DE4425956C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Dieselmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ei­ nes Dieselmotors nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE-OS 39 00 739 ist ein Verfahren zur Steige­ rung der Motorbremsleistung bei Viertakt-Hubkolben- Brennkraftmaschinen bekannt, wobei im Bremsbetrieb im ersten und dritten Takt Luft über das Einlaßventil an­ gesaugt und im zweiten und vierten Takt die Luft ver­ dichtet und durch das teilweise geöffnete Auslaßventil gegen eine in der Abgasleitung vorgesehene Drossel­ klappe ausgeschoben wird.

Zur Erhöhung des Kompressionsenddruckes, d. h. um die für die Verdichtung aufzubringende Arbeit zu vergrö­ ßern, wird jeweils am Anfang und am Ende des Verdich­ tungstaktes das Auslaßventil kurzzeitig geöffnet, so daß bei einer Öffnung des Auslaßventiles kurz nach dem unteren Totpunkt UT vorverdichtete Luft aus dem Aus­ laßkrümmer des Zylinders in den Zylinder hineinströmt und hierdurch eine bereits vorverdichtete Luftmenge während der nachfolgenden Kompressionsphase weiter verdichtet wird.

Die zweite Öffnung des Auslaßventiles erfolgt kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes, wobei die während der Kompressionsphase verdichtete Luft aus dem Zylinder in den Auslaßkrümmer strömen kann und somit für die näch­ ste Kompressionsphase wieder ein ausreichend hoher Druck bzw. eine vorverdichtete Luftmenge im Auslaß­ krümmer zur Verfügung steht.

Nachteilig an dem aus der genannten Offenlegungs­ schrift bekannten Verfahren zur Steigerung der Motor­ bremsleistung ist jedoch, daß zur Durchführung dessel­ ben eine verhältnismäßig aufwendige Ventilsteuerung notwendig und außerdem die erzielbare Bremsleistung verhältnismäßig gering ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren vorzusehen, mit dem die Motor­ bremsleistung eines Verbrennungsmotors weiter ver­ stärkt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Selbstzündung des eingespritzten Kraft­ stoff-Luft-Gemisches im Bremsbetrieb in der Kompres­ sionsphase in dem angegebenen Bereich vor dem oberen Totpunkt OT bei geschlossenem Ventil baut sich im Brennraum ein Druck auf, gegen den der sich nach oben bewegende Kolben Arbeit verrichten muß, wodurch ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Bremseffekt erzielt wird. Das Abgas wird kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes über ein Ventil ausgestoßen und kann anschließend beispielsweise einem Abgasturbolader zugeführt werden.

Die Motorbremsleistung wird durch das beschriebene Verfahren wesentlich erhöht, da der Kolben gegen den Druck, welcher sich nach dem Zünden des Gemisches auf­ baut, Arbeit verrichten muß, wobei diese Arbeit der kinetischen Energie des Kraftfahrzeuges entzogen wird und somit ein wirksamer Bremseffekt auftritt.

Der Abgasturbolader kann zusätzlich noch zur Erhöhung der Bremsleistung vorteilhaft eingesetzt werden. Vor­ teilhafte Ausführungsformen von Abgasturboladern sind in den Unteransprüchen 6 und 7 angegeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unter­ ansprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Die Figur zeigt den Druckverlauf p über dem Kurbelwin­ kel KW für einen Zylinder eines als Dieselmotor ausge­ bildeten Verbrennungsmotors. Die Kurve 1 stellt hier­ bei den Druckverlauf im Bremsbetrieb des Verbrennungs­ motors gemäß dem Stand der Technik dar. Abweichend hierzu zeigt die Kurve 2 den Druckverlauf beim Einsatz des Verfahrens zur Erhöhung der Motorbremsleistung.

Bei dem Verfahren wird an einer Stelle 3, die sich we­ nigstens 20° Kurbelwinkel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT, vorzugsweise bei 50° bis 60° Kurbelwin­ kel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT befin­ det, Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt, wodurch zwischen der Stelle 3 und einer Stelle 4 der Druck gegenüber dem Normalbetrieb kurz­ fristig etwas abnimmt.

Dieser kurzzeitige Druckabfall resultiert aus der Energieaufnahme durch die Kraftstoffverdampfung.

Die Kurve 1 des Standes der Technik zeigt nur den Vor­ gang des Komprimierens und Dekomprimierens von Luft, die sich in dem Zylinder befindet, da im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine, wie anhand des vorliegenden Ausführungsbeispieles beschrieben werden soll, beim Stand der Technik kein Kraftstoff in den Zylinder ein­ gespritzt wird.

Da jedoch bei dem Verfahren zum Verstärken der Motor­ bremsleistung eines Verbrennungsmotors zusätzlich, wie bereits erwähnt, Kraftstoff eingespritzt wird, zündet dieser im Bereich der Stelle 4, so daß der Druck im Brennraum sehr rasch ansteigt, was in der Figur ver­ deutlicht ist. Die Zündung erfolgt hierbei als Selbst­ zündung.

Der Druck liegt hierbei wesentlich über dem Druck des normalen Bremsbetriebes, so daß der Kolben des Zylin­ ders gegen diesen hohen Druck Arbeit verrichten muß, wodurch die Bremswirkung erzielt wird.

Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes, d. h. in der Figur an der Stelle 5, wird ein Auslaßventil des Brennraumes geöffnet. Bei diesem Auslaßventil kann es sich um das normale Auslaßventil, also eines der Gas­ wechselventile, des Brennraumes handeln, oder auch um ein speziell zur Durchführung des beschriebenen Ver­ fahrens vorgesehenes Auslaßventil.

Hierdurch fällt der Druck im Brennraum sehr schnell ab, da der Öffnungsquerschnitt des Auslaßventiles so vorgesehen ist, daß sich der hohe Druck in der Brenn­ kammer möglichst schnell abbauen kann, der Öffnungs­ querschnitt ist also sehr groß.

Der Kolben bewegt sich anschließend auf bekannte Art und Weise weiter, wobei das beschriebene Auslaßventil geöffnet bleibt und erst beim nächsten Kompressions­ takt wieder geschlossen wird.

Wie bereits erwähnt, zündet das in den Brennraum ein­ gespritzte Kraftstoff-Luftgemisch an der Stelle 4 von selbst, d. h. es handelt sich bei dem eingespritzten Kraftstoff um Dieselkraftstoff.

Das nach dem Öffnen des Auslaßventiles aus dem Brenn­ raum sehr schnell entweichende Abgas wird vorteilhaf­ terweise einem Abgasturbolader zugeführt.

Der Eingang zu dem Abgasturbolader bzw. zu der Turbine des Abgasturboladers ist jedoch so ausgeführt, daß der Druck vor dem Eingang zur Turbine höher ist als in der Turbine, d. h. es wird künstlich ein Abgasstau vor der Turbine erzeugt. Hierdurch wird das Abgas beim Ein­ tritt in die Turbine beschleunigt, so daß die Turbi­ nen- bzw. Verdichterdrehzahl entsprechend zunimmt und auch der Zylinder des Verbrennungsmotors daher mit ei­ nem relativ hohen Druck über den Verdichter aufgeladen wird.

Dies hat zur Folge, daß der Kolben des Zylinders gegen diesen hohen Druck zusätzlich Arbeit verrichten muß, so daß der Bremseffekt zusätzlich noch erhöht wird. Ein weiterer Vorteil des Aufladens des Zylinders durch die bei dem beschriebenen Verfahren entstehenden Abga­ se liegt darin, daß durch diesen höheren Druck die Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches früher erfolgen kann, so daß sich sehr frühzeitig ein hoher Druck auf­ baut, gegen den der Kolben vor dem Erreichen des obe­ ren Totpunktes Arbeit verrichten muß. Auch dies trägt zu einer deutlichen Erhöhung der Bremsleistung bei.

Hierbei ist es nicht notwendig, daß beim Öffnen des Auslaßventiles das gesamte im Zylinder vorhandene Ab­ gas aus diesem entweicht, vielmehr kann es vorteilhaft sein, wenn ein Rest des Abgases im Zylinder verbleibt, wodurch eine bessere Zündwilligkeit des Kraftstoff- Luftgemisches für den nächsten Kompressionstakt er­ reicht wird.

Wie bereits erwähnt, muß sich vor dem Einlaß zu der Turbine des Abgasturboladers ein höherer Druck auf­ bauen als in der Turbine selbst. Dieser höhere Druck soll jedoch nur während des Bremsbetriebes vorhanden sein, wohingegen im Normalbetrieb der angesprochene hohe Druck am Eingang der Turbine unerwünscht ist.

Für die Praxis heißt dies, daß der engste Strömungs- Querschnitt im Abgasturbolader während des Bremsbe­ triebs im Vergleich zum Normalbetrieb verringert wer­ den muß.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der verengte Querschnitt durch ein axial verschiebliches Leitgitter erzeugt wird, durch welches das aus dem Zy­ linder ausgestoßene Abgas strömt.

Durch die axiale Verschiebung können die Durchlässe im Leitgitter vergrößert oder verkleinert werden, so daß hierdurch auch der Druck am Eingang des Abgasturbola­ ders gesteuert werden kann.

Bei einer weiteren Möglichkeit zur Steuerung des Drucks kann vorgesehen sein, daß das Turbinenrad des Turboladers im Bremsbetrieb von wenigstens einer Flut angeströmt wird, deren Auslaßquerschnitt geringer ist als der Auslaßquerschnitt wenigstens einer weiteren Flut, von welcher das Turbinenrad im Normalbetrieb an­ geströmt wird.

Aufgrund des geringeren Auslaßquerschnittes der weite­ ren Flut baut sich in der weiteren Flut ein gegenüber dem Normalbetrieb, bei dem die andere Flut durchströmt wird, höherer Druck auf, so daß hierdurch die hohen Beschleunigungen des Abgases beim Eintritt in die Tur­ bine des Abgasturboladers erreicht werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Tur­ bine des Turboladers als sowohl axial als auch radial angeströmte Turbine ausgeführt sein, wobei für den Normalbetrieb des Verbrennungsmotors eine große Flut über der radialen Düse des Turboladers angeordnet ist, und für den Bremsbetrieb eine Hilfsflut vorgesehen ist, die die Turbine halbaxial anströmt und im Ver­ gleich zur großen Flut einen geringeren Auslaßquer­ schnitt aufweist.

Auch hierbei wird, wie bereits im Zusammenhang mit der Anströmung der Turbine durch zwei Fluten erwähnt, ein höherer Druck des Abgases beim Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers erreicht, wobei aufgrund des Druckgefälles das Abgas beim Anströmen der Turbine stark beschleunigt wird.

Zusätzlich können in der genannten Turbine noch Spalte vorgesehen sein, die als Lavaldüse wirken, so daß auch hierdurch der Beschleunigungseffekt des Abgases auf­ grund größerer Druckunterschiede erreichbar ist.

Bei bekannten Motorbremsen ist ein sogenannter "Brems­ spalt" hinter der Turbine des Abgasturboladers ange­ ordnet, d. h. das aus dem Abgasturbolader austretende Abgas wird erst nach dem Austritt aus dem Abgasturbo­ lader aufgestaut und entweicht kontinuierlich durch den Bremsspalt.

Bei dem beschriebenen Verfahren kann der Bremsspalt jedoch auch vor dem Eintritt des Turbinenrades des Ab­ gasturboladers angeordnet sein.

Um den beschriebenen Effekt des Druckstaus vor dem Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers zu errei­ chen und um gleichzeitig sicherzustellen, daß beim Öffnen des Auslaßventils der Druck im Zylinder mög­ lichst schlagartig absinkt, muß der Öffnungsquer­ schnitt des Auslaßventiles größer als die Quer­ schnittsfläche der Verengung vor dem Eintritt in das Turbinenrad des Abgasturboladers sein. Diese Veren­ gung, kann, wie bereits beschrieben, als Leitgitter oder als Flut mit geringerem Querschnitt gegenüber dem Flutquerschnitt für den Normalbetrieb ausgeführt sein.

Selbstverständlich sind jedoch auch andere Einrichtun­ gen zur Verengung des Strömungsquerschnittes und/oder zum Erzeugen eines Druckgefälles vor dem Eintritt in die Turbine des Abgasturboladers möglich.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, wobei in der Kompressionsphase vor dem oberen Totpunkt OT eine Kraftstoffeinspritzung und eine anschließende Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, wobei anschließend das entstandene Abgas über ein nach überschreiten des oberen Totpunktes OT zu öffnendes Ventil ausgestoßen wird, und wobei im Bremsbetrieb das Ventil vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Motorbremsleistung im Bremsbe­ trieb des Dieselmotors in der Kompressionsphase in einem Bereich wenigstens 20° Kurbelwinkel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT bei geschlosse­ nem Ventil eine Kraftstoffeinspritzung und eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt und anschließend das entstandene Abgas über das zu öffnende Ventil ausgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgestoßene Abgas in einen Abgasturbolader eingeleitet wird, der im Bremsbetrieb des Diesel­ motors auf einen verengten Einlaßquerschnitt im Vergleich zum Normalbetrieb steuerbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Einlaßquerschnitt durch ein axial ver­ schiebliches Leitgitter erzeugt wird, durch welches das ausgestoßene Abgas strömt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der verengte Einlaßquerschnitt dadurch erzeugt wird, daß das Turbinenrad des Turboladers im Brems­ betrieb von wenigstens einer Flut angeströmt wird, deren Auslaßquerschnitt geringer ist als der Aus­ laßquerschnitt wenigstens einer weiteren Flut, von welcher das Turbinenrad im Normalbetrieb angeströmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung bei 50° Kurbelwinkel bis 60° Kurbelwinkel vor dem Erreichen des oberen Tot­ punktes OT erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine des Abgasturboladers sowohl radial als auch axial anströmbar ist, wobei für den Normalbe­ trieb des Verbrennungsmotors eine große Flut über der radialen Düse des Turboladers angeordnet ist und für den Bremsbetrieb eine Hilfsflut vorgesehen ist, welche die Turbine halbaxial anströmt und im Vergleich zur großen Flut einen geringeren Auslaß­ querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschaufelung der Turbine Spalten vorgesehen sind, die als Lavaldüse wirken.