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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Motorbremsvorrichtung für eine mehrzylindrige, 4-Takt-Brennkraftmaschine
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Es
ist bereits eine Motorbremsvorrichtung bekannt (
DE 34 28 626 C2 ), die mit
einem Zusatzventil ausgestattet ist, welches in einem Zylinderkopf untergebracht
ist und zum Abblasen eines in einer Brennkammer des Zylinders eingeschlossenen,
gasförmigen
Mediums vorgesehen ist. Derartige Zusatzventile sind auch als Konstantdrosselventile
bekannt und bilden ein wesentliches Bestandteil einer Motorbremse,
bei welcher durch die Nutzung des Konstantdrosselventils auch während eines
Kompressionstaktes der Brennkraftmaschine eine Motorbremsung erfolgen
kann. Durch das bei Bedarf vom Fahrer betätigte Zusatzventil im Zylinderkopf
wird Kompressionsarbeit vom Motor erbracht, die das Fahrzeug bremst.
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Zur
Erhöhung
der Bremsleistung ist es ferner bekannt, das Konstantdrosselventil
in Verbindung mit einem Abgasturbolader einzusetzen, was in der Fachwelt
unter dem Stichwort Turbobrake bekannt ist. Die Turbobrake baut
auf dem herkömmlichen
Turbolader auf, wobei durch eine vorgenommene Drosselung der Strömung vor
dem Abgasturbinenrad, zum Beispiel in Form eines Schiebers oder
in Form eines verstellbaren Leitgitters, eine Verjüngung des Durchflussquerschnittes
erfolgt, so dass es zu einer Beschleunigung der Abgase kommt. Dies
führt zu
einer Erhöhung
der Abgasturboladerdrehzahl und damit zu einer Steigerung des Ladedrucks,
was wiederum zu einer Erhöhung
der Motorbremswirkung führt. Im
unteren Motordrehzahlbereich der Brennkraftmaschine ergibt sich
aber nur ein relativ geringer Anstieg der Motorbremsleistung, da
hier die Aufladung mittels des Abgasturboladers noch Defizite aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Motorbremsvorrichtung
für eine
mehrzylindrige, 4-Takt-Brennkraftmaschine mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass vorwiegend
im unteren Motordrehzahlbereich eine Steigerung der Motorbremsleistung
erzielbar ist. Die vorgeschlagene Maßnahme ist sehr effektiv im
Bereich der unteren Motordrehzahl der Brennkraftmaschine, wobei
zur Realisierung nur geringfügige
Modifikationen notwendig sind, so dass eine rasche Umsetzung bei
einer Massenherstellung erfolgen kann.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Erhöhung
der Motorbremsleistung im unteren Motordrehzahlbereich im wesentlichen
unabhängig
vom Aufstauverhalten des Abgasturboladers, zum Beispiel durch ein eingeschobenes
Brems- bzw. Leitgitter oder bei einer variablen Turbinengeometrie
(VTG) durch Verstellen der variablen Leitschaufeln.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Motorbremsvorrichtung möglich.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schemazeichnung einer
Motorbremsvorrichtung für
eine aufgeladene, mehrzylindrige, 4-Takt-Brennkraftmaschine gemäß einem
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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2 einen Luftsammler gemäß einem zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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3 eine Schemazeichnung einer
Verbindungsweise der Kanäle
für die
Zusatzventile einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine in Reihenbauweise
gemäß einem
dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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4 eine Schemazeichnung einer
Verbindungsweise der Kanäle
für der
Zusatzventile einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine in Reihenbauweise
gemäß einem
vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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5 eine Darstellung der zugehörigen Takte
der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine nach 4 aufgetragen über den Kurbelwinkel, wobei
mit eingezeichneten Pfeilen die zugehörige Verbindung der Kanäle für die Zusatzventile
angedeutet wird,
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6 eine Schemazeichnung einer
Verbindungsweise der Kanäle
für die
Zusatzventile einer sechszylindrigen Brennkraftmaschine in V-Bauweise gemäß einem
fünften
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
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7 eine Darstellung der zugehörigen Takte
der einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine nach 6 aufgetragen über den Kurbelwinkel, wobei
mit eingezeichneten Pfeilen die zugehörige Verbindung der Kanäle für die Zusatzventile
angedeutet wird.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
den Ausführungsbeispielen
sind alle gleichen oder gleichwirkenden Teile mit denselben Bezugszeichen
gekennzeichnet. Die 1 zeigt
schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Motorbremsvorrichtung für eine aufgeladene,
mehrzylindrige, 4-Takt-Brennkraftmaschine. Von der Brennkraftmaschine
ist lediglich ein Zylinder 1 dargestellt, der mit einem
Abgasturbolader 50 verbunden ist. Der Zylinder 1 weist
einen Zylinderkopf 12 auf, der über einen Einlasskanal 14,
zumindest einem Einlassventil 15, einen Auslasskanal 16 und
zumindest einem Auslassventil 17 verfügt. Neben dem Einlasskanal 14 und
Auslasskanal 16 ist ein Zusatzventil 8 im Zylinderkopf 12 angeordnet,
welches auch als Dekompressionsventil oder Drosselventil bezeichnet
wird. In Offenstellung des Zusatzventils 8 wird ein Arbeitsraum 19 des
Zylinders 1 mit dem Auslasskanal 16 verbunden.
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Es
ist vorgesehen, das Zusatzventil 8 in einer Motorbremsphase
des Fahrzeugs ständig
offen zu halten. In Offenstellung des Zusatzventils 8 gelangt das
im Arbeitsraum 19 eingeschlossene, gasförmige Medium über eine
vom Zusatzventil 8 bzw. Ventilteller freigegebene Einströmringfläche 103 in
einen, einen Zusatzventilschaft 9 zumindest teilweise umgebenden
Raum 20 und, wie der Pfeil 21 zeigt, vom Raum 20 über eine Öffnung 26 mit
einer Abströmfläche 101 in
den Auslasskanal 16. Die Öffnung 26 stellt eine
erste Strömungsverbindung 23 vom
Raum 20 des Zusatzventils 8 zum Auslasskanal 16 dar.
Erfindungsgemäß ist nun
eine. weitere, zweite Strömungsverbindung 24 vorgesehen,
die auch vom Raum 20 abzweigt und zumindest teilweise sich
im Zylinderkopf 12 in Form eines ausgenommenen Kanals erstreckt.
Denkbar ist neben der vollständigen Ausführung als
Kanal im Zylinderkopf 12 auch eine Ausführung als teilweise separate
Leitung, die sich außerhalb
des Zylinderkopfes 12 befindet. Wie der Pfeil 25 andeutet,
strömt
das im Raum 20 vorliegende gasförmige Medium über eine
Auslassöffnung 31 der
zweiten Strömungsverbindung 24 zu
weiteren, nicht näher
dargestellten Kanälen
der anderen Zylinder der Brennkraftmaschine. Die Auslassöffnung 31 der
zweiten Strömungsverbindung 24 weist
einen Durchströmquerschnitt 102 auf.
Die nicht näher
dargestellten weiteren Kanäle
der anderen Zylinder führen,
in gleicher Weise wie in 1 dargestellt,
zu einem Raum um einen Schaft eines vorgesehenen Zusatzventils.
In Offenstellung dieses Zusatzventils ergibt sich eine Strömungsverbindung
vom Kanal über den
Schaftraum des Zusatzventils mit einem Arbeitsraum bzw. Brennraum
eines weiteren Zylinders der Brennkraftmaschine.
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Im
Kompressionstakt drückt
ein Kolben
27 das komprimierte gasförmige Medium, insbesondere verdichtete
Luft, aus dem Arbeitsraum
19 über das offene Zusatzventil
8 durch
die Abströmfläche
101 in den
Abgaskanal
16 und von diesem weiter über eine weiterführende Abgasleitung
40 in
eine Turbine
41 des Abgasturboladers
50. Der Abgasturbolader
50 weist
die Abgasturbine
41 und einen Ladeluftverdichter
42 auf,
die beide über
eine gemeinsame Welle
43 drehfest miteinander verbunden
sind. Die Abgasturbine
41 besitzt zum Beispiel ein variabel
gestaltetes Leitgitter
44, mit dem der Einlassquerschnitt
für das auf
das Laufrad der Abgasturbine
41 strömende Abgas steuerbar ist.
Eine derartige Ausführung
des Abgasturboladers
50 ist dem Fachmann unter dem Begriff
variable Turbinengeometrie (VTG) hinreichend bekannt. Hierzu kann
für den
Aufbau des Abgasturboladers beispielhaft die
DE 199 05 637 C1 oder
EP 1227 221 A2 hingewiesen
werden. Denkbar ist auch der Einsatz von Abgasturboladern, die über einen axial
verschiebbaren Schieber zum Verändern
der Strömungsverhältnisse
an der Turbine ausgestattet sind. Durch Einschieben des Schiebers
ergibt sich eine Drosselung der Strömung der Abgase auf die Turbine,
wodurch es zu einer Beschleunigung des Abgases und damit zu einer
Erhöhung
der Drehzahl des Abgasturboladers kommt. Der Aufbau derartiger Abgasturbolader
ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Ergänzend wird auf die
DE 199 55 508 C1 und
DE 199 24 228 C2 hingewiesen.
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Eine
Saugseite 47 des Ladeluftverdichters 42 ist mit
einer Ladeluftleitung 48 verbunden. Von einer Druckseite 49 des
Ladeluftverdichters 42 führt die Ladeluftleitung 48 zum
Einlasskanal 14. Der Auslasskanal 16 ist über die
Abgasleitung 40 mit einem Einlassstutzen 45 der
Abgasturbine 41 verbunden, dessen Auslassstutzen 46 zu
einer Auspuffleitung 53 führt. Über ein Abblaseventil 52 (wastegate)
kann bei Bedarf ein Teil der Abgase über die Turbine 41 hinweg
direkt in die Auspuffleitung 53 abgegeben werden. Das variabel,
beispielsweise durch Drehschieber verstellbar gestaltete Leitgitter 44 ist
in bekannter Art und Weise über
einen Steller 51 in seinem Durchströmquerschnitt und/oder seinem
Drall veränderbar, wobei
je nach Motorbremsleistungsanforderungen des Fahrers eine entsprechende
Verstellung des Leitgitters 44 erfolgt.
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In
Phasen des Expansions- wie auch im Ansaug- und zu Beginn des Kompressionstaktes
kommt es zu Rückströmungen der
in der Turbine 41 aufgestauten Luft zum Auslasskanal 16 und über die
erste Strömungsverbindung 23 mit
Abströmfläche 101 in den
Raum 20 und von diesem über
das konstant offene Zusatzventil 8 in den Arbeitsraum 19 des
Zylinders 1. Durch die vom Raum 20 ebenfalls abzweigende,
erfindungsgemäße zweite
Strömungsverbindung 24 erfolgt
ebenfalls eine Rückströmung von
gasförmigem
Medium über
das offene Zusatzventil 8 in den Arbeitsraum 19 des
Zylinders 1, welches aber aus den anderen Zylindern der
Brennkraftmaschine stammt. Damit ergibt sich im Motorbremsbetrieb
eine vorteilhafte Rückaufladung
mit dem gasförmigen
Medium aus den benachbarten Zylinder. Das Zusatzventil 8 ist
von einem nicht näher
dargestellten, beispielsweise hydraulisch ausgebildeten Aktuator
entsprechend betätigbar.
Eine aufwendige Taktungsvorrichtung für das Zusatzventil 8 ist
nicht erforderlich, da dieses Ventil 8 im Motorbremsbetrieb
dauernd geöffnet
bleibt.
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Durch
die Strömungsverbindung 24 ergibt sich
auch, dass komprimierte Luft aus dem Arbeitsraum 19 zu
den benachbarten Zylindern geleitet werden kann. Neben der direkten
Leitung des gasförmigen
Mediums zu den benachbarten Zylindern kann die Zuleitung auch indirekt über einen
in 2 dargestellten Luftsammler 200 erfolgen.
Der Luftsammler 200 ist rohrförmig ausgebildet und verfügt über einzelne
Anschlüsse 24,
die weiter im Zylinderkopf 12 zu den Zusatzventilen 8 bzw.
deren Räumen 20 führen.
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Die
Rezirkulationsrate bzw. die Rückaufladung
wird über
die Summe der Strömungsquerschnitte
der Strömungsverbindungen 23, 24 mit
Ages = A101 + A102 und dem Quotienten Q = A102/Ages maßgeblich
beeinflusst. Denkbar ist hier auch der Grenzfall, dass der engste
Strömungsquerschnitt
A101 sehr klein ggf. auch Null ist (Q =
1.0). Dies bedeutet, dass die Luft nur über das Auslassventil 17 den
Motor verlassen kann und eine größere Dissipation
des Druckes dabei nur in der zweiten Strömungsverbindung 24 mit
der Durchströmfläche 102 erfolgt.
Markant dürfte
auch der Quotient Q = 0.5 sein, bei dem Flächengleichheit A101 =
A102 vorliegt. Kennzeichnend ist der Stand
der Technik somit mit einem Quotienten Q = 0. Es hat sich zur Dimensionierung
als vorteilhaft herausgestellt, diese in einem Bereich von 0,3 – 1.0 für den Quotienten
Q vorzunehmen. Für
die Festlegung der Gesamtfläche
Ages der Kanäle 23, 24 gilt Ages = A101 + A102. Für
die Auslegung ist weiter folgender Bereich von A = Ages/Akolben > 2
Promille und < 12 Promille
vorzusehen, wobei unter Akolben die Stirnfläche des
Kolbens 27 zu verstehen ist.
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Bei
dem in 2 gezeigten Luftsammler 200 ist
es bei einem aufwendigeren Motorbremssystem zur weiteren Motorbremsleistungssteigung
möglich, diesen über einen
Luftretarder 300 zu speisen. Der Luftretarder 300 wäre vorzugsweise
eine Druckluftpumpe nach dem Verdrängerprinzip, die auch für eine allgemeine
Bordluftversorgung eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzfahrzeugs
genutzt werden könnte.
Die Leistungsabnahme des Luftretarders 300 erfolgt direkt
am Motor oder an einer entfernteren noch passenden Stelle des Antriebsstrangs,
was eine zusätzliche
Bremswirkung bedeutet. Für
den Fall, dass der Wärmehaushalt
es erfordert, könnte die
Retarderluft vor dem Einströmen
in den Luftsammler 200 noch über einen Kühler 301 entsprechend
in ihrer Temperatur abgesenkt werden. Der Luftsammler 200 stellt über Anschlussleitungen 24, die
im Zylinderkopf 12 weitergeführt sind, eine Verbindung zu
den Zusatzventilen 8 bzw. deren Raum 20 her.
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In
den 3 und 4 werden weitere Schaltungsbeispiele
der zweiten Strömungsverbindung 24 zwischen
den Zylindern 1 gegeben. Wie in 3 gestrichelt eingezeichnet ist, ist
es möglich,
die Strömungsverbindungen 24' aller Zylinder 1 – 4 einer Brennkraftmaschine
ohne eine Berücksichtigung
der Taktzuordnung der einzelnen Zylinder 1 direkt miteinander
zu verknüpfen.
Diese Möglichkeit
ist bei beengten Einbauverhältnissen
zu wählen.
Sind die Bauraumzwänge
für die
betreffenden Kanäle 24 nicht dominierend,
lässt sich
eine Optimierung der Zylinderverbindungen 24 hinsichtlich
maximal möglicher Bremsleistungen
durchführen.
Als bremsleistungsmindernd ist offensichtlich, wenn eine Verbindung zwischen
Zylindern besteht, bei der ein Kolben sich in der Kompressionsphase
und der andere sich in der expandierenden Phase befindet. Bei dieser
nicht vorteilhaften Verbindungswahl wird ein Teil der Kompressionsenergie
im Expansionstakt des Nachbarzylinders in Arbeit umgesetzt, wodurch
die Bremsleistung geschmälert
wird.
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Als
vorteilhaft hat sich die in 3 dargestellte
Verbindungsweise der Kanäle 24 ergeben,
bei der keine Kopplung der Zylinder erfolgt, die ungünstigerweise
simultan gerade das gasförmige
Medium komprimieren und expandieren. Anzustreben ist somit, einen
Zylinder, der sich in der Kompressionsphase befindet mit einem Zylinder
zu koppeln, der sich in der Ausschiebephase befindet, da in diesem
Zylinder dann eine Rückaufladung
aus dem komprimierenden Zylinder erfolgt. Es hat sich als vorteilhaft
herausgestellt, den äußeren Zylinder 1 mit
dem äußeren Zylinder 4 und
die inneren Zylindern 2 und 3 miteinander über zwei
Anschlussleitungen bzw. Kanäle 24 zu
verbinden. Entsprechende Pfeile 30 kennzeichnen die in den
jeweiligen Zylindern vorliegenden Takte, deren Taktfolge (An = Ansaugen,
Kom = Komprimieren, Ex = Expansion, Aus = Ausschieben) in 3 jeweils neben den jeweiligen
Zylinder horizontal dargestellt ist. Die Lösung gemäß 3 bezieht sich auf eine Zündfolge
der Zylinder 1-3-4-2.
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Ist
die Zylinderzahl höher
als 4, ist im ersten Optimierungsschritt darauf zu achten, dass
die Phasenüberschneidungen
der verbundenen Zylinder, die sich simultan in der Expansions- und
Kompressionsphase befinden, minimal ist. Für Sechszylindermotoren gemäß 4 und 6 hat sich folgende Schaltungsmöglichkeit
als vorteilhaft ergeben: Bei einem Sechszylinderreihenmotor mit
der Zündfolge 1-5-3-6-2-4
die Verbindung über
drei Anschlussleitungen bzw. Kanäle 24 der
Zylinder 1 und 6, dann weiter nach innen folgend
die Zylinder 2 und 5 und die Zylinder 3 und 4.
Bei einem V-Motor gemäß 6 mit einer Zündfolge
1-4-2-5-3-6 eine Verbindung über drei
Anschlussleitungen bzw. Kanäle 24 der
gegenüberliegenden
Zylinder 1 einer ersten Bank (links dargestellt) mit dem
mittleren Zylinder 5 einer zweiten Bank (rechts dargestellt)
und den mittleren Zylinder 2 der ersten Bank mit dem Zylinder 6 der
zweiten Bank und den Zylinder 3 der ersten Bank mit dem
Zylinder 4 der zweiten Bank.
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Die 5 und 7 zeigen aufgetragen über den Kurbelwinkel den jeweiligen
Arbeitszustand der Zylinder, wobei die 5 den Arbeitszustand des Sechszylinder-Reihenmotors
gemäß 4 und 7 den Arbeitszustand des Sechszylinder-V-Motors
gemäß 6 zeigt. Eingezeichnete
Pfeile 30 kennzeichnen die entsprechenden Verbindungen
für die
Kanäle 24 der
Zylinder 1 bis 6 untereinander. Die einzelnen
Verbindungen der Zylinder 1 bis 6 sind stets so
gewählt,
dass es zu einem Umblasen aus einem Zylinder, der sich in der Kompressionsphase
befindet, in einen Zylinder kommt, der sich gerade in der Ausschubphase
befindet. Die erfindungsgemäße Motorbremsvorrichtung
ist zum Einsatz insbesondere in Nutzfahrzeugen vorgesehen.