EP0407842A1 - Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0407842A1 EP90112529A EP90112529A EP0407842A1 EP 0407842 A1 EP0407842 A1 EP 0407842A1 EP 90112529 A EP90112529 A EP 90112529A EP 90112529 A EP90112529 A EP 90112529A EP 0407842 A1 EP0407842 A1 EP 0407842A1
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piston
valve
engine brake
exhaust
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Dieter Wittmann
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/06—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for braking
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/04—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning exhaust conduits
    • F02D9/06—Exhaust brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to an engine brake for air-compressing internal combustion engines.
  • engine brakes which consist of a throttle valve in the engine exhaust.
  • This throttle valve blocks the engine exhaust when the engine brake is actuated, so that the air in the engine cylinder and a subsequent exhaust manifold compresses during the exhaust stroke and thus leads to a braking effect.
  • the throttle valve is usually kept smaller in diameter than the exhaust pipe in order to avoid excessive pressure values.
  • valve train In order to increase the braking power of air-compressing internal combustion engines, it is also known according to DE-OS 30 26 529 to provide the valve train with an effective length of a valve train linkage in the sense of an opening movement of an exhaust valve controllable telescopic member.
  • a piston is installed in a valve tappet, which is acted upon by a pump piston of a hydraulic pump unit via a tappet rod and can open the outlet valve outside the regular opening phase in order to blow off compressed air in the compression cycle, as a result of which the compression work supplied to the piston is destroyed.
  • Each piston of the exhaust valves of a multi-cylinder internal combustion engine has its own Pump piston of the hydraulic pump unit combined into one unit connected via a line.
  • the pump pistons are arranged in a star shape around a cam, which rotates synchronously with a camshaft.
  • This cam can advantageously be arranged on the camshaft itself.
  • the cam is shaped so that the exhaust valves open in the compression cycle in order to blow off the compressed air via an exhaust pipe.
  • Such a unit allows the braking power of the engine to be increased compared to the throttling in the exhaust line which is otherwise customary in the course of the exhaust stroke. Nevertheless, even with such an engine brake, one is unable to bring the braking power into the range of the order of magnitude of the engine useful power.
  • the object of the invention is to further develop an engine brake in such a way that its braking power penetrates into the range of the useful power of the engine.
  • the braking effect is used both in the compression stroke and in the extension stroke, and there is also a reaction of the air compressed in the engine exhaust pipe from one cylinder to another cylinder, the Exhaust valve is in the open position, so that an increase in the braking power by 80-90% can be achieved compared to a generally customary exhaust brake and an increase in the braking power by 50 to 60% can be achieved compared to a known engine brake according to DE-OS 30 26 259 and the Braking power is almost equal to the useful power of the engine.
  • the compressed air brake is thus relieved on long journeys on a downhill slope and the driving speed on a downhill slope can be increased. The result is a significant reduction in brake pad wear. The risk of brake failure due to overheating is also reduced.
  • an exhaust valve 1 is not only actuated by a cam drive 2, but can also be moved by a piston 3.
  • This piston 3 is acted on by a line 4 from a hydraulic pump unit 5 with hydraulic fluid, with each piston 3 of the outlet valve 1 of a multi-cylinder internal combustion engine in the hydraulic pump unit 5 each having a pump piston 6, which can be raised by a cam 7 such that the outlet valve can be raised by the piston 3, as shown in the operating phase shown.
  • the compressed air throttled through the exhaust valve 1 into an engine exhaust pipe 8 (FIG. 2) can be blown off during a compression stroke and the back expansion work can be destroyed by the control times selected according to the invention.
  • this type of engine brake is combined with a generally known engine brake according to FIG. 2, in which the engine exhaust pipe 8 is partially blocked by a throttle valve 12 when the engine brake is actuated.
  • the throttle valve 12 is adjusted by means of an adjustment mechanism 10, which in the exemplary embodiment shown is designed as a pneumatic piston-cylinder unit 11.
  • the hydraulic pump unit 5 is simultaneously activated by actuating the engine brake, by using compressed air from a vehicle brake system via a pressure line 11 branching into a first and second line 11a, 11b of both the piston-cylinder unit and a control valve (not shown) 10 and the hydraulic pump unit 5 is supplied.
  • braking work is carried out both in the compression stroke and in the extension stroke.
  • the throttle valve 12 in the engine exhaust pipe 8 is being closed, the exhaust valve 1 is opened by the piston 3 via the pump piston 6 during the compression stroke and the compressed air is throttled through the exhaust valve 1 into the engine exhaust pipe 8 which is closed by the throttle valve 12, whereby the back expansion work is destroyed.
  • the throttle valve 12 is made with a slightly smaller diameter than the engine exhaust pipe, so that an annular gap remains through which a part of the compressed air can escape. The reaction of the compressed air to the pistons of other cylinders, the exhaust valves of which are currently in the open position and which then contribute to the braking power, is particularly advantageous.
  • Figure 3 shows a control diagram of the piston, intake and exhaust valve, in which the opening stroke of the valves or the piston travel is plotted as a function of the crank angle. It can be seen from this that the exhaust valve in a first opening phase is slightly more than 180 ° before an ignition dead center in the first point 13 opens and closes at point 14 shortly after ignition dead center. The stroke of the exhaust valve in this opening phase is approximately 1 to 2.5 mm.
  • the compressed air is throttled out through the only partially opened outlet valve 1 (FIG. 1) against an excess pressure of approx. 5 to 6 bar, which builds up when the throttle valve 12 closes. By pushing the air out in the compression cycle, the back expansion work is destroyed.
  • a particular advantage of these control times is that there is only a slight load on an engine valve train and the hydraulic outlet valve actuation at the maximum braking power, since the final compression pressure is greatly reduced.
  • FIG. 4 The braking work performed when the engine brake is actuated is shown in a pressure piston travel diagram in FIG. 4. Beginning at point 17, the air is first pushed out against the pressure building up in the engine exhaust pipe 8 (FIG. 2) following a curve 19 until point 18 reaches top dead center. In a subsequent expansion cycle, the pressure drops following a second curve 20 until the bottom dead center is reached again in point 17.
  • the extension stroke follows, the pressure curve starting at point 17 following a third curve 21 until top dead center is reached again and after opening an intake valve the pressure drops to a pressure prevailing in the intake system.
  • a braking work performed in the first opening phase of the exhaust valve is represented by the area A1 shaded perpendicular to the abscissa and the braking work performed in the second opening phase of the exhaust valve is represented by the obliquely hatched area A2.
  • the braking power is increased by approx. 80 to 90% and compared to an engine brake according to DE-OS 30 26 529, an approx. 50 to 60% increased braking power is achieved, which is almost the same at maximum engine speed Effective performance achieved.
  • the engine brake according to the invention can also be actuated in a graduated manner if only the hydraulic pump unit 5 or the throttle valve 12 (FIG. 2) is actuated separately from one another.
  • a particular advantage of the engine brake according to the invention is the full utilization of the mechanical strength of the piston and crank drive and the engine cooling system in braking mode.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen. Zur Verbesserung der Bremsleistung der Brennkraftmaschine wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine allgemein bekannte Motorbremse durch Drosselung eines Motor-Auspuffs mittels einer Drosselklappe mit einer ebenfalls bekannten Motorbremse zu kombinieren, bei der ein Auspuffventil (1) zusätzlich zum Nockentrieb (2) durch einen Kolben (3) während des Ausschubtaktes geringfügig angehoben werden kann. Durch die erfindungsgemäße Kombination wird Bremsarbeit nicht nur im Ausschubtakt, sondern auch im Kompressionstakt verrichtet, so daß sich die Bremsleistung um ca. 50 bis 60 % und gegenüber den heute gebräuchlichen Auspuffbremsen um 80 bis 90 % erhöhen läßt und in den Bereich der Nutzleistung vordringt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorbremse für luftver­dichtende Brennkraftmaschinen.
  • Zur Unterstützung des Bremssystems bei Nutzfahrzeugen ver­wendet man Motorbremsen, welche aus einer Drosselklappe im Motorauspuff bestehen. Diese Drosselklappe versperrt bei Betätigung der Motorbremse den Motorauspuff, so daß sich während des Ausschubtaktes die Luft im Motorzylinder und einem anschließenden Auspuffkrümmer verdichtet und so zu einer Bremswirkung führt. Die Drosselklappe ist in der Regel im Durchmesser kleiner gehalten als das Auspuffrohr, um zu hohe Druckwerte zu vermeiden. Mit einer solchen Motorbremse lassen sich, gemessen an der Nutzleistung des Motors nur recht bescheidene Bremsleistungen erzielen, die lediglich die Druckluftbremse unterstützen können.
  • Zur Erhöhung der Bremsleistung von luftverdichtenden Brenn­kraftmaschinen ist es ferner nach DE-OS 30 26 529 bekannt, in den Ventiltrieb ein die wirksame Länge eines Ventiltriebge­stänges im Sinne einer Öffnungsbewegung eines Auslaßventils steuerbares Teleskopglied vorzusehen. Zu diesem Zweck ist in einem Ventilstößel ein Kolben eingebaut, welcher von einem Pumpenkolben einer Hydraulikpumpeneinheit beaufschlagt über eine Stößelstange das Auslaßventil außerhalb der regulären Öffnungsphase öffnen kann, um im Kompressionstakt verdichtete Luft abzublasen, wodurch die dem Kolben zugeführte Verdich­tungsarbeit vernichtet wird. Jeder Kolben der Auslaßventile einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist mit einem eigenen Pumpenkolben der zu einer Einheit zusammengefaßten Hydraulik­pumpeneinheit über eine Leitung verbunden. Die Pumpenkolben sind sternförmig um einen Nocken angeordnet, welcher synchron mit einer Nockenwelle umläuft. Vorteilhafterweise kann dieser Nocken auf der Nockenwelle selbst angeordnet sein. Der Nocken ist dabei so geformt, daß die Auslaßventile jeweils im Kompressionstakt öffnen, um die verdichtete Luft über eine Auspuffleitung abzublasen. Eine solche Einheit gestattet es die Bremsleistung des Motors gegenüber der sonst üblichen Drosselung in der Auspuffleitung im Zuge des Ausschubtaktes zu erhöhen. Trotzdem ist man auch mit einer solchen Motorbremse nicht in der Lage, die Bremsleistung in den Bereich der Größenordnung der Motor-Nutzleistung zu bringen.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Motorbremse so weiterzuentwickeln, daß ihre Bremsleistung in den Bereich der Nutzleistung des Motors vordringt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
  • Durch die Kombination zweier an sich bekannter Merkmale und die synchrone Betätigung von Drosselklappe und hydraulischer Ventilbetätigung wird die Bremswirkung sowohl im Kompressions­takt als auch im Ausschubtakt genutzt, außerdem findet eine Rückwirkung der im Motor-Auspuffrohr verdichteten Luft von einem Zylinder auf einen anderen Zylinder statt, dessen Auspuffventil in Öffnungsstellung ist, so daß sich gegenüber einer heute allgemein üblichen Auspuffbremse eine Erhöhung der Bremsleistung um 80 - 90 % erzielen läßt und gegenüber einer bekannten Motorbremse nach DE-OS 30 26 259 eine Erhöhung der Bremsleistung um 50 bis 60 % erzielen läßt und die Brems­leistung der Nutzleistung des Motors nahezu gleich kommt. Bei langen Fahrten im Gefälle wird somit die Druckluftbremse entlastet und die Fahrgeschwindigkeit bei Gefällefahrt kann gesteigert werden. Eine wesentliche Reduzierung des Verschleißes der Bremsbeläge ist die Folge. Außerdem wird die Gefahr des Versagens der Bremse durch Überhitzung vermindert.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen 2 bis 6 entnehmen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
    • Figur 1 einen Ventiltrieb mit Hydraulikpumpeneinheit und Kolben zur Betätigung eines Auspuffventils
    • Figur 2 eine Hydraulikpumpeneinheit mit einer in ein Auspuffrohr eingebauten Drossel mit gemeinsamer Ansteuerung
    • Figur 3 ein Steuerdiagramm von Kolben- und Ventilwegen.
    • Figur 4 ein Druck-Kolbenwegdiagramm der Kombinationsbremse.
  • Ein Auslaßventil 1 wird nach Figur 1 nicht nur durch einen Nockenantrieb 2 betätigt, sondern kann zusätzlich durch einen Kolben 3 bewegt werden. Dieser Kolben 3 wird über eine Leitung 4 von einer Hydraulikpumpeneinheit 5 mit Druckflüssigkeit beaufschlagt, wobei jedem Kolben 3 des Auslaßventils 1 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine in der Hydraulikpumpenein­heit 5 je ein Pumpenkolben 6 zugeordnet ist, welcher durch einen Nocken 7 derart angehoben werden kann, daß das Auslaß­ventil durch den Kolben 3, wie in der dargestellten Betriebs­phase gezeigt, angehoben werden kann. Dadurch kann während eines Kompressionstaktes die verdichtete Luft durch das Auslaßventil 1 gedrosselt in ein Motor-Auspuffrohr 8 (Figur 2) abgeblasen und die Rückexpansionsarbeit durch die erfindungs­gemäß gewählten Steuerzeiten vernichtet werden. Die von einem Motorkolben zu verrichtende Verdichtungsarbeit steht somit zusätzlich zu der bei Motorbremsen sonst üblichen Ausschiebe­arbeit gegen eine Drossel im Motor-Auspuffrohr 8 als Brems­arbeit zu Verfügung. Bezüglich konstruktiver Details von Hydraulikpumpeneinheit 5 und Auslaßventil 1 darf auf DE-OS 30 26 529 verwiesen werden.
  • Erfindungsgemäß wird nach Figur 2 diese Art der Motorbremse mit einer allgemein bekannten Motorbremse kombiniert, bei welcher durch die Betätigung der Motorbremse das Motor-Auspuff­rohr 8 durch eine Drosselklappe 12 teilweise versperrt wird. Die Verstellung der Drosselklappe 12 erfolgt mittels eines Verstellmechanismus 10 der im dargestellten Ausführungsbei­spiel als eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit 11 ausge­führt ist. Zur Erzielung der maximalen Bremswirkung wird durch Betätigung der Motorbremse gleichzeitig die Hydraulikpumpen­einheit 5 aktiviert, indem durch ein nicht dargestelltes Steuerventil Druckluft aus einem Fahrzeug-Bremssystem über eine sich in eine erste und zweite Leitung 11a, 11b ver­zweigende Druckleitung 11 sowohl der Kolben-Zylinder-Einheit 10 als auch der Hydraulikpumpeneinheit 5 zugeführt wird.
  • Durch die gleichzeitige, also synchrone Aktivierung der Kolbenzylindereinheit 10 und der Hydraulikpumpeneinheit 5 wird Bremsarbeit sowohl im Verdichtungstakt, als auch im Ausschubtakt verrichtet. Während die Drosselklappe 12 im Motor-Auspuffrohr 8 geschlossen wird, wird durch den Kolben 3 über den Pumpen­kolben 6 das Auslaßventil 1 während des Kompressionstaktes geöffnet und die verdichtete Luft durchs Auslaßventil 1 gedrosselt in das durch die Drosselklappe 12 verschlossene Motorauspuffrohr 8 abgeblasen, wodurch die Rückexpansionsarbeit vernichtet wird. Um einen zu hohen Staudruck im Motor-Auspuff­rohr 8 zu vermeiden, wird die Drosselklappe 12 mit einem etwas kleineren Durchmesser als das Motor-Auspuffrohr ausgeführt, so daß ein Ringspalt verbleibt, durch den ein Teil der verdichteten Luft entweichen kann. Besonders vorteilhaft ist die Rückwirkung der verdichteten Luft auf die Kolben anderer Zylinder, deren Auspuffventile gerade in Offenstellung sind, welche dann an der Bremsleistung mitwirken.
  • Figur 3 zeigt ein Steuerdiagramm von Kolben, Ein- und Auslaß­ventil, bei dem der Öffnungshub der Ventile, bzw. der Kolbenweg als Funktion über dem Kurbelwinkel aufgetragen ist. Daraus erkennt man, daß das Auslaßventil in einer ersten Öffnungsphase etwas mehr als 180° vor einem Zünd-Totpunkt im ersten Punkt 13 öffnet und kurz nach Zünd-Totpunkt in einem Punkt 14 schließt. Der Hub des Auslaßventils beträgt in dieser Öffnungsphase etwa 1 bis 2,5 mm. Die verdichtete Luft wird gedrosselt durch das nur teilweise geöffnete Auslaßventil 1 (Figur 1) gegen einen Überdruck von ca. 5 bis 6 bar ausgeschoben, der sich durch das Schließen der Drosselklappe 12 aufbaut. Durch das Ausschieben der Luft im Kompressionstakt wird die Rückexpansionsarbeit vernichtet.
  • Rechnerische Untersuchungen haben ergeben, daß eine maximale Bremswirkung dann eintritt, wenn zusätzliche zu einer zweiten Öffnungsphase des Auslaßventils im Normalbetrieb zwischen den Punkten 15 und 16 durch die Hydraulikpumpeneinheit 5 (Figur 1) die erste Öffnungsphase in den Punkten 13 und 14 zwischen den Kurbelwinkeln 180° ± 40° vor Zünd-Totpunkt OT und 40° ± 40° nach Zünd-Totpunkt OT ausgelöst wird.
  • Ein besonderer Vorteil dieser Steuerzeiten besteht darin, daß sich beim Maximum der Bremsleistung nur eine geringe Belastung eines Motor-Ventiltriebes und der hydraulischen Auslaß-Ventil­betätigung ergibt, da der Verdichtungsenddruck stark verringert wird.
  • Die bei Betätigung der Motorbremse verrichtete Bremsarbeit ist in einem Druck-Kolbenwegdiagramm in Figur 4 dargestellt. Beginnend in Punkt 17 wird zunächst die Luft gegen den sich im Motor-Auspuffrohr 8 (Figur 2) aufbauenden Druck einer Kurve 19 folgend ausgeschoben, bis im Punkt 18 der obere Totpunkt erreicht ist. In einem anschließenden Expansionstakt fällt der Druck einer zweiten Kurve 20 folgend ab, bis in Punkt 17 wieder der untere Totpunkt erreicht ist.
  • Nach dem Öffnen des Auslaßventils entsprechend dem Motor-Normal­betrieb (siehe Punkte 15 und 16 in Figur 3) folgt der Ausschub­takt, wobei der Druckverlauf, beginnend bei Punkt 17 einer dritten Kurve 21 folgt, bis wieder der obere Totpunkt erreicht ist und nach Öffnen eines Einlaßventils der Druck bis zu einem im Ansaugsystem herrschenden Druck abfällt.
  • Eine in der ersten Öffnungsphase des Auslaßventils verrichtete Bremsarbeit wird durch die zur Abszisse senkrecht schraffierte Fläche A1 dargestellt und die in der zweiten Öffnungsphase des Auslaßventils verrichtete Bremsarbeit wird durch die schräg schraffierte Fläche A2 repräsentiert.
  • Gegenüber einer heute weit verbreiteten Auspuffbremse wird die Bremsleistung um ca. 80 bis 90 % erhöht und gegenüber einer Motorbremse nach DE-OS 30 26 529 wird eine um ca. 50 bis 60 % gesteigerte Bremsleistung erzielt, welche bei Motor-Höchst-­Drehzahl fast die Nutzleistung erreicht. Die erfindungsgemäße Motorbremse kann auch in abgestufter Art und Weise betätigt werden, wenn man nur die Hydraulikpumpeneinheit 5 oder die Drosselklappe 12 (Figur 2) getrennt voneinander betätigt.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Motorbremse besteht in der vollen Ausnutzung der mechanischen Festigkeit des Kolben- und Kurbeltriebs und der Motorkühlanlage im Bremsbetrieb.

Claims (6)

1. Motorbremse für luftverdichtende Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß:
a) ein Auslaßventil (1) zusätzlich zu einem Nockenan­trieb (2) von einem in einem Ventiltrieb eingebauten Kolben (3) betätigbar ist, wobei der Kolben (3) von einer Hydraulikpumpeneinheit (5) beaufschlagbar ist, daß in dieser Hydraulikpumpeneinheit (5) jedem Kolben (3) eines Auslaßventils (1) ein Pumpenkolben (6) zugeordnet ist, und daß diese Pumpenkolben (6) von einem synchron mit dem Nockenantrieb (2) um­laufenden Nocken (7) betätigbar sind,
b) in einem Motor-Auspuffrohr (8) eine durch einen Verstellmechanismus (10) betätigbare Drosselklappe (12) vorgesehen ist,
c) die Hydraulikpumpeneinheit (5) und der Verstell­mechanismus (10) bei Betätigung der Motorbremse durch eine Steuerung bei voller Bremsleistung synchron, dagegen bei abgestufter Bremsleistung getrennt aktivierbar sind.
2. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit (11) ausgebildet ist, und daß diese bei Betätigung der Motorbremse durch Druckluft aus einem Fahrzeug-Bremssystem beaufschlagbar ist.
3. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine elektrische Einrich­tung ausgebildet ist.
4. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) als eine hydraulische Einrichtung ausgebildet ist.
5. Motorbremse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Verstellmechanismus (10) durch eine von einem gemeinsamen Steuerventil ausgehende sich auf die Kolben-Zylinder-Einheit (11) und die Hydraulikpumpen­einheit (5) verzweigende Druckleitung (11) beaufschlagbar ist.
6. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (7) der Hydraulikpumpeneinheit (5) derart geformt ist, daß die Auslaßventile (1) über den Kolben (3) in einem Bereich 180° ± 40° Kurbelwinkel vor oberem Zünd-Totpunkt geöffnet und in einem Bereich 40° ± 40° Kurbelwinkel nach Zünd-Totpunkt wieder geschlossen werden.
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