DE19840639C1 - Brennkraftmaschine mit einer Motorbremseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Brennkraftmaschine weist eine Motorbremseinrichtung auf, die Bremsventile umfaßt, über die der Brennrauminhalt der Zylinder in der Motorbremsphase ableitbar ist, wobei die Bremsventile im Motorbremsbetrieb in Öffnungsstellung versetzt sind. DOLLAR A Um die Betriebssicherheit der Motorbremseinrichtung zu erhöhen, ist eine die Bremsventile beaufschlagende Blockiereinrichtung vorgesehen, die zwischen einer Haltestellung und einer Freigabestellung verstellbar ist, wobei in Haltestellung der Blockiereinrichtung die Bremsventile in Öffnungsstellung gehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Motor­ bremseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Motorbremssystem, das beispielsweise aus der DE 44 33 258 C1 bekannt ist, wird bevorzugt in schweren Nutzfahr­ zeugen eingesetzt und besteht aus einem schaltbaren Bremsven­ til, über das der Brennrauminhalt im Motorbremsbetrieb in die Atmosphäre oder in den Abgasstrang hinein ableitbar ist. Das Bremsventil wird in der Bremsphase in Öffnungsstellung ver­ setzt, wobei die Bremsleistung durch die reibungsbehaftete Strömung der Brennraumgase durch die Ventilöffnung des Brems­ ventils erzeugt wird.

Bei den hohen erzeugbaren Bremsleistungen, die je nach verwen­ detem Bremssystem mehrere Hundert kW betragen können, werden relativ hohe Luftmassenströme und folglich hohe Zylinderinnen­ drücke 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 Motor­ bremsbetrieb massiv beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Betriebssicher­ heit der Motorbremseinrichtung zu erhöhen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Über die einstellbare Blockiereinrichtung können die Bremsven­ tile im Motorbremsbetrieb in Öffnungsstellung gehalten werden, wodurch vermieden wird, daß die Bremsventile auch bei hohen Zy­ linderinnendrücken und entsprechend hohen Strömungsgeschwindig­ keiten des Brennrauminhalts durch die Ventilöffnung in Schwin­ gungen geraten, die das Ventil beschädigen könnten. Die Brems­ ventile werden im Motorbremsbetrieb in ihrer Öffnungsstellung ruhiggestellt, die Gefahr einer Funktionsbeeinträchtigung ist reduziert.

Die Bremsventile werden zweckmäßig hydraulisch in Öffnungsstel­ lung gehalten, wobei vorzugsweise auch die Blockiereinrichtung hydraulisch betätigbar ist und die Bremsventile mit dem notwen­ digen Hydraulik-Steuerdruck versorgt. Dies hat den Vorteil, daß das Steuerungsmedium der Blockiereinrichtung zugleich das Steuerungsmedium für die Bremsventile ist und eine verzöge­ rungsfreie, sensible Einstellung des Steuerungsdruckes möglich ist.

Die hydraulische Blockiereinrichtung umfaßt eine Pumpe zur För­ derung des Hydraulikmediums, 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 Vor­ spanneinrichtung, über die das Hydraulikmedium für die Brems­ ventile mit einem vorgebbaren Solldruck beaufschlagbar ist, und ein Drucksensor zur Messung des Hydraulikdruckes vorgesehen. Über die Vorspanneinrichtung können Leckströme in der die Bremsventile versorgenden Zufuhrleitung oder in den Bremsventi­ len selbst ausgeglichen werden, der Drucksensor 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 variablen Einstellung des Abgasgegen­ druckes auf, insbesondere eine variable Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des Turbinenquerschnitts, wobei in dieser Ausführung der Brennrauminhalt im Motorbremsbetrieb in den Abgasstrang stromauf der Turbine abgeblasen wird. Durch die Veränderung der Turbinengeometrie ist es möglich, verschieden hohe Drücke im Abschnitt zwischen den Zylindern und der Turbine zu realisieren, wodurch die Leistung der Turbine und die Lei­ stung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden können.

Im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine wird der Turbinenquer­ schnitt deutlich reduziert, woraufhin im Abschnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader ein hoher Überdruck aufgebaut wird. Das Abgas durchströmt den verengten Turbinenquerschnitt mit hoher Geschwindigkeit und beaufschlagt das Turbinenrad, woraufhin die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft vom Ver­ dichter unter Überdruck gesetzt wird. Auch ausgangsseitig des Zylinders liegt ein Überdruck an, der dem Abblasen der im Zy­ linder verdichteten Luft über die Bremsventile in den Ab­ gasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbetrieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kompressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang verrichten, wodurch eine starke Bremswirkung erzielt wird.

Über die Kombination der Blockiereinrichtung mit dem Tur­ bobremssystem ist es möglich, hohe Luftmassenströme und ent­ sprechend hohe Zylinderinnendrücke zu realisieren, die für die Erreichung hoher Bremsleistungen notwendig sind, und zugleich einen schwingungsbedingten Verschleiß der Bremsventile zu ver­ hindern.

Über eine Regeleinheit werden bevorzugt die Aktivitäten der Turbine, der Bremsventile und der Blockiereinrichtung koordi­ niert. 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.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der schematisch eine Brennkraftmaschine 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 Motorbrems­ einrichtung besteht aus Bremsventilen 2, die an jedem Zylinder am Zylinderausgang angeordnet sind und die zwischen einer Öff­ nungsstellung, die dem Motorbremsbetrieb zugeordnet ist, und einer Schließstellung, die dem befeuerten Betrieb zugeordnet ist, verstellbar sind. Im Motorbremsbetrieb befinden sich die Bremsventile 2 in Öffnungsstellung und der Brennrauminhalt der Zylinder wird in den Abgasstrang 19 abgeleitet, wobei die Bremsleistung durch die reibungsbehaftete 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 Öff­ nungsstellung ist eine Blockier- und Steuerungseinrichtung 3 vorgesehen, die dazu dient, die Bremsventile 2 in ihrer Öff­ nungsstellung zu arretieren. Die Blockiereinrichtung 3 ist hy­ draulisch ausgebildet und umfaßt ein Reservoir 4 mit Hydraulik­ medium, eine Hydraulik-Versorgungsleitung 5, eine Druckpumpe 6, ein Drosselventil 7 in der Versorgungsleitung 5 sowie ein Sperrventil 8.

Über die Hydraulik-Versorgungsleitung 5 wird das von der Pumpe 6 geförderte Hydraulikmedium - in der Regel Öl - den Bremsven­ tilen 2 zugeführt, die hydraulisch zwischen Öffnungs- und Schließstellung verstellt werden können und alle von einer Zu­ fuhrleitung 9 mit Hydraulikmedium versorgt werden. Die Zufuhr­ leitung 9 ist über eine Verbindungsleitung 10 mit der Hydrau­ lik-Versorgungsleitung 5 der Blockiereinrichtung 3 verbunden. In der Abzweigung der Verbindungsleitung 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 akti­ viert, woraufhin Hydraulikmedium aus dem Reservoir 4 über die Versorgungsleitung 5, das Drosselventil 7, die Verbindungslei­ tung 10 und das geöffnete Sperrventil 8 in die die Bremsventile 2 versorgende Zufuhrleitung 9 gefördert wird, so daß die Brems­ ventile 2 entgegen der Kraft ihrer Bremsventilfedern in Öff­ nungsstellung 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 Zufuhr­ leitung 9 von der Versorgung mit Hydraulikmedium über die Hy­ draulik-Versorgungsleitung 5 abgeschnitten. Durch die Blockie­ rung 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 Aus­ gleichsbehälter 24 vorgesehen. Der Ausgleichsbehälter 24 wird von einer Vorspanneinrichtung beaufschlagt, die beispielsweise als Kolben ausgebildet ist, auf den eine Feder mit harter Fe­ derkennlinie 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 Bloc­ kiereinrichtung zu entkoppeln. In dieser Ausführung hat die Blockiereinrichtung keine die Bremsventile beaufschlagende Steilfunktion mehr, sondern dient nur der Arretierung der Bremsventile in Öffnungsstellung.

Gemäß einer weiteren Ausführung wird die Zufuhr des Hydraulik­ mediums zu den Bremsventilen nicht abgeschnitten, sondern es wird sowohl in Schließstellung als auch in Öffnungsstellung der Bremsventile die Hydraulikzufuhr aufrecht erhalten. Die Brems­ ventile werden über die Blockiereinrichtung geöffnet und gege­ benenfalls auch geschlossen. Die Haltestellung wird durch Auf­ rechterhaltung des für die Öffnung erforderlichen Druckes ohne Trennung der Zufuhrleitung von der Hydraulikversorgung er­ reicht. Die Bremsventile werden in der Öffnungsstellung durch die Blockiereinrichtung nicht arretiert, sondern nur gehalten. Diese Ausführung ist konstruktiv einfach zu realisieren.

Das Drosselventil 7 in der Hydraulik-Versorgungsleitung 5 kann auf Leerlaufstellung geschaltet werden, in der das Hydraulikme­ dium lediglich in der Versorgungsleitung 5 umgepumpt wird. Wei­ terhin ist in der Versorgungsleitung 5 eine Abzweigung 12 vor­ gesehen, über die zusätzliche Verbraucher mit Hydraulikmedium versorgt werden können.

Zwischen dem Reservoir 4 und dem Motor ist eine Verbindung 11 angedeutet, die ausdrücken soll, daß das Reservoir 4 der Bloc­ kiereinrichtung 3 zugleich ein Ölbehälter des Motors sein kann.

Zur Leistungssteigerung umfaßt die Brennkraftmaschine einen Ab­ gasturbolader 13 mit einer Turbine 14 im Abgasstrang 19 und ei­ nen Verdichter 15 im Ansaugtrakt 18. Der Abgasgegendruck strom­ auf der Turbine 14 ist variabel einstellbar; hierfür ist die Turbine 14 mit variabel einstellbarer Turbinengeometrie ausge­ stattet, 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 Wel­ le den Verdichter 15 an, der die angesaugte Frischluft auf ei­ nen erhöhten Ladedruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt, wobei die Druck­ erhöhung eine Steigerung der Motorantriebsleistung zur Folge hat.

Im Motorbremsbetrieb wird der Abgasturbolader 13 zur Erzeugung von Motorbremsleistung genutzt. Das axial verschiebliche Leit­ gitter 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 Bremsventile 2 am Zylinderauslaß der Brennkraftmaschine 1 ge­ öffnet, so daß die im Zylinder verdichtete Luft in den Ab­ gasstrang 19 abgeblasen werden kann.

Die Bremsleistung kann durch die Position des Leitgitters 16 und der daraus resultierenden Einstellung des Turbinenein­ trittsquerschnitts beeinflußt werden.

Anstelle eines axial verschieblichen Leitgitters kann die va­ riable Turbinengeometrie auch durch drehbare Schaufeln reali­ siert sein. Die Querschnittseinstellung wird in diesem Fall durch Drehung der Schaufeln bewerkstelligt.

Alternativ zu einem einstellbaren Turbinenleitgitter kann die Turbine mit einer Klappe im Eintritt und stromauf des Eintritts abgehenden Beschleunigungskanälen, die unmittelbar hinter dem offenen 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 Drucksensor der Zufuhrleitung 9 und mit dem Stellelement 17 für die Einstellung der variablen Turbinengeometrie verbunden ist. In Abhängigkeit von Motor- und Betriebsparametern und -größen und in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelstrategien werden Stellsignale erzeugt, um die Funktionen der Blockiereinrich­ tung, der Bremsventile und des Abgasturboladers zu koordinie­ ren.

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 ein­ zustellende Leitgitter 16 reduziert. Zugleich werden die Brems­ ventile in Öffnungsstellung versetzt, indem das Drosselventil 7 geschlossen wird, so daß ein Umpumpen von Hydraulikmedium in der Versorgungsleitung 5 verhindert wird, und das Sperrventil 8 geöffnet wird, so daß das Hydraulikmedium der Versorgungslei­ tung 5 in die Zufuhrleitung 9 einströmen kann. Daraufhin füllen sich die Zufuhrleitung 9 sowie weitere Volumina in den Brems­ ventilen 2 und der Ausgleichsbehälter 24 mit Hydraulikmedium, wodurch die Bremsventile gegen die Kraft ihrer Bremsventilfe­ dern geöffnet werden. Die Feder der Vorspanneinrichtung, die auf den Kolben im Ausgleichsbehälter 24 wirkt, spannt sich so­ weit vor, bis der vorgegebene Solldruck im Hydrauliksystem er­ reicht wird. Das Sperrventil 8 wird geschlossen und die Bloc­ kiereinrichtung 3 befindet sich in Haltestellung, in der der Druck in der Zufuhrleitung 9 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 Vorspanneinrichtung erfolgen.

Zum Beenden des Motorbremsbetriebs werden die Bremsventile 2 wieder in Schließstellung versetzt, indem die Blockiereinrich­ tung 3 in Freigabestellung versetzt wird. Hierfür wird das Sperrventil 8 geöffnet und es wird eine Rücklaufmöglichkeit für das Hydraulikmedium aus der Zufuhrleitung 9 geschaffen, so daß der Druck aus der Zufuhrleitung 9 über die Verbindungsleitung 10 in die Hydraulik-Versorgungsleitung 5 bzw. das Reservoir 4 ent­ weichen kann und die Bremsventilfedern die Bremsventile schlie­ ßen können. Zeitgleich oder zeitverzögert zur Schließung der Bremsventile wird der engste Turbinenquerschnitt durch entspre­ chende Verstellung des Leitgitters 16 über das Stellelement 17 geöffnet. Daraufhin ist die Motorbremsphase beendet, der befeu­ erte Betrieb kann einsetzen.

Außer einer hydraulischen Betätigung der Blockiereinrichtung kann auch eine pneumatisch, elektrisch oder mechanisch ausge­ bildete Blockiereinrichtung zum Einsatz kommen.

Claims (14)

1. Brennkraftmaschine mit einer Motorbremseinrichtung, die Bremsventile (2) umfaßt, über die der Brennrauminhalt der Zy­ linder in der Motorbremsphase ableitbar ist, wobei die Brems­ ventile (2) im Motorbremsbetrieb in Öffnungsstellung versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Bremsventile (2) beaufschlagende Blockiereinrich­ tung (3) vorgesehen ist, die zwischen einer Haltestellung und einer Freigabestellung verstellbar ist, wobei in Haltestellung der Blockiereinrichtung (3) die Bremsventile (2) in Öffnungs­ stellung gehalten sind.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsventile (2) hydraulisch in Öffnungsstellung gehal­ ten sind.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtung (3) hydraulisch ausgebildet ist und eine Pumpe (6) zur Förderung von Hydraulikmedium, eine Hydrau­ lik-Versorgungsleitung (5) zu den Bremsventilen (2) und ein einstellbares Sperrventil (8) zur Absperrung der Hydraulikzu­ fuhr umfaßt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydraulik-Versorgungsleitung (5) mit einer Zufuhrlei­ tung (9) kommuniziert, an die die Bremsventile (2) angeschlos­ sen sind.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Druck in der Zufuhrleitung (9) messender Drucksen­ sor vorgesehen ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspanneinrichtung (24) zur Einstellung eines Solldrucks vorgesehen ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Öffnungsstellung der Bremsventile (2) der Brennraumin­ halt der Zylinder in den Abgasstrang (19) der Brennkraftmaschi­ ne (1) ableitbar ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasturbolader (13) vorgesehen ist und der Abgasgegen­ druck stromauf der Turbine (14) des Abgasturboladers (13) va­ riabel einstellbar ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (14) eine variable Turbinengeometrie zur verän­ derlichen Einstellung des Turbinenquerschnitts aufweist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinheit (20) vorgesehen ist, die Stellsignale (21, 22, 23) zur Betätigung des Turbinenquerschnitts, der Bremsventile (2) und/oder der Blockiereinrichtung (3) erzeugt.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinheit (20) der Druck in der Zufuhrleitung (9) als Eingangssignal zuführbar ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtung (3) pneumatisch betätigbar ist.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtung (3) elektrisch betätigbar ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiereinrichtung (3) mechanisch betätigbar ist.