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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer Motorbremsein- richtung, die Bremsventile umfasst, über die der Brennrauminhalt der Zylinder in der Motorbrems- phase ableitbar ist, wobei die Bremsventile im Motorbremsbetrieb in Öffnungsstellung versetzt sind, wobei eine die Bremsventile beaufschlagende Blockiereinrichtung vorgesehen ist, die zwi- schen einer Haltestellung und einer Freigabestellung verstellbar ist, wobei in Haltestellung der Blockiereinrichtung die Bremsventile in Öffnungsstellung gehalten sind.
Motorbremssysteme werden bevorzugt in schweren Nutzfahrzeugen eingesetzt und bestehen aus einem schaltbaren Bremsventil, über das der Brennrauminhalt im Motorbremsbetrieb in die Atmosphäre oder in den Abgasstrang hinein ableitbar ist. Die Bremsventile werden in der Brems- phase in Öffnungsstellung versetzt, wobei die Bremsleistung durch die reibungsbehaftete Strö- mung der Brennraumgase durch die Ventilöffnung des Bremsventils erzeugt wird. Derartige Motor- bremssysteme sind beispielsweise der DE 44 33 258 C, DE 40 26 499 C, EP 0 599 322 A oder der WO 97/06355 A entnehmbar.
Eine Brennkraftmaschine mit einer Motorbremseinrichtung der eingangs genannten Art ist dar- über hinaus beispielsweise der US 5 787 858 A oder der DE 297 02 511 U zu entnehmen. Bei diesen beiden bekannten Ausführungsformen findet jedoch eine Stauklappenbremse im Zusam- menhang mit der Blockierungseinrichtung Verwendung.
Bei den hohen erzeugbaren Bremsleistungen, die je nach verwendetem Bremssystem mehrere Hundert kW betragen können, werden relativ hohe Luftmassenströme und folglich hohe Zylinderin- nendrücke erzeugt, was zur Folge hat, dass die Bremsventile hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind und die Gefahr besteht, dass die Bremsventile in ihrer Funktion beeinträchtigt oder gar funktionsuntüchtig werden. Funktionsuntüchtige Bremsventile können jedoch sowohl den befeuerten Betrieb als auch den Motorbremsbetrieb massiv beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Betriebssicherheit der Motorbremseinrichtung zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Brennkraftmaschine im wesentlichen da- durch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit vorgesehen ist, die Stellsignale zur Betätigung des Turbinenquerschnitts, der Bremsventile und/oder der Blockiereinrichtung erzeugt.
Über eine Regeleinheit der erfindungsgemäss als aufgeladene Turbobremseinrichtung ausge- stalteten Ausführungsform einer Motorbremseinrichtung werden erfindungsgemäss die Aktivitäten der Turbine, der Bremsventile und der Blockiereinrichtung koordiniert. Zweckmässig werden bei einer Bremsleistungsanforderung mit Hilfe der von der Regeleinheit erzeugten Stellsignale der Turbinenquerschnitt mit Hilfe der variablen Turbinengeometrie reduziert, simultan die Bremsventile geöffnet, der Druck in der Blockiereinrichtung auf Solldruck erhöht und schliesslich das Sperrventil in der Hydraulik-Versorgungsleitung geschlossen, um die Bremsventile in Öffnungsstellung zu arretieren.
Über die einstellbare Blockiereinrichtung können die Bremsventile im Motorbremsbetrieb in Öff- nungsstellung gehalten werden, wodurch vermieden wird, dass die Bremsventile auch bei hohen Zylinderinnendrücken und entsprechend hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Brennraumin- halts durch die Ventilöffnung in Schwingungen geraten, die das Ventil beschädigen könnten. Die Bremsventile werden im Motorbremsbetrieb in ihrer Öffnungsstellung ruhiggestellt, die Gefahr einer Funktionsbeeinträchtigung ist reduziert.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird für eine einfache Regelung vorgeschlagen, dass der Regeleinheit der Druck in einer Zufuhrleitung zu den Bremsventilen als Eingangssignal zuführbar ist.
Die Bremsventile werden bevorzugt in an sich bekannter Weise hydraulisch in Öffnungsstel- lung gehalten, wobei vorzugsweise auch die Blockiereinrichtung in an sich bekannter Weise hydra- ulisch betätigbar ist und die Bremsventile mit dem notwendigen Hydraulik-Steuerdruck versorgt.
Dies hat den Vorteil, dass das Steuerungsmedium der Blockiereinrichtung zugleich das Steuerungs- medium für die Bremsventile ist und eine verzögerungsfreie, sensible Einstellung des Steuerungs- druckes möglich ist.
Die hydraulische Blockiereinrichtung umfasst eine Pumpe zur Förderung des Hydraulikmedi- ums, eine Hydraulik-Versorgungsleitung für die Bremsventile sowie ein einstellbares Sperrventil, über das die Hydraulikzufuhr zu den Bremsventilen einstellbar oder absperrbar ist. In vorteilhafter Weiterbildung sind eine Vorspanneinrichtung, über die das Hydraulikmedium für die Bremsventile
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mit einem vorgebbaren Solldruck beaufschlagbar ist, und ein Drucksensor zur Messung des Hydra- ulikdruckes vorgesehen. Über die Vorspanneinrichtung können Leckströme in der die Bremsventile versorgenden Zufuhrleitung oder in den Bremsventilen selbst ausgeglichen werden, der Drucksen- sor ist für eine Einstellung des Hydraulikdruckes auf einen gegebenen Sollwert erforderlich.
Die Vorspanneinrichtung kann beispielsweise als federgestützter Kolben, der das Hydraulikmedium beaufschlagt, ausgebildet sein. Die Vorspanneinrichtung und der Drucksensor können in eine gemeinsame Baueinheit integriert werden, wodurch das Bauvolumen reduziert wird.
Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt einen Abgasturbolader und eine Einrichtung zur vari- ablen Einstellung des Abgasgegendruckes auf, insbesondere eine variable Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des Turbinenquerschnitts, wobei in dieser Ausführung der Brennraum- inhalt im Motorbremsbetrieb in den Abgasstrang stromauf der Turbine abgeblasen wird. Durch die Veränderung der Turbinengeometrie ist es möglich, verschieden hohe Drücke im Abschnitt zwi- schen den Zylindern und der Turbine zu realisieren, wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden können.
Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine wird der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert, woraufhin im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader ein hoher Überdruck aufgebaut wird. Das Abgas durchströmt den verengten Turbinenquerschnitt mit hoher Geschwin- digkeit und beaufschlagt das Turbinenrad, woraufhin die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft vom Verdichter unter Überdruck gesetzt wird. Auch ausgangsseitig des Zylinders liegt ein Über- druck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über die Bremsventile in den Abgas- strang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muss der Kolben im Verdichtungs- und Auss- chiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erzielt wird.
Über die Kombination der Blockiereinrichtung mit dem Turbobremssystem ist es möglich, hohe Luftmassenströme und entsprechend hohe Zylinderinnendrücke zu realisieren, die für die Errei- chung hoher Bremsleistungen notwendig sind, und zugleich einen schwingungsbedingten Ver- schleiss der Bremsventile zu verhindern.
Weitere Vorteile und zweckmässige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der schematisch eine Brennkraftma- schine mit einer Motorbremseinrichtung und einer Blockiereinrichtung für die Bremsventile der Motorbremse dargestellt ist.
Die Brennkraftmaschine 1, insbesondere die Brennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs, ist mit einer Motorbremseinrichtung zur Erzeugung von Motorbremsleistung ausgestattet. Die Motor- bremseinrichtung besteht aus Bremsventilen 2, die an jedem Zylinder am Zylinderausgang ange- ordnet sind und die zwischen einer Öffnungsstellung, die dem Motorbremsbetrieb zugeordnet ist, und einer Schliessstellung, die dem befeuerten Betrieb zugeordnet ist, verstellbar sind. Im Motor- bremsbetrieb befinden sich die Bremsventile 2 in Öffnungsstellung und der Brennrauminhalt der Zylinder wird in den Abgasstrang 19 abgeleitet, wobei die Bremsleistung durch die reibungsbehaf- tete Strömung durch den Ventilquerschnitt der Bremsventile erzeugt wird.
Zur Steuerung der Bremsventile 2 und insbesondere zur sicheren Arretierung der Bremsventile 2 in der Motorbremsphase in Öffnungsstellung ist eine Blockier- und Steuerungseinrichtung 3 vorgesehen, die dazu dient, die Bremsventile 2 in ihrer Öffnungsstellung zu arretieren. Die Blockiereinrichtung 3 ist hydraulisch ausgebildet und umfasst ein Reservoir 4 mit Hydraulikmedium, eine Hydraulik-Versorgungsleitung 5, eine Druckpumpe 6, ein Drosselventil 7 in der Versorgungs- leitung 5 sowie ein Sperrventil 8.
Über die Hydraulik-Versorgungsleitung 5 wird das von der Pumpe 6 geförderte Hydraulikmedi- um - in der Regel Öl - den Bremsventilen 2 zugeführt, die hydraulisch zwischen Öffnungs- und Schliessstellung verstellt werden können und alle von einer Zufuhrleitung 9 mit Hydraulikmedium versorgt werden. Die Zufuhrleitung 9 ist über eine Verbindungsleitung 10 mit der Hydraulik- Versorgungsleitung 5 der Blockiereinrichtung 3 verbunden. In der Abzweigung der Verbindungslei- tung 10 von der Hydraulik-Versorgungsleitung 5 ist das Drosselventil 7 angeordnet, im Schnittpunkt der Verbindungsleitung 10 mit der Zufuhrleitung 9 liegt das Sperrventil 8.
Zur Betätigung der Bremsventile wird die Druckpumpe 6 aktiviert, woraufhin Hydraulikmedium aus dem Reservoir 4 über die Versorgungsleitung 5, das Drosselventil 7, die Verbindungsleitung 10 und das geöffnete Sperrventil 8 in die die Bremsventile 2 versorgende Zufuhrleitung 9 gefördert
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wird, so dass die Bremsventile 2 entgegen der Kraft ihrer Bremsventilfedern in Öffnungsstellung versetzt werden.
Der Druck in der Zufuhrleitung 9 wird über einen Drucksensor gemessen. Sobald der Druck einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat, wird das Sperrventil 8 geschlossen und dadurch die Zufuhrleitung 9 von der Versorgung mit Hydraulikmedium über die Hydraulik-Versorgungsleitung 5 abgeschnitten. Durch die Blockierung der Zufuhrleitung 9 wird der Druck in der Zufuhrleitung auf den Sollwert fixiert ; die Bremsventile werden sicher in Öffnungsstellung gehalten.
Weiterhin ist ein mit der Zufuhrleitung 9 kommunizierender Ausgleichsbehälter 24 vorgesehen.
Der Ausgleichsbehälter 24 wird von einer Vorspanneinrichtung beaufschlagt, die beispielsweise als Kolben ausgebildet ist, auf den eine Feder mit harter Federkennlinie wirkt. Die Vorspanneinrichtung übt einen Druck auf das Hydraulikmedium in der Zufuhrleitung 9 aus, wodurch nach der Trennung der Verbindung von Zufuhrleitung 9 und Hydraulik-Versorgungsleitung 5 insbesondere kleinere Leckströme in der Zufuhrleitung 9 oder in den Bremsventilen 2 ausgeglichen werden können und das Druckniveau auf dem Sollwert gehalten werden kann.
Es kann auch zweckmässig sein, die Betätigung der Bremsventile zwischen Öffnungsstellung und Schliessstellung von der Blockiereinrichtung zu entkoppeln. In dieser Ausführung hat die Blockiereinrichtung keine die Bremsventile beaufschlagende Stellfunktion mehr, sondern dient nur der Arretierung der Bremsventile in Öffnungsstellung.
Gemäss einer weiteren Ausführung wird die Zufuhr des Hydraulikmediums zu den Bremsventi- len nicht abgeschnitten, sondern es wird sowohl in Schliessstellung als auch in Öffnungsstellung der Bremsventile die Hydraulikzufuhr aufrecht erhalten. Die Bremsventile werden über die Blockierein- richtung geöffnet und gegebenenfalls auch geschlossen. Die Haltestellung wird durch Aufrechter- haltung des für die Öffnung erforderlichen Druckes ohne Trennung der Zufuhrleitung von der Hydraulikversorgung erreicht. Die Bremsventile werden in der Öffnungsstellung durch die Blockier- einrichtung nicht arretiert, sondern nur gehalten. Diese Ausführung ist konstruktiv einfach zu reali- sieren.
Das Drosselventil 7 in der Hydraulik-Versorgungsleitung 5 kann auf Leerlaufstellung geschaltet werden, in der das Hydraulikmedium lediglich in der Versorgungsleitung 5 umgepumpt wird. Wei- terhin ist in der Versorgungsleitung 5 eine Abzweigung 12 vorgesehen, über die zusätzliche Verbraucher mit Hydraulikmedium versorgt werden können.
Zwischen dem Reservoir 4 und dem Motor ist eine Verbindung 11angedeutet, die ausdrücken soll, dass das Reservoir 4 der Blockiereinrichtung 3 zugleich ein Ölbehälter des Motors sein kann.
Zur Leistungssteigerung umfasst die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader 13 mit einer Turbine 14 im Abgasstrang 19 und einen Verdichter 15 im Ansaugtrakt 18. Der Abgasgegendruck stromauf der Turbine 14 ist variabel einstellbar ; ist die Turbine 14 mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie ausgestattet, die im Ausführungsbeispiel als Axialschieberturbine in Form eines axial verschieblichen Leitgitters 16 ausgeführt ist, welches von einem Stellelement 17 betätigbar ist. Die Turbine 14 wird von den unter dem Abgasgegendruck stehenden Abgasen im Abgasstrang 19 angetrieben und treibt ihrerseits über eine Welle den Verdichter 15 an, der die angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
Die verdichtete Luft wird dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt, wobei die Druckerhöhung eine Steigerung der Motorantriebslei- stung zur Folge hat.
Im Motorbremsbetrieb wird der Abgasturbolader 13 zur Erzeugung von Motorbremsleistung genutzt. Das axial verschiebliche Leitgitter 16 der Turbine 14 wird hierfür in eine Staustellung überführt, in der der wirksame Turbinenquerschnitt reduziert ist. Daraufhin baut sich ein erhöhter Abgasgegendruck auf, das Abgas strömt mit erhöhter Geschwindigkeit durch Kanäle zwischen den Leitschaufeln des Leitgitters 16 und trifft auf das den Verdichter 15 antreibende Turbinenrad, wodurch im Ansaugtrakt 18 der erhöhte Ladedruck aufgebaut wird. Zugleich werden die Bremsven- tile 2 am Zylinderauslass der Brennkraftmaschine 1 geöffnet, so dass die im Zylinder verdichtete Luft in den Abgasstrang 19 abgeblasen werden kann.
Die Bremsleistung kann durch die Position des Leitgitters 16 und der daraus resultierenden Einstellung des Turbineneintrittsquerschnitts beeinflusst werden.
Anstelle eines axial verschieblichen Leitgitters kann die variable Turbinengeometrie auch durch drehbare Schaufeln realisiert sein. Die Querschnittseinstellung wird in diesem Fall durch Drehung der Schaufeln bewerkstelligt.
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Alternativ zu einem einstellbaren Turbinenleitgitter kann die Turbine mit einer Klappe im Eintritt und stromauf des Eintritts abgehenden Beschleunigungskanälen, die unmittelbar hinter dem offe- nen Turbinenrücken enden, ausgestattet sein. Auch in dieser Ausführung ist der das Turbinenrad beaufschlagende Abgasstrom variabel einstellbar.
Die Brennkraftmaschine 1 umfasst weiterhin eine Regeleinheit 20, die über Signalleitungen 21, 22, 23 mit den Ventilen 7,8 der Blockiereinrichtung 3, mit der Vorspanneinrichtung und dem Druck- sensor der Zufuhrleitung 9 und mit dem Stellelement 17 für die Einstellung der variablen Turbinen- geometrie verbunden ist. In Abhängigkeit von Motor- und Betriebsparametern und -grössen und in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelstrategien werden Stellsignale erzeugt, um die Funktionen der Blockiereinrichtung, der Bremsventile und des Abgasturboladers zu koordinieren.
Der Öffnungs- und Schliessverlauf der Bremsventile sowie die Funktion des Abgasturboladers werden wie folgt realisiert:
Sobald Bremsleistung über die Motorbremse angefordert wird, wird der Turbinenquerschnitt über das vom Stellelement 17 einzustellende Leitgitter 16 reduziert. Zugleich werden die Brems- ventile in Öffnungsstellung versetzt, indem das Drosselventil 7 geschlossen wird, so dass ein Um- pumpen von Hydraulikmedium in der Versorgungsleitung 5 verhindert wird, und das Sperrventil 8 geöffnet wird, so dass das Hydraulikmedium der Versorgungsleitung 5 in die Zufuhrleitung 9 ein- strömen kann. Daraufhin füllen sich die Zufuhrleitung 9 sowie weitere Volumina in den Bremsventi- len 2 und der Ausgleichsbehälter 24 mit Hydraulikmedium, wodurch die Bremsventile gegen die Kraft ihrer Bremsventilfedern geöffnet werden.
Die Feder der Vorspanneinrichtung, die auf den Kolben im Ausgleichsbehälter 24 wirkt, spannt sich soweit vor, bis der vorgegebene Solldruck im Hydrauliksystem erreicht wird. Das Sperrventil 8 wird geschlossen und die Blockiereinrichtung 3 befindet sich in Haltestellung, in der der Druck in der Zufuhrleitung 8 vom Druck in der Hydraulik- Versorgungsleitung 5 entkoppelt ist. Gegebenenfalls wird das Drosselventil 7 geöffnet, so dass das Hydraulikmedium in der Versorgungsleitung 5 in das Reservoir 4 zurückströmt.
Die Messung des Systemdrucks in der Zufuhrleitung 9 kann über die Feder der Vorspannein- richtung erfolgen.
Zum Beenden des Motorbremsbetriebs werden die Bremsventile 2 wieder in Schliessstellung versetzt, indem die Blockiereinrichtung 3 in Freigabestellung versetzt wird. Hierfür wird das Sperr- ventil 8 geöffnet und es wird eine Rücklaufmöglichkeit für das Hydraulikmedium aus der Zufuhrlei- tung 9 geschaffen, so dass der Druck aus der Zufuhrleitung 9 über die Verbindungsleitung 8 in die Hydraulik-Versorgungsleitung 5 bzw. das Reservoir 4 entweichen kann und die Bremsventilfedern die Bremsventile schliessen können. Zeitgleich oder zeitverzögert zur Schliessung der Bremsventile wird der engste Turbinenquerschnitt durch entsprechende Verstellung des Leitgitters 16 über das Stellelement 17 geöffnet. Daraufhin ist die Motorbremsphase beendet, der befeuerte Betrieb kann einsetzen.
Ausser einer hydraulischen Betätigung der Blockiereinrichtung kann auch eine pneumatisch, elektrisch oder mechanisch ausgebildete Blockiereinrichtung zum Einsatz kommen.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Brennkraftmaschine mit einer Motorbremseinrichtung, die Bremsventile umfasst, über die der Brennrauminhalt der Zylinder in der Motorbremsphase ableitbar ist, wobei die Brems- ventile im Motorbremsbetrieb in Öffnungsstellung versetzt sind, wobei eine die Bremsventi- le beaufschlagende Blockiereinrichtung vorgesehen ist, die zwischen einer Haltestellung und einer Freigabestellung verstellbar ist, wobei in Haltestellung der Blockiereinrichtung die Bremsventile in Öffnungsstellung gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Regeleinheit (20) vorgesehen ist, die Stellsignale zur Betätigung des Turbinenquerschnitts, der Bremsventile (2) und/oder der Blockiereinrichtung (3) erzeugt.