bremsleistung während des Verdichtungstaktes so zu erhöhen, daß die Bremsleistung in den Bereich der Nutzleistung der Brennkraftmaschine vordringt.

[0007] Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

[0008] Durch die Abstimmung des Ventilhubes und der Ventilöffnungszeiten des Auslaßventiles während des Verdichtungstaktes, kombiniert mit der synchronen Schließung der Drosselklappe wird eine Optimierung der Bremsleistung während des Verdichtungstaktes erreicht. Außer-dem findet eine Rückwirkung der im Motor-Auspuffrohr verdichteten Luft von einem Zylinder auf einen anderen Zylinder statt, dessen Auspuffventil in Öffnungsstellung ist, so daß sich gegenüber einer heute allgemein üblichen Auspuffbremse eine Erhöhung der Bremsleistung um 80 - 90 % erzielen läßt und gegenüber einer bekannten Motorbremse nach DE-OS 30 26 259 eine Erhöhung der Bremsleistung um 50 bis 60 % erzielen läßt und die Bremsleistung der Nutzleistung des Motors nahezu gleich kommt. Bei langen Fahrten im Gefälle wird somit die Druckluftbremse entlastet und die Fahrgeschwindigkeit bei Gefällefahrt kann gesteigert werden. Eine wesentliche Reduzierung des Verschleißes der Bremsbeläge ist die Folge. Außerdem wird die Gefahr des Versagens der Bremse durch Überhitzung vermindert.

[0009] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen 2 bis 6 entnehmen.

[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:

Figur 1

einen Ventiltrieb mit Hydraulikpumpeneinheit und Kolben zur Betätigung eines Auspuffventils

Figur 2

eine Hydraulikpumpeneinheit mit einer in ein Auspuffrohr eingebauten Drossel mit gemeinsamer Ansteuerung

Figur 3

ein Steuerdiagramm von Kolben- und Ventilwegen.

Figur 4

ein Druck-Kolbenwegdiagramm der Kombinationsbremse.

[0011] Ein Auslaßventil 1 wird nach Figur 1 nicht nur durch einen Nockenantrieb 2 betätigt, sondern kann zusätzlich durch einen Kolben 3 bewegt werden. Dieser Kolben 3 wird über eine Leitung 4 von einer Hydraulikpumpeneinheit 5 mit Druckflüssigkeit beaufschlagt, wobei jedem Kolben 3 des Auslaßventils 1 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine in der Hydraulikpumpeneinheit 5 je ein Pumpenkolben 6 zugeordnet ist, welcher durch einen Nocken 7 derart angehoben werden kann, daß das Auslaßventil durch den Kolben 3, wie in der dargestellten Betriebsphase gezeigt, angehoben werden kann. Dadurch kann während eines Kompressionstaktes die verdichtete Luft durch das Auslaßventil 1 gedrosselt in ein Motor-Auspuffrohr 8 (Figur 2) abgeblasen und die Rückexpansionsarbeit durch die erfindungsgemäß gewählten Steuerzeiten vernichtet werden. Die von einem Motorkolben zu verrichtende Verdichtungsarbeit steht somit zusätzlich zu der bei Motorbremsen sonst üblichen Ausschiebearbeit gegen eine Drossel im Motor-Auspuffrohr 8 als Bremsarbeit zu Verfügung. Bezüglich konstruktiver Details von Hydraulikpumpeneinheit 5 und Auslaßventil 1 darf auf DE-OS 30 26 529 verwiesen werden.

[0012] Erfindungsgemäß wird nach Figur 2 diese Art der Motorbremse mit einer allgemein bekannten Motorbremse kombiniert, bei welcher durch die Betätigung der Motorbremse das Motor-Auspuffrohr 8 durch eine Drosselklappe 12 teilweise versperrt wird. Die Verstellung der Drosselklappe 12 erfolgt mittels eines Verstellmechanismus 10 der im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit 11 ausgeführt ist. Zur Erzielung der maximalen Bremswirkung wird durch Betätigung der Motorbremse gleichzeitig die Hydraulikpumpeneinheit 5 aktiviert, indem durch ein nicht dargestelltes Steuerventil Druckluft aus einem Fahrzeug-Bremssystem über eine sich in eine erste und zweite Leitung 11a, 11b verzweigende Druckleitung 11 sowohl der Kolben-Zylinder-Einheit 10 als auch der Hydraulikpumpeneinheit 5 zugeführt wird.

[0013] Durch die gleichzeitige, also synchrone Aktivierung der Kolbenzylindereinheit 10 und der Hydraulikpumpeneinheit 5 wird Bremsarbeit sowohl im Verdichtungstakt, als auch im Ausschubtakt verrichtet. Während die Drosselklappe 12 im Motor-Auspuffrohr 8 geschlossen wird, wird durch den Kolben 3 über den Pumpenkolben 6 das Auslaßventil 1 während des Kompressionstaktes geöffnet und die verdichtete Luft durchs Auslaßventil 1 gedrosselt in das durch die Drosselklappe 12 verschlossene Motorauspuffrohr 8 abgeblasen, wodurch die Rückexpansionsarbeit vernichtet wird. Um einen zu hohen Staudruck im Motor-Auspuffrohr 8 zu vermeiden, wird die Drosselklappe 12 mit einem etwas kleineren Durchmesser als das Motor-Auspuffrohr ausgeführt, so daß ein Ringspalt verbleibt, durch den ein Teil der verdichteten Luft entweichen kann. Besonders vorteilhaft ist die Rückwirkung der verdichteten Luft auf die Kolben anderer Zylinder, deren Auspuffventile gerade in Offenstellung sind, welche dann an der Bremsleistung mitwirken.

[0014] Figur 3 zeigt ein Steuerdiagramm von Kolben, Ein- und Auslaßventil, bei dem der Öffnungshub der Ventile, bzw. der Kolbenweg als Funktion über dem Kurbelwinkel aufgetragen ist. Daraus erkennt man, daß das Auslaßventil in einer ersten Öffnungsphase etwas mehr als 180°, vorzugsweise 220° vor einem Zünd-Totpunkt im ersten Punkt 13 öffnet und kurz nach Zünd-Totpunkt in einem Punkt 14 schließt. Der Hub des Auslaßventils beträgt in dieser Öffnungsphase etwa 1 bis 2,5 mm. Die verdichtete Luft wird gedrosselt durch das nur teilweise geöffnete Auslaßventil 1 (Figur 1) gegen einen Überdruck von ca. 5 bis 6 bar ausgeschoben, der sich durch das Schließen der Drosselklappe 12 aufbaut. Durch das Ausschieben der Luft im Kompressionstakt wird die Rückexpansionsarbeit vernichtet.

[0015] Rechnerische Untersuchungen haben ergeben, daß eine maximale Bremswirkung dann eintritt, wenn zusätzliche zu einer zweiten Öffnungsphase des Auslaßventils im Normalbetrieb zwischen den Punkten 15 und 16 durch die Hydraulikpumpeneinheit 5 (Figur 1) die erste Öffnungsphase in den Punkten 13 und 14 zwischen den Kurbelwinkeln von etwas mehr als 180°, vorzugsweise 220° vor Zünd-Totpunkt OT und 40° ± 40° nach Zünd-Totpunkt OT ausgelöst wird.

[0016] Ein besonderer Vorteil dieser Steuerzeiten besteht darin, daß sich beim Maximum der Bremsleistung nur eine geringe Belastung eines Motor-Ventiltriebes und der hydraulischen Auslaß-Ventilbetätigung ergibt, da der Verdichtungsenddruck stark verringert wird.

[0017] Die bei Betätigung der Motorbremse verrichtete Bremsarbeit ist in einem Druck-Kolbenwegdiagramm in Figur 4 dargestellt. Beginnend in Punkt 17 wird zunächst die Luft gegen den sich im Motor-Auspuffrohr 8 (Figur 2) aufbauenden Druck einer Kurve 19 folgend ausgeschoben, bis im Punkt 18 der obere Totpunkt erreicht ist. In einem anschliependen Expansionstakt fällt der Druck einer zweiten Kurve 20 folgend ab, bis in Punkt 17 wieder der untere Totpunkt erreicht ist.

[0018] Nach dem Öffnen des Auslaßventils entsprechend dem Motor-Normalbetrieb (siehe Punkte 15 und 16 in Figur 3) folgt der Ausschubtakt, wobei der Druckverlauf, beginnend bei Punkt 17 einer dritten Kurve 21 folgt, bis wieder der obere Totpunkt erreicht ist und nach Öffnen eines Einlaßventils der Druck bis zu einem im Ansaugsystem herrschenden Druck abfällt.

[0019] Eine in der ersten Öffnungsphase des Auslaßventils verrichtete Bremsarbeit wird durch die zur Abszisse senkrecht schraffierte Fläche A1 dargestellt und die in der zweiten Öffnungsphase des Auslaßventils verrichtete Bremsarbeit wird durch die schräg schraffierte Fläche A2 repräsentiert.

[0020] Gegenüber einer heute weit verbreiteten Auspuffbremse wird die Bremsleistung um ca. 80 bis 90 % erhöht und gegenüber einer Motorbremse nach DE-OS 30 26 529 wird eine um ca. 50 bis 60 % gesteigerte Bremsleistung erzielt, welche bei Motor-Höchst-Drehzahl fast die Nutzleistung erreicht. Die erfindungsgemäße Motorbremse kann auch in abgestufter Art und Weise betätigt werden, wenn man nur die Hydraulikpumpeneinheit 5 oder die Drosselklappe 12 (Figur 2) getrennt voneinander betätigt.

[0021] Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Motorbremse besteht in der vollen Ausnutzung der mechanischen Festigkeit des Kolben- und Kurbeltriebs und der Motorkühlanlage im Bremsbetrieb.

Ansprüche

1. Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, wobei ein Auslaßventil (1) zusätzlich zu einem Nockenantrieb (2) von einem in einen Ventiltrieb eingebauten Kolben (3) betätigbar ist, wobei der Kolben (3) von einer Hydraulikpumpeneinheit (5) beaufschlagbar ist und jedem Kolben (3) eines Auslaßventils (1) ein Pumpenkolben (6) zugeordnet ist, und diese Pumpenkolben (6) von einem synchron mit dem Nockenantrieb (2) umlaufenden Nocken (7) betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß
   in einem Motor-Auspuffrohr (8) eine durch einen Verstellmechanismus (10) betätigbare Drosselklappe (12) vorgesehen ist,
   die Hydraulikpumpeneinheit (5) und der Verstellmechanismus (10) bei Betätigung der Motorbremse durch eine Steuerung bei voller Bremsleistung synchron, dagegen bei abgestufter Bremsleistung getrennt aktivierbar sind,
   der Nocken (7) der Hydraulikpumpeneinheit (5) derart geformt ist, daß die Auslaßventile (1) mittels des Kolbens (3) etwas mehr als 180° Kurbelwinkel vor oberen Zünd-Totpunkt, vorzugsweise 220° Kurbelwinkel vor oberem Zünd-Totpunkt, geöffnet und in einem Bereich 40° ± 40° Kurbelwinkel nach Zünd-Totpunkt wieder geschlossen werden, und daß die Auslaßventile (1) im vorgenannten Bereich eine Hubhöhe von 1 - 2,5 mm aufweisen.

2. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit (11) ausgebildet ist, und daß diese bei Betätigung der Motorbremse durch Druckluft aus einem Fahrzeug-Bremssystem beaufschlagbar ist.

3. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine elektrische Einrichtung ausgebildet ist.

4. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine hydraulische Einrichtung ausgebildet ist.

5. Motorbremse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) durch eine von einem gemeinsamen Steuerventil ausgehende sich auf die Kolben-Zylinder-Einheit (11) und die Hydraulikpumpeneinheit (5) verzweigende Druckleitung (11) beaufschlagbar ist.

Claims

1. Engine brake for air-compressing internal combustion engines with an exhaust valve (1) which can be actuated not only by a cam drive (2), but also by a piston (3) installed in a valve drive, which piston (3) can be charged by a hydraulic pump unit (5), each piston (3) of an exhaust valve (1) being allocated a pump piston (6), which pump pistons (6) can be actuated by a cam (7) rotating synchronously with the cam drive (2), characterised in that
   a butterfly valve (12) which can be actuated by an adjusting mechanism (10) is provided in one engine exhaust pipe (8),
   the hydraulic pump unit (5) and the adjusting mechanism (10) can, on actuation of the engine brake, be actuated by a control unit synchronously in the event of full braking efficiency, but separately in the event of stepped braking efficiency,
   the cam (7) of the hydraulic pump unit (5) is shaped in such a way that the exhaust valves (1) are, by means of a piston (3), opened at slightly more than a crank angle of 180° before top ignition dead centre, preferably a crank angle of 220° before top ignition dead centre, and closed again in a crank angle range of 40° +/- 40° after ignition dead centre, and that the exhaust valves (1) have in the said range a lift of 1-2.5 mm.

2. Engine brake as under Claim 1, characterised in that the adjusting mechanism (10) is a pneumatic piston-cylinder unit (11) which can, on actuation of the engine brake, be charged with compressed air from the vehicle's brake system.

3. Engine brake as under Claim 1, characterised in that the adjusting mechanism (10) is an electrical unit.

4. Engine brake as under Claim 1, characterised in that the adjusting mechanism (10) is a hydraulic unit.

5. Engine brake as under the Claims 1 and 2, characterised in that the adjusting mechanism (10) can be charged by means of a pressure line that starts from a joint control valve and bifurcates into a line to the piston-cylinder unit (11) and a line to the hydraulic pump unit (5).

Revendications

1. Frein moteur pour moteurs à combustion interne à compresseurs d'air, dans lequel une soupape d'évacuation (1) peut être actionnée en plus de son entraînement par came (2) par un piston (3) incorporé dans un mécanisme de soupape, le piston (3) pouvant être actionné par une unité de pompe hydraulique (5) et un piston plongeur (6) étant associé à chaque piston (3) d'une soupape d'évacuation (1) et ces pistons plongeurs (6) pouvant être actionnés par une came (7) tournant de façon synchrone par rapport à l'arbre à came (2), frein moteur caractérisé en ce que :

- dans un tuyau d'échappement de moteur (8), on prévoit un clapet d'étranglement (12) pouvant être actionné par un mécanisme de réglage (10),

- l'unité de pompe hydraulique (5) et le mécanisme de réglage (10) peuvent être activés lors de l'actionnement du frein moteur de façon synchrone quand on est à pleine puissance de freinage, par contre de façon séparée quand on est à puissance de freinage réduite,

- la came (7) de l'unité de pompe hydraulique (5) est formée de telle façon que les soupapes d'évacuation (1) soient ouvertes au moyen du piston (3) à un angle de vilebrequin d'un peu plus de 180' avec le point mort haut d'allumage, de préférence à un angle de vilebrequin de 220' avant le point mort haut d'allumage et soient de nouveau fermées dans une zone angulaire du vilebrequin de ± 40° après le point mort d'allumage et que les soupapes d'évacuation (1) dans la zone mentionnée présentent une levée d'une hauteur de 1 à 2,5 mm.

2. Frein moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de réglage (10) est constitué comme une unité pneumatique piston-cylindre (11) et en ce que celle-ci peut être activée lors de l'actionnement du frein moteur par de l'air comprimé à partir d'un système de freinage de véhicule.

3. Frein moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de réglage (10) est constitué sous la forme d'un dispositif électrique.

4. Frein moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme de réglage (10) est constitué sous la forme d'un dispositif d'hydraulique.

5. Frein moteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le mécanisme de réglage (10) peut être actionné par une conduite sous pression (11) partant d'une soupape de commande commune se subdivisant en l'unité piston-cylindre (11) et l'unité de pompe hydraulique (5).

Zeichnung