DE3935367A1 - Verfahren zum betreiben einer motorbremse fuer brennkraftmaschinen, insbesondere von fahrzeugen, und nach diesem verfahren betriebene motorbremse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahr­ zeugen, nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 10 und 13.

Eine Motorbremse, auf die sich das Verfahren nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 bezieht, ist bekannt. Dort kann das Auslaßventil beim Bremsbetrieb vorzeitig öffnen oder eine beim Bremsbetrieb ständig offene Bohrung (Kon­ stantdrossel) vorhanden sein, die den Motorkompressionsraum mit dem Ein- oder Auslaß verbindet. Dies dient dazu, kom­ primiertes Arbeitsgas entweichen zu lassen.

DE-AS 12 67 904 zeigt hierzu ein separates Ventil, das kurz vor Erreichen der maximalen Verdichtung öffnet und die kom­ primierte Luft in einen Entspannungsraum ausströmen läßt, von wo sie zurück in die Verbrennungsräume geführt wird. Hierbei kann in der Ansaugleitung ein geringer Überdruck entstehen, durch den bei Vergaser-Motoren während des Bremsbetriebes eine Kraftstoffzufuhr unterbunden werden soll. Der Druck der angesaugten Gasladung soll damit in der Ansaugleitung zwar geringfügig über den Atmosphärendruck angehoben werden; kann dabei aber keine erwähnenswerte Er­ höhung der Bremsleistung ergeben und ist auch nicht hierzu vorgesehen.

Durch das bei den bekannten Motorbremsen erfolgende Entwei­ chen von komprimiertem Gas möglichst noch vor Erreichen der maximalen Verdichtung, d. h. zu einem Zeitpunkt noch weit vor Beendigung des Expansionstaktes, wird auf recht effek­ tive Weise Bewegungsenergie durch Kompressionsarbeit zur Erzielung der gewünschten Bremsleistung vom Motor aufgenom­ men.

Für die auf diese Art erzeugbare Bremsenergie ist die effektive Druckdifferenz zwischen Druckkompression und Ex­ pansion maßgebend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Motorbremse die Bremsleistung noch weiter zu erhöhen.

Dies wird bei der gattungsgemäßen Motorbremse durch Verfah­ ren nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1, 10 und 13 durch eine Erhöhung des Druckes des Arbeitsgases er­ reicht.

Der geschlossene Kreislauf hierzu nach Anspruch 1 kann da­ durch realisiert werden, daß das gesamte die Arbeitsräume verlassende Gas, d. h. sowohl das Gas, das noch vor Beendi­ gung des Expansionstaktes entweicht, als auch dasjenige, das danach im Ausschubhub ausgestoßen wird, in die Ansaug­ leitung zurückgeführt wird, wozu die Abgasleitung für den Bremsbetrieb nach außen verschlossen und mit der Ansauglei­ tung verbunden wird.

Wird für den Bremsbetrieb zunächst nur die Abgasleitung verschlossen, so wird damit das Abgas in der Abgasleitung aufgestaut, während der Motor noch zusätzliche Frischluft ansaugt.

Zur Abgasrückführung in die Ansaugleitung dient zweckmäßi­ gerweise eine Überströmleitung nach Anspruch 2, die für den Gaskreislauf eine Drosselstelle darstellt und mit einem Wassermantel umhüllt das Kreislaufgas außerdem kühlen kann.

Eine Klappe kann in der einen Endstellung die Über­ strömleitung für den befeuerten Motorbetrieb und in der an­ deren Endstellung die Ansaugleitung nach außen hin ver­ schließen. In einer Zwischenstellung kann diese Klappe das rückgeführte Gas aus der Überströmleitung so in die An­ saugleitung einleiten, daß dieses durch seine Strömungs­ geschwindigkeit (Strahlwirkung) bei dieser Übergangsphase noch zusätzliche Frischluft von außen in die Ansaugleitung mitreißt.

Wird dann nach Anspruch 3 auch die Ansaugleitung nach außen hin verschlossen, so kann das mit erhöhtem Druck in die An­ saugleitung eintretende Gas nicht mehr nach außen entwei­ chen.

Die Aufnahme von Bremsenergie erzeugt Wärme und läßt Tempe­ ratur und Druck des eingeschlossenen Kreislaufgases anstei­ gen.

Über gewisse Grenzen sollte die Gastemperatur jedoch nicht ansteigen.

Daher sollte zur weiteren Erhöhung des Druckniveaus die im Kreislauf eingeschlossene Gasmenge erhöht werden.

Hierzu soll nach Anspruch 4 eine zusätzliche Gasmenge in den geschlossenen Kreislauf eingespeist werden.

Zur Erhöhung der eingeschlossenen Gasmenge kann nach An­ spruch 5 auch eine bei der hohen Temperatur verdampfende Flüssigkeit in den Kreislauf eingeführt werden. Deren Ver­ dampfung kühlt das Arbeitsgas, was zur Vermeidung zu hoher Temperaturen erwünscht ist. Außerdem kann dieser Dampf an gekühlten Flächen teilweise wieder kondensieren und dadurch zu einer verbesserten Wärmeabgabe an die gekühlten Flächen beitragen.

Das Arbeitsgas wird durch die Aufnahme der Bremsenergie er­ hitzt.

Dieses im Kreislauf geführte Gas kann daher zur Vermeidung von Schäden am Motor nach Anspruch 6 gekühlt werden. Hierzu können entweder eine oder mehrere Überströmleitungen, durch welche das Kreislaufgas von der Abgas- zur Ansaugleitung strömt, oder ein dazwischen geschalteter Kühler dienen.

Um die gewünschte Bremsleistung aufrecht zu erhalten, kann das durch Leckstellen aus dem Kreislauf entweichende Gas ersetzt werden. Hierfür kann nach Anspruch 7 ein bereits vorhandener mechanischer Verdichter, ein sogenannter Luft­ presser, genutzt werden. Ein dazwischengeschalteter Druck­ behälter kann die zum erstmaligen Auffüllen des Gaskreis­ laufes dienende Gasmenge liefern.

Statt eines bei einem Fahrzeug für andere Zwecke bereits vorhandenen mechanischen Verdichters kann hierzu auch ein zusätzlicher separater Verdichter genommen werden, der nach Anspruch 8 vom Druckgefälle zwischen Abgas- und Ansauglei­ tung angetrieben werden kann.

Mit der Höhe des Druckes, auf den das Kreislaufgas gebracht wird, kann entsprechend Anspruch 9 die Stärke der er­ wünschten Bremsleistung eingestellt werden.

Bei Brennkraftmaschinen, die bereits im Motorbetrieb über einen Abgasturbolader mit aufgeladener Luft versorgt wer­ den, kann die Bremsleistung der gattungsgemäßen Motorbremse auf eine alternative Weise erhöht werden, die eine Kreis­ laufrückführung des Abgases nicht erfordert. Da das eigent­ liche Prinzip der erfindungsgemäßen Lehre darin besteht, im Bremsbetrieb den Ladedruck spürbar zu erhöhen, um eine ent­ sprechend hohe Kompressionsarbeit im Verdichtungstakt zu erzielen, läßt sich die erfindungsgemäße Aufgabe auch da­ durch lösen, daß nach Anspruch 10 die Aufladung des Motors durch Erhöhung der Laderdrehzahl im Bremsbetrieb gegenüber dem Schleppbetrieb erhöht wird.

Diese kann nach Anspruch 11 durch einen deutlich (min­ destens 50%) kleineren Strömungsquerschnitt für das Abgas vor der Turbine des Abgasturboladers erreicht werden.

Dazu kann beispielsweise von zwei im befeuerten Mo­ torbetrieb offenen Zuströmungskanälen einer im Bremsbetrieb verschlossen werden. Dabei ist die Aufteilung in zwei Zu­ strömkanäle konstruktiv so auszulegen, daß bei Durch­ strömung des einen für den Bremsbetrieb vorgesehenen Kana­ les durch hohe Strömungsgeschwindigkeit und somit hoher Energieabgabe an das Turbinenrad eine hohe Laderdrehzahl erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Variante der Ladeluft-Druckerhöhung im Bremsbetrieb nach Anspruch 10 hat gegenüber der Kreislauf­ variante nach den vorhergehenden Ansprüchen den Vorteil, daß das ausströmende Abgas die aus der Bremsenergie ent­ stehende Wärme nach außen mitnimmt. Das Abgas braucht daher bei dieser Variante nicht gekühlt zu werden.

Um bei einem aufgeladenen Motor mit Konstantdrossel-Motor­ bremse eine Bremsleistung zu erreichen, die annähernd sei­ ner Vollastleistung entspricht, muß der Ladedruck im Brems­ betrieb so hoch wie bei der Motorleistung sein. Hierzu ist eine stärkere Verkleinerung des Turbinen-Zuströmquerschnit­ tes erforderlich, als sie üblicherweise bei den bekannten Abgasturboladern mit variabler Geometrie möglich ist.

Die Unterteilung des Turbinengehäuses kann außerdem noch eine zweite Aufgabe erfüllen, nämlich den Motor immer, also auch im befeuerten Betrieb, optimal aufzuladen. Hierzu ist es zwechmäßig, das Turbinengehäuse nochmals zu unterteilen, so daß insgesamt drei verschieden große Strömungskanäle entstehen, mit deren Kombination eine enge Abstufung des Strömungsquerschnittes für das Abgas erreicht werden kann.

Durch diese zusätzliche Nutzung für den befeuerten Motor­ betrieb wird die Rentabilität der vorgeschlagenen Maßnahme auch für den Bremsbetrieb frühzeitiger erreicht.

Bei der erfindungsgemäß für den Bremsbetrieb modifizierten Aufladung kann das Abgas bei einer vorteilhaften Aus­ gestaltung vor dem Abgasturbolader noch zusätzlich durch beispielsweise eine teilweise geschlossene Klappe über das­ jenige Maß hinaus aufgestaut werden (Anspruch 12), das zur Erzielung einer hohen Aufladerdrehzahl erforderlich ist. Dadurch wird nach dem an sich unter anderem aus DE-OS 18 04 606 und US-PS 31 65 096 bekannten Prinzip eines erhöhten Abgasgegendruckes noch zusätzliche Bremsenergie aufge­ nommen.

Ladeluft mit hohem Druck für den Bremsbetrieb kann den Ar­ beitsräumen der Brennkraftmaschine auch durch einen von der Brennkraftmaschine mechanisch angetriebenen Lader (Anspruch 13) zugeführt werden. Bei dieser zusätzlichen Erfindungsva­ riante bewirkt auch die Leistungsaufnahme des mechanischen Laders eine zusätzliche Bremsleistung.

Darüber hinaus kann der Ladedruck bei der mechanischen Auf­ ladung für den Bremsbetrieb auf einfache Weise noch weiter erhöht werden, indem hierzu in der Abgasleitung aufgestau­ tes Abgas dem Frischgas als Teilstrom beigegeben wird (An­ spruch 14). Die dadurch vergrößerte Gasmasse in der Lade­ luftleitung läßt auch den Druck darin entsprechend anstei­ gen. Da der Lader hierbei auch noch gegen einen erhöhten Ladedruck arbeiten muß, nimmt hierbei auch der mechanische Lader eine höhere Bremsleistung auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 eine Motorbremse teils im Schnitt, teils in Drauf­ sicht mit einer Überströmleitung, die auch zur Küh­ lung des Kreislaufgases dient,

Fig. 2 eine Motorbremse nach der Fig. 1 mit einem bei auf­ geladenen Motoren üblichen Ladeluftkühler,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Turbinengehäuse eines Ab­ gasturboaufladers mit unterteiltem Strömungsquer­ schnitt zur Turbine

Fig. 4-7 mögliche Kombination von Strömungsquerschitten zur Turbine mit Hilfe davor angeordneter Klap­ pen.

Die Arbeitsräume 1 der Brennkraftmaschine befinden sich als Zylinder ausgebildet in deren Motorblock 2. Im Motorbetrieb der Brennkraftmaschine wird Luft als Arbeitsgas den Ar­ beitsräumen 1 durch eine Ansaugleitung 3 zugeführt und durch eine Abgasleitung 4 als Abgas der Atmosphäre wieder zugeleitet. Dabei erfolgt die Zuströmung in die Arbeitsräu­ me 1 über Einlaßventile 5 und die Abströmung in die Abgas­ leitung 4 über Auslaßventile 6.

Im Bremsbetrieb wird die aus der Ansaugleitung 3 den Ar­ beitsräumen 1 zur Verdichtung zugeführte und dort kompri­ mierte Luft noch vor und während des nachfolgenden Expan­ sionshubes zumindest teilweise durch ein ausschließlich in diesem Betriebszustand im jeweiligen Kopf der Arbeitsräume 1 geöffnetes Entlastungsventil 7 (Konstantdrosselventil) direkt in die Abgasleitung 4 abgeleitet. Die hierdurch nicht mehr zurückgewonnene Kompressionsarbeit ergibt die Bremsleistung.

Durch eine Überströmleitung 8 wird das gesamte die Arbeits­ räume 1 sowohl vorzeitig durch das Entlastungsventil 7 als auch nach Beendigung des Expansionshubes durch das Auslaß­ ventil 6 austretende Abgas als Kreislaufgas zurück in die Ansaugleitung 3 geleitet. Um die Rückführung in einem ge­ schlossenen Kreislauf durchführen zu können, sind die An­ saug- und die Abgasleitung während des Bremsbetriebes je­ weils gegen Atmosphäre verschlossen. Dieser Verschluß er­ folgt über Klappenventile 9, die jeweils an der Einmündung der Überströmleitung 8 in die Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 so angebracht sind, daß sie in der einen Endstellung je­ weils die Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 zur Atmosphäre hin versperren und in der anderen Endstellung den Verbindungs­ kanal 8 zwischen Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 verschließen.

Um das Druckniveau in dem geschlossenen Rückführkreislauf nennenswert zu erhöhen, wird der Kreislaufluft in der An­ saugleitung 3 über ein Steuerventil 10 Ergänzungsluft mit einem gegenüber der Kreislaufluft zumindest zu Beginn des Bremsbetriebes höheren Druck beigemischt. Die Betätigung des Steuerventiles 10 erfolgt über Steuerleitungen 11 und 12, von denen die eine 11 mit Steuerluft und die andere 12 mit der Ansaugleitung 3 verbunden ist. Innerhalb des Steu­ erventiles 10 liegt ein in einem Steuerzylinder 13 radial dichtend längsverschieblicher Steuerkolben 14, der an sei­ nen beiden Stirnseiten von jeweils einer der beiden Steu­ erleitungen 11, 12 beaufschlagt ist. Auf seiner Länge be­ sitzt der Steuerkolben 14 eine radial umlaufende Ausnehmung 15, die eine in die Ansaugleitung 3 führende Druckluft-Lei­ tung 16 je nach axialer Lage innerhalb des Steuerventils 10 für einen Ergänzungsluftstrom freigeben oder verschließen kann. Verschlossen ist die Druckluft-Leitung 16 bei in der Steuerleitung 12 höherem Druck als in der Steuerleitung 11, während sie bei umgekehrten Druckverhältnissen geöffnet ist. Dadurch kann der Druck der Ansaugluft in der Ansaug­ leitung 3 und damit gleichzeitig die Bremsleistung variiert werden. Diese Funktion des Steuerventils 10 gilt selbstver­ ständlich nur für den Bremsbetrieb, da während des Motorbe­ triebes die Druckluft-Leitung 16 durch andere Mittel voll­ ständig gegenüber ihrer Druckluftquelle verschlossen ist. Die Druckluftquelle kann ein Druckluftbehälter sein,der von einem durch den Motor angetriebenen Verdichter gefüllt wird.

Zur Kühlung der im Bremsbetrieb im geschlossenen Kreislauf zur Verdichtung zurückgeführten und durch die Kompression erwärmten Luft kann die Überströmleitung 8 von einem, bei­ spielsweise von Wasser durchflossenen Kühlmantel umhüllt sein. Durch eine hohe in dem Verbindungskanal 8 einstell­ bare Kreislaufluftströmung ist ein guter Wärmeübergang in­ nerhalb dieses Kühlmantels (Kühler 17) gewährleistet.

Bei aufgeladenen Motoren kann als Kühler ein in der An­ saugleitung 3 ohnehin vorhandener Ladeluftkühler 18 zur Kreislaufluftkühlung eingesetzt werden.

Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader zur Auf­ ladung der Ladeluft ist es sinnvoller, diesen auch im Bremsbetrieb zur Aufladung der Ansaugluft zu verwenden als das Abgas zur Druckerhöhung in einem geschlossenen Kreis­ lauf durch die Arbeitsräume zu führen. Im Bremsbetrieb be­ steht bei Abgasturboladern allerdings das Problem, daß der Abgasmengenstrom meist keine ausreichende Aufladung der An­ saugluft zuläßt. Eine Erhöhung der Turboladerdrehzahl läßt sich jedoch dadurch erzielen, daß der auf die Turbinen­ schaufeln führende Turbinenzuführkanalquerschnitt zur Er­ höhung der Abgasströmungsgeschwindigkeit im Bremsbetrieb verkleinert wird. Zu diesem Zweck ist der Zuführkanal 19 eines in der Motor-Abgasleitung 3 installierten Abgasturbo­ laders 20 in mehrere Einzelkanäle 21, 22, 23 unterteilt. Im Bremsbetrieb ist der größte der Kanäle 23 grundsätzlich ge­ schlossen. Welche der Kanäle 21 und 22 beim Bremsbetrieb ganz oder teilweise geöffnet sind, bestimmt sich nach der von der Motordrehzahl abhängigen Abgasmenge. Bei geringer Abgasmenge ist nur noch der kleine Kanal 21 ganz oder auch nur teilweise geöffnet. Das Schließen und Öffnen der Kanäle 21, 22 und 23 erfolgt über an den Kanaleingängen ange­ brachte Klappen 24, 25, 26.

Fig. 4 zeigt die Stellung der Klappen 24, 25, 26 im Motor­ bremsbetrieb bei kleiner Abgasmenge, d. h. niedriger Motor­ drehzahl. Dabei ist die Verschluß-Klappe 24 des kleinen Ka­ nals 21 nur teilweise geöffnet, um das Abgas bis zum zu­ lässigen Abgasgegendruck aufzustauen.

Bei der Darstellung nach Fig. 5 sind die Verschluß-Klappen aller Kanäle 21, 22, 23 für den befeuerten Motorbetrieb voll geöffnet.

In den Fig. 6 und 7 sind verschiedene Öffnungsstellungen der Verschluß-Klappen 24, 25, 26 für den befeuerten Betrieb des Motors veranschaulicht, wodurch auch für den befeuerten Betrieb eine variable Turbinengeometrie geschaffen wird.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für eine Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeuges, bei dem im Bremsbetrieb Arbeitsgas verdichtet und bereits vor Been­ digung des Expansionstaktes zumindest teilweise den Ar­ beitsräumen entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (4) zur Atmosphäre hin verschlossen wird und das gesamte die Arbeitsräume (1) in allen Arbeits­ takten verlassende Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreis­ lauf zur erneuten Ansaugung mit gegenüber Atmosphäre und Schleppbetrieb erhöhtem Gasdruck in die Arbeitsräume (1) zurückgeführt wird.

2. Motorbremse zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung des Abgases im geschlossenen Kreislauf eine Überströmleitung (8) zwischen Ansaug- und Abgasleitung (3, 4) vorgesehen ist.

3. Motorbremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Ansaugleitung (3) zur Atmosphäre hin ver­ schlossen wird.

4. Motorbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsgas zusätzliches Gas von außen zugeführt wird, das die Gasmasse im Kreislauf und somit deren Druck erhöht.

5. Motorbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den geschlossenen Kreislauf eine Flüssigkeit (Was­ ser) eingespeist wird, die im Gaskreislauf verdampft.

6. Motorbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas bei der Rückführung in der Überströmlei­ tung (8) oder einem dazwischengeschalteten Kühler gekühlt wird.

7. Motorbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von außen zugeführte Gas von einem von der Brenn­ kraftmaschine mechanisch angetriebenen Verdichter vorzugs­ weise unter Zwischenschaltung eines Druckbehälters gelie­ fert wird.

8. Motorbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von außen zugeführte Gas von einem Verdichter er­ zeugt wird, der von einer im Gaskreislauf angeordneten Tur­ bine angetrieben wird.

9. Motorbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Bremsleistung durch die zusätzlich eingespeiste Gas- bzw. Flüssigkeitsmenge erfolgt.

10. Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für eine Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung zum Antrieb ei­ nes Fahrzeuges, bei dem im Bremsbetrieb Arbeitsgas verdich­ tet und bereits vor Beendigung des Expansionstaktes zumin­ dest teilweise den Arbeitsräumen entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Motorbremsleistung die Aufladung des Motors dadurch erhöht wird, daß dem Turbolader zur Stei­ gerung seiner Drehzahl zusätzliche Antriebsenergie zuge­ führt wird.

11. Motorbremse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Laderdrehzahl der Anströmquerschnitt der Turbine um mindestens 50% vom gesamten Anströmquer­ schnitt für den verstärkten Bremsbetrieb verkleinert wird.

12. Motorbremse nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom zur Erhöhung des Abgasgegendruckes stromauf der Turbine durch eine Verengung im Zuströmquer­ schnitt zusätzlich gedrosselt wird.

13. Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für eine Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Fahrzeuges, bei dem im Bremsbetrieb Arbeitsgas verdichtet und bereits vor Beendi­ gung des Expansionstaktes zumindest teilweise den Arbeits­ räumen entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor für diesen Bremsbetrieb von einem mechanisch angetriebenen Lader aufgeladen wird.

14. Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse nach An­ spruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der vom mechanischen Lader geförderten Ladeluft aufge­ stautes Abgas als Teilstrom zugegeben wird.