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Einrichtung zum Umsteuern von Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen
zur Verwendung als Motorbreinse für Fahrzeugbetrieb Die Erfindung bezieht sich auf
eine Einrichtung zum Umsteuern von Viertakt-Hubkelben-Brennkraftmaschinen zur Verwendung
als Motorbremse für Fahrzeugbetrieb.
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Die beispielsweise bei Fahrzeugdieselmotoren am häufigsten verwendete
dritte, nicht erschöpfbare Bremse besteht in der Anordnung eines Verschlußorgans
im Auspuffrohr. Voraussetzung für die Verwendung einer solchen, durch Rückstan arbeitenden
Bremse ist, daß der Dieselmotor einen mechanischen Regler (oder auch einen hydraulischen
Regler), d. h. kein Drosselorgan in der Ansaugeleitung zur Regelung der Einspritzpumpe
aufweist.
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Eine solche Rückstaubremse ist zwar einfach und auch genügend wirksam,
sie hat jedoch einige Nachteile. Vor allen Dinaen wird während des Bremsens der
für den Diesehnotor kennzeichnende Luftdurchfluß vom Ansaugfilter zum Auspufftopf
durch Schließen der Bremsklappe aufgehoben, und das zwischen Motor und Bremsklappe
eingeschlossene Luftvolumen wird (abgesehen von den kleinen Luftmengen, die durch
das undichte Verschlußorgan im Auspuffrohr ins Freie abströmen) heftig hin- und
hergeschoben. Unter der Wirkung der mit dem Produkt der Drehzahl und Anzahl der
Zylinder (bei Viertaktern geteilt durch 2) schwingenden Luftsäule zwischen Motor
und Bremsklappe sowie infolge der erzeugten Druckspitzen im Auspuffkrümmer des Motors
werden dann abgelagerte Verbrennungsrückstände im Auspuffkrümmer losgerissen und
hin- und hergeworfen. Da nun bei derartigen Rückstaubreinsen der Staudruck mitunter
die Schließkraft der Auslaß-Ventil-Federn übersteigt, können die Auslaßventile durch
den Rückstau der Gase aufgedrückt und so die Ruß- und ölkohleteilchen in den Arbeitszylinder
gefördert werden, was dann zu einer inneren Verschmutzung der Maschine und zu einer
Abnutzung der Zylinder- und Kolbenlaufilächen bzw. der Kolbenringe führt. Diese
Verbrennungsrückstände können sogar durch die beim Bremsen entstehenden eigenartigen
Schwingungen der Luftsäule bei geöft-ZD tD netem Einlaßventil bis in das Luftfilter
gelangen, so daß dieses vorzeitig verschmutzt. Bei Motoren mit Gebläseaufladuno,
wird auf diese Art zusätzlich das Gebläse verunreinigt, d. h., es wird mit
Verbrennungsablagerungen in Verbindung mit feinem Schmieröldunst belegt, so daß
die Leistung des Gebläses vermindert wird. Außerdem können die Ab-
lagerungen
eine Unwucht erzeugen, die Schäden zur CD
Folge haben kann.
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Die ideale Motorbremse sollte demnach für die Erhaltung des Luftstromes
durch den Motor in der natürlichen Richtung sorgen,'d. h., auch beim Bremsen darf
der dem Hubvolumen des Motors entsprechende, vom Luftfilter kommende Luftdurchsatz,
durch den Motor gehend und schließlich zum Schalldämpfer austretend, nicht unterbrochen
bzw. umgelenkt oder gehemmt werden.
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Solche Motorbremsen sind an sich bekannt. Sie arbeiten beispielsweise
mit längsverschiebbaren Nokkenwellen, wodurch die Steuerzeiten des Motors in geeigneter
Weise geändert werden und so ein höherer Bremseffekt erzielbar ist. Der Aufivand
für eine solche Ausführung ist jedoch beträchtlich und auch der Platzbedarf in Richtung
der Motorlängsachse, und sie ist auch verschleißmäßig nicht besonders günstig, weil
schon durch geringe Abnutzung der notwendigen Längs- oder Spiralnuten auf der Nockenwelle
die Steuerzeiten des Motors empfindlich gestört werden können. Bei Motoren mit direkter
Einspritzuno, ist unter Umständen Gefahr für Aufschla-en der Ventile auf den Kolbenboden
gegeben.
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Eine andere bekannte Art der Motorbremsung besteht darin, daß eine
Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, bei welcher von der Brennkraftmaschine zusätzlich
zur bremsenden Verdichtungsarbeit noch Arbeit zur Erzeugung von Unterdruck aufgebracht
wird. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Gleichstromspülung,
also um eine andere Maschinengattung. Außerdem weist die bekannte Brennkraftmaschine
für den Einlaß eine Schlitzsteuerung und für den Auslaß eine Ventilsteuerung auf.
Bei einer derartigen Gaswechselsteuerung ist aber im normalen Betrieb beim Arbeitstakt
des
Kolbens das Auslaßventil ohnehin geschlossen, während die Spülschlitze erst ganz
am Ende des Arbeitstaktes des Kolbens geöffnet werden. Beim Motorbremsen unter Sperrung
der Brennstoffzufuhr wird die Nockenwelle in ihre Bremsstellung verdreht; es entsteht
dann in jedem Fall ein Unterdruck im Arbeitszylinder. Diese Steuervorgänge sind
aber gegenüber einer Viertakt-Brennkraftmaschine grundverschieden, so daß hieraus
keine Anregungen zur Übertragung einzelner Maßnahmen hergeleitet werden können,
zumal dem bekannten Lösungsvorschlag in erster Linie das Problem zugrunde lag, neben
einer wirksamen Motorbremsung eine günstige Stellung der Steuerglieder für das Anlassen
und Durchdrehen des Motors zu erhalten.
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Schließlich wurde bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine schon vorgeschlagen,
die Steuerung des Auslaßventils für die Dauer der Bremsung derart zu beeinflussen,
daß das Auslaßventil beim Verdichtungstakt des Kolbens, und zwar kurz vor Ende des
Verdichtungstaktes, geöffnet und im oder angenähert im oberen Totpunkt des Kolbens
vor öffnung des Einlaßventils wieder geschlossen wird. Von dieser Steuerung,sart
wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen.
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Erfindungsgemäß erfolgt das öffnen der Auslaßventile zusätzlich zu
den öffnungszeiten der Ein- und Auslaßventile für den Leistungslauf der Maschine,
und die Einlaßventile werden beim auf den Verdichtungstakt folgenden Auswärtshub
des Kolbens kurz vor dem unteren Totpunkt zusätzlich geöffnet und noch vor dem öffnen
des Auslaßventils wieder geschlossen.
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Demnach vermeidet die vorliegende Erfindung nicht nur die Bremsklappe
und die konstruktiven Nachteile einer längsverschiebbaren Nockenwelle, sondern erhält
unter allen Umständen die exakten Steuerzeiten des Motors aufrecht, weil die beim
Motorbremsen wirksamen Teile beim normalen Leistungslauf des Motors nicht in Tätigkeit
sind; eine allenfalls eintretende Abnutzun- dieser Teile wirkt sich daher auf die
Steuerzeiten nicht aus.
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Die erfindungsgemäße Bremswirkung entsteht wie folgt. Die vom Kolben
angesaugte und hochverdichtete Luft wird kurz vor dem oberen Totpunkt durch kurzzeitiges
öffnen des Auslaßventils mittels eines an sich bekannten Hilfsnockens entspannt
durch Ab-
lassen in die Auspuffanlage. Der diesem Verdichtungshub nun folgende
Ansaugtakt beginnt bei geschlossenen Ventilen; es baut sich so im Arbeitszylinder
ein Unterdruck auf, der im Fall des Bremsens Leistung benötigt, also auf den Motor
bremsend wirkt und außerdem die Wirkung des ebenfalls Leistung verbrauchenden Verdichtungshubes
ergänzt. Kurz vor dem unteren Totpunkt wird durch kurzzeitiges öffnen des Einlaßventils,
mittels eines Hilfsnockens, das Ansaugen von Frischluft herbeigeführt, und sobald
der Unterdruck abgebaut ist, wird das Einlaßventil wieder geschlossen, und zwar
noch vor öffnen des Auslaßventils.
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Würde gegen Ende des sonst üblichen Arbeitshubes des Motorkolbens,
wie es die Ventilsteuerung beim Leistungslauf des Motors vorsieht, das Auslaßventil
etwa 30 bis 40' vor U. T. geöffnet werden, dann würde
in den fast luftleeren Zylinder unreines Gas (wenngleich fast nur Luft) aus dem
Auspuffsammelrohr in den Zylinder rückgesaugt werden. Die Folge hiervon wäre, daß
die für die ideale Bremse aufgestellte Grundsatzforderung nach dem ungehemmten Gleichstrom-Luftdurchsatz
nicht erfüllt wäre, so daß ebenso eine Verschmutzungsgefahr für den Motor bestünde,
wie bei der Rückstaubremse mittels einer Verschlußklappe im Auspuffrohr. Aus diesem
Grunde gehört zur erfindungsgemäßen Einrichtung das Merkmal, vor der nach dem Leistungslauf-Steuerdiagramm
erfolgenden Eröffnung des Auslaßventils erst das Einlaßventil zu öffnen, wodurch
Frischluft mit großer Intensität in den nahezu luftleeren Zylinder stürzt und in
ihm, durch Trägheitswirkung, sogar einen leichten Überdruck erzeugt, und dann das
Einlaßventil wieder zu schließen. Macht dann kurz nachher das Auslaßventil bestimmungsgemäß
auf, so strömt - wie vorher gesagt, die Luft zum Auspuffrohr bzw. wird dorthin
ausgeschoben (Auspufftakt).
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Daran anschließend erfolgt dann der regelrechte Ansaughub, und das
Spiel wiederholt sich. Bremsleistung erzeugende Hübe sind demnach der Verdichtungshub
und ein Teil des dem Arbeitstakt entsprechenden Hilfs-Saughubes, solange die Ventile
geschlossen sind.
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In konstruktiver Hinsicht wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
vorgeschlagen, auf der Nockenwelle jedem Einlaß- und Auslaßnocken in an sich bekannter
Weise mindestens einen Hilfsnocken zuzuordnen und einen doppelarmigen Hebel vorzusehen,
der in seinem mittleren Teil an einem Winkelhebel drehbar gelagert ist, wobei das
eine Ende des doppelarinigen Hebels, wie ebenfalls an sich bekannt, als Einschiebezunge
ausgebildet ist und das andere Ende durch eine Zug- oder Wickelfeder auf einen in
seiner Höhe verstellbaren Gleitansatz gedrückt wird und auf demselben gleitet. Dabei
ist die Einschiebezunge für den Hilfsnocken an einem Winkelhebel drehbar gelagert;
sie wird durch eine federnde Raste od. dgl. in ihrer vorgesehenen Winkelstellung
gehalten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung für die Einschiebezunge besteht
darin, daß diese an ihrem einen Ende gelenkig und durch eine Rast od. dgl. in ihrer
vorgesehenen Grundstellung gehalten, an einem federbelasteten Kolben für einen Servomotor
drehbar auf einem Bolzen gelagert ist und durch den Kolben eingeschoben wird.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Brennkraftmaschine dargestellt. Es zeigen F i g. 1 bis 4 die bekannte Arbeitsweise
einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine, welche hier nur zum Zwecke der Gegenüberstellung
zur Erfindung dargestellt ist, F i g. 5 und 6 das erfindungsgemäße
Steuerdiagramm, wobei in den Nebenfiguren 5 a bis 5 c und 6a bis 6c
die jeweils zugeordneten Kolben- und Ventilstellungen schematisch dargestellt sind,
F i g. 7 und 8 im Vertikalschnitt Teile (Einschiebezunge usw.)
je einer Ausführung der zum Bremsen eingerichteten Brennkraftmaschine, Fig.
7A und 8A je einen Teilquerschnitt zu Fig. 7 und
8,
F i g. 9 ein weiteres Beispiel für die Ausbildung einer Einschiebezunge,
F i g. 10 eine hydraulisch oder pneumatisch betätigte Einschiebezunge und
F i g. 10 A ein Steuerschema für eine pneumatisch betätigte Bremsanlage.
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C
In den schematischen Darstellungen nach den
F i g. 1 bis 4 bedeuten jeweils 1 den Arbeitszylinder des Viertaktmotors,
2 den Motorkolben und E und A
jeweils das Einlaß- bzw. Auslaßventil.
Dabei zeigt F i g. 1 den Ansaugtakt, F i g. 2 den Verdichtungstakt,
F i g. 3 den Arbeitstakt und F i g. 4 den Ausschiebetakt des Motors
bei Leistungslauf. Durch die Pfeile 3, 4, 5 und 6 ist die den
einzelnen Takten zugeordnete Kolbenbewegung angedeutet.
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In F i g. 6 ist die Nockensteuerung für die erste Umdrehung
des Motors in Richtung des Pfeiles 11
dargestellt. Hierbei sind die einzelnen
Motorteile mit den cyleichen Bezugsziffern, wie in F i g. 5 bezeichnet. F
i g. 6 a zeigt hier den üblichen Ansaugtakt I, wobei das Einlaßventil
E kurz nach der unteren Kolbentotpunktstellung U. T.
12 wieder geschlossen wird. Danach beginnt beim Einwärtshub des Kolbens 2 die Verdichtung
11 und damit die Bremsung (F i g. 6 b).
Noch vor Erreichen der oberen
Kolbentotpunktlage öffnet das Auslaßventil A im Punkt 13, wie das
in F i 6 c schematisch dargestellt ist, so daß die hochverdichtete Luft aus
dem Arbeitszylinder in den Auslaßkanal 10 überströmt. Bei einer weiteren
Drehundes Motorkolbens über die obere Totpunktlage hinaus beginnt dann die in F
i g. 5 a erläuterte Ansaugbremsung III. Gemäß dem Steuerdiagramm nach F i
g. 5 A hat sich zu Beginn der zweiten Umdrehung III des Motors im
Arbeitszylinder 1 ein bremsender Unterdruck aufgebaut, wobei das Einlaß-und
Auslaßventil E und A etwa seit Beginn des Auswärtshubes des Kolbens
2 geschlossen sind. Wenn dann der sogenannte Hilfseinlaß bei 7 öffnet (F
i g. 5 b), strömt die Luft aus dem hier nur angedeuteten Einlaßkanal
8 in den Arbeitszylinder mit hoher Geschwindigkeit ein. Das Einlaßventil
E wird noch vor Erreichen der unteren Kolbentotpunktstellung U.
T. bei 9 und vor Öffnen des Auslaßventils wieder geschlossen. Danach
erfolgt der übliche Ausschiebetakt IV, unter Öffnung des Auslaßventils
A,
wie das aus F i g. 5 c hervorgeht, so daß die Luft beim Einwärtshub
des Kolbens in den Auslaßkanal 10
überströmt. Durch den Pfeil 11 ist
die Drehrichtung des Viertaktmotors angezeigt.
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Diese Darstellungen in den F i g. 5 und 6 zeigen deutlich,
daß durch die Bremssteuervorgänge die eigentlichen Steuerzeiten der Ventile für
den Leistungslauf des Motors in keiner Weise beeinflußt werden.
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Die geschilderte Rhythmik der Ventile ist erfindungsgemäß möglich
durch Hinzunahme von Hilfsnocken zu den vorhandenen zwei Steuernocken. Die Kosten
hierfür sind unbedeutend, da die Herstellung des Gesenkes zum Vorschmieden der Nocken
eine einmalige Vorleistung ist; dies trifft ebenso für die Paketierung der Meisternocken
zum Schleifen der Nockenwelle auf einer Kopier-Dreh- und/oder Schleifmaschine zu.
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F i g. 7 zeigt schematisch eine mögliche Ausführung für eine
Motorbremsung nach der Erfindung, und zwar ohne daß die Nockenwelle verschoben oder
sonstwie beeinflußt zu werden braucht. In dieser Figur bedeutet 14 einen Teil des
Zylinderblockes des Motors mit einem Ventilstößel 15, beispielsweise für
ein hier nicht weiter dargestelltes Auslaßventil. Die Nockenwelle 16 zeigt
den Auslaßnocken 17. Diesem Auslaßnocken ist ein Hilfsnocken 18 zugeordnet,
der gegenüber dem Hauptauslaßnocken so versetzt angeordnet ist, daß der Auslaß beim
Umsteuern des Motors als Bremsmotor kurz vor der oberen Totpunktstellung des Kolbens
bei dessen Kompressionsbremshub zusätzlich zum eigentlichen Leistungstakt des Motors
geöffnet wird, wie das in F i g. 6 c dargestellt ist. Hierzu bleibt die Wirkungsweise
des Auslaßhauptnockens unbeeinflußt. Dieses zusätzliche Öffnen des Auslaßventils
A erfolgt derart, daß eine Zunge 20 zwischen den Ventilstößel 15 und
den sich in Richtung des Pfeiles 19 drehenden Hilfsnocken 18 geschoben
wird. Kinematisch wird das im vorstehenden Ausführungsbeispiel so durchgeführt,
daß diese Zunge als ein zweiarmiger Hebel ausgebildet ist, dessen einer Hebelarin
in die genannte Einschiebezunge 20 ausläuft und in rückwärtiger Verlängerung den
zweiten Hebelarm 20a bildet, wobei diese beiden Hebelarme 20 bzw. 20a ein einziges
Stück bilden. Der Hebel 20, 20 a ist auf dem Hebel 20 b bei 120
b
drehbar gelagert, wobei der Hebel 20b auf der Bremsbetätigungswelle
220b festgeklemmt ist. Die beiden Hebel 20, 20 a und 20
b werden beispielsweise durch eine Zugfeder21 oder eine Wickelfeder21a gegeneinandergedrückt,
so daß der Hebel 20a stets gegen eine Stütze 22 angedrückt wird und so die Einschiebezunge
20 stets in einer Lage verbleibt, in der sie, wie nachstehend noch beschrieben wird,
in ihre Wirkstellung gebracht werden kann, wobei die Einschiebezunge in Wirkstellung
mit dem ihr zugeordneten Hilfsnocken in einer Ebene liegt.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Zum gegebenen Zeitpunkt
wird der Hebel 20b in Richtung des Pfeiles 23 um etwa 60' verdreht,
wodurch sich der Hebel 20, 20a, geführt durch die Stütze 22, in den Zwischenraum
zwischen Ventilstößel und Grundkreis des Hilfsauslaßnockens 18
einschiebt.
Sobald dann der Hilfsauslaßnocken bei seiner Umdrehung auf der Fläche der Einschiebezunge
abgleitet, wird das Auslaßventil geöffnet und zum vorgesehenen Zeitpunkt wieder
geschlossen.
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Für die Konstruktion ist es wichtig, daß der Durchmesser des Wellenschaftes
2 r so gewählt wird, daß der Radius des Grundkreises R, z. B. des Auslaßnockens,
der Bedingung genügt C
h < (R-r), wobei h die Höhe einer
Zunge 20 ist, welche mit dem Hilfsauslaßnocken 18, mit dem sie in einer Ebene
liegt, zusammenarbeiten soll, wenn die Motorbremse betätigt wird. Der Radius des
Kopfkreises des Hilfsnockens 18, Z, ist zu wählen nach der Bedingung
r < Z < R,
wobei von der Möglichkeit, daß Z =
R sein kann, kein Gebrauch gemacht werden sollte.
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Beim Einlaßhauptnocken E ist, analog wie für den Auslaßhauptnocken
A beschrieben, ebenfalls ein Hilfsnocken vorgesehen, der seinerseits mit
einer für ihn vorgesehenen Zunge 20 zusammenarbeitet, wenn und solange die Motorbremse
betätigt wird.
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Die Steuerwinkel der Hilfsnocken werden nach dem Diagramm der F i
. 5 und 6 bemessen und C 9
können, je nach Drehzahl des
Motors und je nach seinem Hub-Bohrungs-Verhältnis, verschiedene Werte annehmen.
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In F i g. 8 ist eine andere Ausführungsvariante für die Wirkungsweise
der Einschiebezunge 20 gezeigt. Hier wird nämlich die Einschiebezunge beim Einschieben
unter einen Ansatz 24 des Ventilstößels 15
geführt. Im übrigen arbeitet diese
Verstelleinrichtung
in gleicher Weise wie die in F i g. 7
dargestellte und beschriebene Einrichtung. An Stelle der unter den Ansatz 24 geführten
einfachen Einschiebezunge kann diese Zunge unter Anwendung von jeweils zwei Hilfssteuernocken
18 a und 18 b gabelig - 20 a, 20 b -
ausgebildet
sein, wie dies aus F i g. 8A und 8B hervorgeht, wobei beispielsweise der
rechte Stößel 15 a
und damit sein Ansatz 24a infolge der ihm
zugeordneten Zungengabel angehoben ist.
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Damit die Einschiebezungen 20 immer in der richtigen Bereitschaftslage
sind, um zwischen Nockenwelle und Stößel in die Bremswirkstellung geschoben werden
zu können, was - wie gesagt - durch Drehen der Bremsbetätigungswelle
220 b um einen Drehwinkel von etwa 601 erfolgt, ist im Drehgelenk
der Einschiebezunge und des Hebels 20b eine in den Ausführungsbeispielen
nach F i g. 9 gezeigte federnde Arretierung vorgesehen, die infolge einer
Fläche 25
am Auge der Zunge 20 und eines Druckbolzens 26
mit Feder
27, welche in einer Bohrung 28 des Kurbelarmes 20 b eingefügt
sind, die Zunge 20 in der richtigen Lage hält und ihr dennoch die notwendige Schwingbewegung
um den Gelenkbolzen 29 erlaubt.
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Um kinetisch richtig zu wirken, ist die Zunge 20 an dem mit dem Stößel
zusammenarbeitenden Ende entsprechend ballig ausgebildet.
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Ehe die Motorbremse zur Wirkung kommt, muß die Einspritzpumpe zuverlässig
auf Null-Förderung gebracht sein. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß
die Einstellung der Null-Förderung und die Drehbewegung der Bremsbetätigungswelle
durch einen mit Preßluft beschickten Arbeitszylinder erfolgt, in welchem die Preßluft
entgegen der Wirkung einer oder mehrerer Federn (etwa in der Art nach F i
g. 10, Feder 41) die Stellung der Regelstange in der Einspritzpumpe auf Null-Förderung
und die Lage der Bremsbetätigungswelle in Breinsstellung herstellt. Die beiden Zylinder
werden so nacheinander geschaltet, daß zuerst die Null-Förderung hergestellt wird
und erst in der dieser Stellung entsprechenden Lage des Kolbens in diesem Zylinder
die Preßluft für den Zylinder der Bremsbetätigungswelle freigegeben wird.
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F i g. 10 A zeigt das Prinzip dieser Schaltung. Hier ist mit
30 der Preßluftvorratsbehälter und mit 31 das beispielsweise mittels
des linken Fußes betätigte Motorbremsventil bezeichnet; 32 ist der Betätigungszylinder
für die durch das Gestänge 33 und die Kurbel 34 übertra-ene Nullfördereinstellung
an der Einspritzpumpe 35. Das Motorbremsventil 31 gibt danach in seiner
Kolbenendlage die Luft für den Zylinder 36 frei, welcher die Bremsbetätigungswelle
37 über die Kurbel 38 in die Wirkstellung bewegt.
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An Stelle der Bremsbetätigungswelle mit den Kurbeln können natürlich
auch andere Mittel zum Einschieben der Zungen zwischen Nocken und Stößel verwendet
werden, z. B. individuelle kleine Luftzylinder mit Kolben. Dies zeigt F ig. 10.,Hier
trägt der Kolben 39 für einen Arbeitszylinder 40 eines Servomotors die Zunge
20. Dieser Kolben -wird hier entgegen der Wirkung von Federn 41 durch Druck-C, C
luft nach analoger Folgeschaltung der F i g. 10 A beaufschlagt, nachdem die
Einspritzpumpe auf Null-Förderung steht.