DE3943705A1 - Verfahren zum betreiben einer motorbremse fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Motor­ bremse für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader gemäß den weiteren im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Merkmalen.

Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Brennkraftma­ schine zur Durchführung des Verfahrens ist aus der DE-OS 18 04 606 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfah­ ren hinsichtlich der Bremsleistung zu verbessern.

Bei Brennkraftmaschinen, die bereits im Motorbetrieb über einen Abgasturbolader mit aufgeladener Luft versorgt werden, kann die Bremsleistung der gattungsgemäßen Motorbremse auf eine alterna­ tive Weise erhöht werden, die eine Kreislaufrückführung des Ab­ gases nicht erfordert. Da das eigentliche Prinzip der erfin­ dungsgemäßen Lehre darin besteht, im Bremsbetrieb den Ladedruck spürbar zu erhöhen, um eine entsprechend hohe Kompressionsar­ beit im Verdichtungstakt zu erzielen, läßt sich die erfindungs­ gemäße Aufgabe auch dadurch lösen, daß nach Anspruch 1 die Aufladung des Motors durch Erhöhung der Laderdrehzahl im Brems­ betrieb gegenüber dem Schleppbetrieb erhöht wird.

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

Dazu kann beispielsweise von zwei im befeuerten Motorbetrieb offenen Zuströmungskanälen einer im Bremsbetrieb verschlossen werden. Dabei ist die Aufteilung in zwei Zuströmkanäle kon­ struktiv so auszulegen, daß bei Durchströmung des einen für den Bremsbetrieb vorgesehenen Kanal es durch hohe Strömungsgeschwin­ digkeit und somit hoher Energieabgabe an das Turbinenrad eine hohe Laderdrehzahl erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Variante der Ladeluft-Druckerhöhung im Bremsbetrieb nach Anspruch 1 hat auch noch den Vorteil, daß das ausströmende Abgas die aus der Bremsenergie entstehende Wärme nach außen mitnimmt. Das Abgas braucht daher bei dieser Vari­ ante nicht gekühlt zu werden.

Um bei einem aufgeladenen Motor mit Konstantdrossel-Motorbremse eine Bremsleistung zu erreichen, die annähernd seiner Vollast­ leistung entspricht, muß der Ladedruck im Bremsbetrieb so hoch wie bei der Motorleistung sein. Hierzu ist eine stärkere Ver­ kleinerung des Turbinen-Zuströmquerschnittes erforderlich, als sie üblicherweise bei den bekannten Abgasturboladern mit varia­ bler 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 zweckmä­ ßig, das Turbinengehäuse nochmals zu unterteilen, so daß ins­ gesamt drei verschieden große Strömungskanäle entstehen, mit deren Kombination eine enge Abstufung des Strömungsquerschnit­ tes für das Abgas erreicht werden kann.

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

Bei der erfindungsgemäß für den Bremsbetrieb modifizierten Auf­ ladung kann das Abgas bei einer vorteilhaften Ausgestaltung vor dem Abgasturbolader noch zusätzlich durch beispielsweise eine teilweise geschlossene Klappe über dasjenige Maß hinaus aufge­ staut werden (Anspruch 3), das zur Erzielung einer hohen Auf­ laderdrehzahl 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 Brems­ energie aufgenommen.

Ladeluft mit hohem Druck für den Bremsbetrieb kann den Arbeits­ räumen der Brennkraftmaschine auch durch einen von der Brenn­ kraftmaschine mechanisch angetriebenen Lader (Anspruch 4) zu­ geführt werden. Bei dieser zusätzlichen Erfindungsvariante be­ wirkt auch die Leistungsaufnahme des mechanischen Laders eine zusätzliche Bremsleistung.

Darüber hinaus kann der Ladedruck bei der mechanischen Aufla­ dung für den Bremsbetrieb auf einfache Weise noch weiter erhöht werden, indem hierzu in der Abgasleitung aufgestautes Abgas dem Frischgas als Teilstrom beigegeben wird (Anspruch 5). Die da­ durch vergrößerte Gasmasse in der Ladeluftleitung läßt auch den Druck darin entsprechend ansteigen. 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 dar­ gestellt.

Es zeigen

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

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

Fig. 3 einen Schnitt durch das Turbinengehäuse eines Abgasturboladers mit unterteiltem Strömungsquer­ schnitt zur Turbine,

Fig. 4 bis 7 mögliche Kombinationen von Strömungsquerschnitten zur Turbine mit Hilfe davor angeordneter Klappen.

Die Arbeitsräume 1 der Brennkraftmaschine befinden sich als Zylinder ausgebildet in deren Motorblock 2. Im Motorbetrieb der Brennkraftmaschine wird Luft als Arbeitsgas den Arbeitsräumen 1 durch eine Ansaugleitung 3 zugeführt und durch eine Abgaslei­ tung 4 als Abgas der Atmosphäre wieder zugeleitet. Dabei er­ folgt die Zuströmung in die Arbeitsräume 1 über Einlaßventile 5 und die Abströmung in die Abgasleitung 4 über Auslaßventile 6.

Im Bremsbetrieb wird die aus der Ansaugleitung 3 den Arbeits­ räumen 1 zur Verdichtung zugeführte und dort komprimierte Luft noch vor und während des nachfolgenden Expansionshubes zumin­ dest teilweise durch ein ausschließlich in diesem Betriebs zu­ stand im jeweiligen Kopf der Arbeitsräume 1 geöffnetes Entla­ stungsventil 7 (Konstantdrosselventil) direkt in die Abgaslei­ tung 4 abgeleitet. Die hierdurch nicht mehr zurückgewonnene Kompressionsarbeit ergibt die Bremsleistung.

Durch eine Überströmleitung 8 wird die gesamte die Arbeitsräume 1 sowohl vorzeitig durch das Entlastungsventil 7 als auch nach Beendigung des Expansionshubes durch das Auslaßventil 6 austre­ tende Abgas als Kreislaufgas zurück in die Ansaugleitung 3 ge­ leitet. Um die Rückführung in einem geschlossenen Kreislauf durchführen zu können, sind die Ansaug- und die Abgasleitung während des Bremsbetriebes jeweils gegen Atmosphäre verschlos­ sen. Dieser Verschluß erfolgt über Klappenventile 9, die je­ weils an der Einmündung der Überströmleitung 8 in die Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 so angebracht sind, daß sie in der einen Endstellung jeweils die Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 zur At­ mosphäre hin versperren und in der anderen Endstellung den Ver­ bindungskanal 8 zwischen Ansaug- und Abgasleitung 3, 4 ver­ schließen.

Um das Druckniveau in dem geschlossenen Rückführkreislauf nen­ nenswert zu erhöhen, wird der Kreislaufluft in der Ansauglei­ tung 3 über ein Steuerventil 10 Ergänzungsluft mit einem ge­ genüber der Kreislaufluft zumindest zu Beginn des Bremsbetrie­ bes höheren Druck beigemischt. Die Betätigung des Steuerventi­ les 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 Steuerventiles 10 liegt ein in einem Steuerzylinder 13 radial dichtend längsverschieblicher Steuerkolben 14, der an seinen beiden Stirnseiten von jeweils einer der beiden Steuerleitungen 11, 12 beaufschlagt ist. Auf seiner Länge besitzt der Steuerkolben 14 eine radial umlaufende Ausnehmung 14, die eine in die Ansaugleitung 3 führende Druck­ luft-Leitung 16 je nach axialer Lage innerhalb des Steuerven­ tils 10 für einen Ergänzungsluftstrom freigeben oder verschlie­ ßen 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 Ansaugleitung 3 und damit gleichzeitig die Bremsleistung variiert werden. Diese Funktion des Steuerventils 10 gilt selbstverständlich nur für den Bremsbetrieb, da während des Motorbetriebes die Druckluft- Leitung 16 durch andere Mittel vollständig gegenüber ihrer Druckluftquelle verschlossen ist. Die Druckluftquelle kann ein Druckluftbehälter sein, der von einem durch den Motor angetrie­ benen 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, beispielsweise von Wasser durchflossenen Kühlmantel umhüllt sein. Durch eine hohe in dem Verbindungskanal 8 einstellbare Kreislaufluftströmung ist ein guter Wärmeübergang innerhalb dieses Kühlmantels (Küh­ ler 17) gewährleistet.

Bei aufgeladenen Motoren kann als Kühler ein in der Ansauglei­ tung 3 ohnehin vorhandener Ladeluftkühler 18 zur Kreislaufluft­ kühlung eingesetzt werden.

Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasturbolader zur Aufladung der Ladeluft ist es sinnvoller, diesen auch im Bremsbetrieb zur Aufladung der Ansaugluft zu verwenden, als das Abgas zur Druck­ erhöhung in einem geschlossenen Kreislauf durch die Arbeitsräu­ me zu führen. Im Bremsbetrieb besteht bei Abgasturboladern al­ lerdings das Problem, daß der Abgasmengenstrom meist keine aus­ reichende Aufladung der Ansaugluft zuläßt. Eine Erhöhung der Turboladerdrehzahl läßt sich jedoch dadurch erzielen, daß der auf die Turbinenschaufeln führende Turbinenzuführkanalquer­ schnitt zur Erhöhung der Abgasströmungsgeschwindigkeit im Bremsbetrieb verkleinert wird. Zu diesem Zweck ist der Zu­ führkanal 19 eines in der Motor-Abgasleitung 3 installierten Abgasturboladers 20 in mehrere Einzelkanäle 21, 22, 23 unter­ teilt. Im Bremsbetrieb ist der größte der Kanäle 23 grundsätz­ lich geschlossen. Welche der Kanäle 21 und 22 beim Bremsbetrieb ganz oder teilweise geöffnet sind, bestimmt sich nach der von der Motordrehzahl abhängigen Abgasmenge. Bei geringer Abgas­ menge ist nur noch der kleine Kanal 21 ganz oder auch nur teil­ weise geöffnet. Das Schließen und Öffnen der Kanäle 21, 22 und 23 erfolgt über an den Kanaleingängen angebrachte Klappen 24, 25, 26.

Fig. 4 zeigt die Stellung der Klappen 24, 25, 26 im Motorbrems­ betrieb bei kleiner Abgasmenge, d. h. niedriger Motordrehzahl. Dabei ist die Verschluß-Klappe 24 des kleinen Kanals 21 nur teilweise geöffnet, um das Abgas bis zum zulässigen Abgasge­ gendruck aufzustauen.

Bei der Darstellung nach Fig. 5 sind die Verschluß-Klappen al­ ler Kanäle 21, 22, 23 für den befeuerten Motorbetrieb voll ge­ öffnet.

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 (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer Motorbremse für eine Brenn­ kraftmaschine mit Aufladung mittels eines Ladegerätes zum Antrieb eines Fahrzeuges, bei dem im Bremsbetrieb Arbeitsgas verdichtet und bereits vor Beendigung des Expansionstaktes zumindest teilweise den Arbeitsräumen entzogen wird, dadurch gekennzeichnet , daß zur Steigerung der Motorbremsleistung die Aufladung des Motors dadurch erhöht wird, daß dem Ladegerät zur Steigerung seiner Drehzahl zusätzliche Antriebsenergie zugeführt wird.

2. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erhöhung der Laderdrehzahl der Anströmquerschnitt der Turbine um mindestens 50% vom gesamten Anströmquerschnitt für den verstärkten Bremsbetrieb verkleinert wird.

3. Motorbremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Abgasstrom zur Erhöhung des Abgasgegendruckes stromauf der Turbine durch eine Verengung im Zuströmquerschnitt zusätz­ lich gedrosselt wird.

4. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor für diesen Bremsbetrieb von einem mechanisch an­ getriebenen Lader aufgeladen wird.

5. Motorbremse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der vom mechanischen Lader geförderten Ladeluft aufgestau­ tes Abgas als Teilstrom zugegeben wird.