DE3506894A1

DE3506894A1 - Motorbremsvorrichtung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3506894A1
Application number: DE19853506894
Authority: DE
Inventors: Achim zur Dipl.-Ing. 5000 Köln Nieden
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1985-02-27
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1986-08-28
Also published as: EP0193142B1; DE3660138D1; EP0193142A1

Description

Motorbremsvorrichtung für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen selbstansaugenden oder aufgeladenen Dieselmotor mit mindestens einem Brennraum, der über ein Auslaßventil mit einem Abgaskanal verbunden ist.

Es ist bekannt, zur Bremsung einer Brennkraftmaschine die Verschiebearbeit des Kolbens auszunutzen (DE-PS 920 695). In der Abgasleitung wird ein Absperrorgan (Drosselklappe) derart geschlossen, daß sich in dieser ein Staudruck zwangsläufig aufbaut. Beim Auslaßtakt der Brennkraftmaschine muß dann der Arbeitskolben Verschiebearbeit gegen diesen Staudruck leisten, und dadurch wird die Bewegung des Kolbens gebremst.

Die Wirkung einer derartigen Motorbremsvorrichtung ist dadurch begrenzt, daß sich der Gegendruck in der Abgasleitung nicht beliebig steigern läßt, übersteigt nämlich die Gaskraft auf der Rückseite des Auslaßventilkegels die Ventilfederkraft, öffnet das Auslaßventil unkontrolliert und wirkt somit als Druckbegrenzungsventil. Dieses Abblasen in den Brennraum geschieht vor allem während des Einlaßtakts, da dann im Brennraum ein Unterdruck herrscht und die Druckdifferenz zwischen Brennraum und Abgasleitung besonders groß ist.

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um den Gegendruck in der Abgasleitung größer werden zu lassen als es der Federkraft des Auslaßventils entspricht, wird gemäß der DE-PS 920 695 vorgeschlagen, die Ventilfederkraft des Auslaßventils durch den Gegendruck der Abgasleitung zu unterstützen. Dadurch sind die resultierenden Gaskräfte auf das Ventil aufgehoben, und der Gegendruck in der Abgasleitung läßt sich erhöhen, ohne daß das Auslaßventil öffnet. Dabei bleibt jedoch noch der Nachteil einer erhöhten Belastung des Ventiltriebes auf der Einlaßseite, da das Einlaßventil gegen den vollen Gegendruck öffnen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirkung einer Motorbremsvorrichtung mit einfachen Kitteln zu steigern und eine erhöhte Belastung des Ventiltriebes durch hohe Gegendrücke zu vermeiden.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Ist der zusätzliche Gaskanal geschlossen, arbeitet die Brennkraftmaschine im Normalbetrieb. Bei geöffnetem Gaskanal, also im Schleppbetrieb, ist die Funktionsweise der Brennkraftmaschine beeinflußt, und die Bremswirkung tritt auf.

Beim geschleppten Motor ohne zusätzlichen geöffneten Gaskanal ist die Bremsleistung beim Durchlaufen der Hochdruckschleife, d.h. in den beiden Arbeitstakten Komprimieren und Expandieren des Gases im Brennraum, gering, weil das Gasgemisch ähnlich einer Luftfeder beim Entspannen die meiste Arbeit, die bei der Verdichtung hineingesteckt wurde, wieder an die Kurbelwelle zurückgibt. Durch den zusätzlichen geöffneten Gaskanal kann am Beginn des Kompressionstaktes, wenn der Druck in der Abgasleitung noch höher

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ist als derjenige im Brennraum, Gas in diesen zurückströmen und dadurch die Füllung vergrößern. Beim Verdichten muß dann eine höhere Arbeit vom Kolben geleistet werden.

Im weiteren Verlauf des Kompressionstaktes, wenn der Druck im Brennraum höher ist als derjenige in der Abgasleitung, strömt Gas durch den Gaskanal aus, wodurch der Kompressionsenddruck niedriger liegt als im Normalbetrieb, wobei aber irreversible Arbeitsverluste entstehen. Dazu wird der Gaskanal zweckmäßigerweise so gebaut, daß er eine Drosselwirkung im Vergleich zum Auslaßventil hat. Im Expansionstakt kann die abgedrosselte Gasmenge nicht mehr auf den Arbeitskolben zurückwirken oder höchstens in stark vermindertem Maße, da die Druckverhältnisse in jedem Fall mehr das Ausströmen in den Abgaskanal als das Rückströmen in den Brennraum begünstigen. Nach diesem Prozeß wird beim Durchlaufen der Hochdruckschleife bei offenem Gaskanal erhebliche Bremsarbeit geleistet.

In der Niederdruckschleife, d. h. in den beiden Arbeitstakten Ausstoßen und Ansaugen des Gases durch den Kolben, stellt der geöffnete Gaskanal gegenüber dem Schleppbetrieb mit Abgasbremse, wie z. B. in der DE-PS 920 695 erwähnt, keinen so großen Unterschied wie in der Hochdruckschleife dar. Im Abgastakt ist ohnehin das Auslaßventil geöffnet, so daß die zusätzliche öffnung des Gaskanals kaum eine Rolle spielt. Allenfalls ist die hierdurch gegebene frühere öffnung positiv zu bewerten, indem die Füllung zu Beginn des Ausstoßens verbessert wird. Die Rückströmung des Gases vom Abgaskanal in den Brennraum geschieht nämlich mit Gaskanal früher als ohne Gaskanal. Damit baut sich auch der Gegendruck auf den Kolben früher auf. Dies bedingt eine höhere Verschiebearbeit des Kolbens im Abgastakt.

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Im Ansaugtakt kommt es durch den Gaskanal ebenfalls zu einer Rückströmung, aber dies ist für die Bremsleistung unbedeutend.

Den entscheidenden Anteil an der Bremswirkung im Vergleich zu einer herkömmlichen Abgasbremse (DE-PS 920 695) hat demnach die zusätzliche Gasarbeit des Kolbens in der Hochdruckschleife.

Der Gaskanal läßt sich beispielsweise durch eine Bohrung im Zylinderkopf einfach realisieren. Die Bohrung muß gemäß der Erfindung so beschaffen sein, daß der Brennraum mit dem Abgaskanal verbunden ist. Es kann zweckmäßig sein, den Gaskanal als gegossenen Kanal vorzugehen.

Eine weitere Ausgestaltung des Gaskanals ist ein in Ruhestellung des Auslaßventils gebildeter Ringspalt zwischen Ventilteller und Ventilsitz. Diese Bauweise des Gaskanals macht einen zusätzlichen Kanal überflüssig. Der Ringspalt kann in einfacher Weise durch einen einstellbaren Anschlag im Mechanismus der Ventilsteuerung erzielt werden.

Vorzugsweise hat der Durchlaßquerschnitt des Gaskanals im Verhältnis zum effektiven Ventilquerschnitt des Auslaßventils ein Flächenverhältnis von weniger als 1 : 10. Hiermit ist eine optimale Bremsleistung erreichbar.

Gemäß der Erfindung ist in weiterer Ausgestaltung der Gaskanal durch eine Schließvorrichtung, insbesondere ein Ventil, verschließbar, das durch eine Stellvorrichtung betätigbar ist. Vorteilhafterweise liegt das Ventil dicht am Brennraum, damit im Normalbetrieb kein Totvolumen die Funktion des Motors beeinflußt. Die Stellvorrichtung ermöglicht auf hydraulischem, mechanischem, pneumatischem oder elektrischem Wege eine Fernbetätigung des Ventils.

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In bevorzugter Ausführung ist im Abgaskanal zusätzlich eine Drosselklappe zur Erzeugung eines Gegendrucks angeordnet. Hierbei mündet zweckinäßigerweise der Gaskanal in Strömungsrichtung des Abgaskanals vor der Drosselklappe.

In besonderer Ausführung wird die Stellvorrichtung des dem Gaskanal zugeordneten Ventils automatisch nur durch ein Verstellen der Drosselklappe betätigt. Die Stellvorrichtung besteht aus einem in Schließstellung des Ventils federbelasteten Kolben, dessen eine wirksame Kolbenfläche im Öffnungssinne des Ventils, d. h. gegen die Kraft der Feder, vom im Abgaskanal vor der Drosselklappe herrschenden Gasdruck beaufschlagt wird. Die Kraft der Feder auf die Kolbenfläche muß so dimensioniert sein, daß das dem Gaskanal zugeordnete Ventil bei geöffneter Drosselklappe immer geschlossen bleibt, d. h. daß auch der maximale zünddruck im Brennraum das Ventil nicht öffnen kann. Demgegenüber muß die der Feder abgewandte Kolbenfläche so groß gewählt werden, daß der Gasdruck im Abgaskanal bei geschlossener Drosselklappe den Kolben bewegen und damit das Ventil öffnen kann.

Gemäß der Erfindung ist insbesondere jedem Brennraum ein verschließbarer Gaskanal zugeordnet, wobei die Gaskanäle simultan zu öffnen und zu schließen sind.

Es ist bekannt, daß eine Motorbremsvorrichtung herkömmlicher Bauart, d. h. mit Drosselklappe, nicht in Kombination mit einem sog. hydraulischen Ventilspielausgleich betrieben werden kann, weil das unkontrollierte öffnen des Auslaßventils eine Fehlreaktion des hydraulischen Ventilspielausgleichs hervorruft. Eine Motorbremsvorrichtung mit zusätzlichem Gaskanal, jedoch ohne Drosselklappe, ist dagegen zur Zusammenarbeit mit einem hydraulischen Ventilspielausgleich geeignet.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, die schematisch im Schnitt durch einen Zylinderkopf eine Ausführungsform der Erfindung zeigt und nachfolgend näher beschrieben ist.

In der Zeichnung ist ein Teil des Zylinderkopfes 5 und des Zylinders wiedergegeben.

Der Brennraum 1 wird vom Zylinoerrohr 11, vom Zylinderkopf 5 und von einem nicht eingezeichneten Kolben begrenzt. Das Zylinderrohr 11 ist gegenüber dem Zylinderkopf 5 durch einen in einer Nut 29 im zylinderkopf 5 angeordneten Dichtungsring abgedichtet. Im Zylinderkopf 5 befindet sich der Abgaskanal 3, dessen Verbindung zum Brennraum 1 durch ein von einem Kipphebel 13 bewegtes Auslaßventil 2 gesteuert wird. Der Ventilteller 6 ist kegelförmig ausgebildet und sitzt in einem entsprechend ausgebildeten Ventilsitz 7. Der Ventilschaft 15 ist in einer Ventilführung 14 geführt, die im Zylinderkopf 5 befestigt ist. Am oberen Ende des Ventilschafts 15 ist ein Federteller 28 angebracht, über den eine Ventilfeder 16 das Ventil in Schließstellung belastet, über einen von einer Nockenwelle angetriebenen Kipphebel 13 wird der Ventilschaft 15 gegen die Kraft der Ventilfeder 16 im Takt der Brennkraftmaschine axial bewegt und das Auslaßventil 2 geöffnet, das durch die- Ventilfeuer 16 bei zurückführendem Kipphebel 13 wieder geschlossen wird.

Der Brennraum 1 ist über einen im Zylinderkopf 5 vorgesehenen, von einem Ventil 8 beherrschten zweiten Gaskanal 4 mit dem Abgaskanal 3 verbunden.

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Der Ventilschaft 17 des Ventils 8 ragt durch den Gaskanal 3 und liegt parallel neben den Ventilschaft des Auslaßventils 2. Sein unteres Ende ist als Ventilteller 18 konisch gebaut und sitzt im dazugehörigen Ventilsitz 12. Die Durchlaßbohrung des Ventilsitzes führt in den Gaskanal 4, der in den Brennraum 1 mündet.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Gaskanal 4 durch einen in geschlossener Stellung des Auslaßventils 2 gebildeten Ringspalt 4¹ zwischen Ventilteller 6 und Ventilsitz 7 des Auslaßventils ersetzt (strichliert eingezeichnet). Ein Vorteil dieser Bauform ist, daß kein zusätzlicher Gaskanal im Zylinderkopf erforderlich ist.

Der Abblasequerschnitt des Gaskanals 4 hat eine Drosselcharakteristik im Vergleich zum v/irksamen Auslaßquerschnitt des Auslaßventils. Vorzugsweise beträgt der Abblasequerschnitt im Vergleich zum Auslaßventil im Durchmesserverhältnis weniger als 1 : 3 bzw. im Flächenverhältnis weniger als 1 : 10.

Der Ventilschaft 17 des Ventils 8 ragt in eine Stellvorrichtung 19. Diese bildet mit dem Ventilstößel 17 eine Baueinheit und kann als Ganzes dichtend in den Sylinderkopf 5 eingesetzt werden. Dazu sind im Zylinderkopf entsprechende Gewindebohrangen angebracht.

Ein Vorteil der beschriebenen Anordnung ist, daß diese Bohrungen als Montagedurchführung für den Einbau oder die Bearbeitung des Ventilsitzes 17 dienen können, solange die Baueinheit der Stellvorrichtung noch nicht eingesetzt ist.

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Der Ventilschaft 17 ist im Unterteil 20 der Stellvorrichtung geführt und mit dem Kolben 10 verbunden, der an seiner Lauffläche drei Nuten oder Kolbenringe 24 hat und den Innenraum des Oberteils 22 in zwei Teilräume aufteilt. Die dem Gaskanal 4 abgewandte Seite des Kolbens 10 ist durch eine Feder 26 belastet. Der Federraui:, steht durch eine Bohrung 27 mit der Atmosphäre in Verbindung; die der Feder 26 entgegengesetzte Seite des Kolbens 10 steht über eine Bohrung 21 mit dem Abgaskanal 3 in Verbindung.

In der Strömungsrichtung des Abgaskanals 3 hinter der Mündung des Gaskanals 4 und der Bohrung 21 befindet sich eine fernbetätigbare Drosselklappe 9, üblicherweise für mehrere Zylinder zentral im Abgas-Sammelrohr (nicht dargestellt) angeordnet.

Ist die Drosselklappe 9 geschlossen, baut sich im Abgaskanal 3 nach wenigen Arbeitstakten des Kolbens ein Überdruck auf. Durch die Bohrung 21 liegt dieser überdruck auch an der dem Gaskanal 4 zugewandten Seite des Kolbens 10. Die wirksame Koibenfläche ist so gewählt, daß der überdruck den Kolben 10 gegen die Kraft der Feder 26 verschiebt und damit den Ventilschaft 17 anhebt, wodurch der Gaskanal 4 geöffnet wird.

Zu Beginn des Kompressionstaktes ist der Druck im Brennraum 1 niedriger als im Abgaskanal 3. Dadurch strömt Gas durch den geöffneten Gaskanal 4 in den Brennraun und vergrößert dort die Füllung. Beim anschließenden Komprimieren muß der Kolben zusätzliche Arbeit leisten und wird dadurch gebremst. Im weiteren Verlauf des Kompressionstaktes, wenn der Druck im Brennraum 1 höher ist als derjenige in der Abgasleitung 3, strömt Gas aus dem Brennraum 1 durch den

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Gaskanal 4 ab. Daaurch ist der Kompressionsenddruck niedriger als im Normalbetrieb mit geschlossenem Gaskanal 4; jedoch sind durch das Ausströmen irreversible Arbeitsverluste entstanden. Im anschließenden Expansionstakt kann diese abgedrosselte Gasmenge nicht mehr auf den Kolben zurückwirken. In diesen beiden Arbeitstakten "Komprimieren und Expandieren" des Gases in der Brennkraftmaschine muß also vom Motor eine erhebliche Bremsarbeit geleistet werden .

Diese hat die gleiche Größenordnung wie die Bremsleistung mit Drosselklappe ohne Gaskanal in den beiden Arbeitstakten "Ausschieben und Ansaugen" und addiert sich zu dieser.

So kann die Breinsleistung einer Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Motorbremsvorrichtung bis um nehr als das Dreifache der Schleppleistung ohne Drosselklappe betragen und mehr als das Anderthalbfache der Bremsleistung mit Drosselklappe aber ohne Gaskanal.

F 360/1. 30·:00; t-pg

Claims

5000 Köln 80, den 25.Feb.1985
D 85/10 AE-ZPB Dr. Sche/B

Patentansprüche

Motorbremsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen selbstan^augenden oder aufgeladenen Dieselmotor mit mindestens einem Brennraum (1), der über
ein Auslaßventil (2) mit einem Abgaskanal (3) verbunden

ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (1) ηit dem Abgaskanal (3) über einen weiteren verschließbaren Gaskanal (4) verbunden ist, der im Verhältnis zum Ventilquerschnitt des Auslaßventils (2) eine Drosselcharakteristik hat, und der für die Dauer des Bremsbetriebes geöffnet und für die Dauer des Normalbetriebes gasdicht verschlossen ist.
2. Motorbrerasvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) durch eine Bohrung im

Zylinderkopf (5) gebildet ist.
3. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) als gegossener Kanal im Zylinderkopf (5) gebildet ist.
4. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) im oberen Teil des Zylinderrohrs (11) angebracht ist.

^Κη ^Μ—^ή ^:Λ- ^**"¹-* 350689A

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5. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) durch einen in Ruhestellung des Auslaßventils (2) gebildeten Ringspalt zwischen Ventilteller (6) und Ventilsitz (7) des Auslaßventils geschaffen ist.
6. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) im Verhältnis zum Ventilquerschnitt des Auslaßventils (2) ein Flächenverhältnis von weniger als 1 : 10 hat.
7. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) durch ein Ventil (8) verschließbar ist, welches durch eine Stellvorrichtung (19) betätigbar ist.
8. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer im Zuge des Abgaskanals (3) angeordneten Drosselklappe (9) zur Erzeugung eines Gegendruckes, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (4) in Strömungsrichtung des Abgaskanals (3) vor der Drosselklappe (9) mündet.
9. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung des dem Gaskanal

(4) zugeordneten Ventils (8) aus einem in Schließstellung des Ventils federbelasteten Kolben (10) besteht, dessen eine wirksame Kolbenfläche im "Offnungssinn des Ventils gegen die Kraft der Feder vom im Abgaskanal (3) vor der Drosselklappe (9) herrschenden Gasdruck beaufschlagt ist, derart, daß bei geschlossener Drosselklappe (9) das Ventil (8) automatisch geöffnet wird.

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10. Motorbremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, uaß jedem Brennraum (1) ein verschließbarer Gaskanal (4) zugeordnet ist, wobei die Gaskanäle simultan zu öffnen unc zu schließen sind.
11. Motorbremsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskanäle (4) simultan mit der Drosselklappe (9) zu öffnen und zu schließen sind.