DE19821130B4

DE19821130B4 - Brennkraftmaschine mit einer Motorstaubremse

Info

Publication number: DE19821130B4
Application number: DE19821130A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Dipl.-Ing. Ospelt
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: DE19821130A1

Abstract

Brennkraftmaschine, die mit einer Motorstaubremse ausgestattet ist, bei der im Auspufftrakt (3) eine Stauklappe (4) angeordnet ist, welche die Strömung von Abgas aus der Brennkraftmaschine unterbindet,
wobei eine Umgehungsleitung (5) vorgesehen ist, die den stromaufwärts der Stauklappe (4) angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes (3) mit dem stromabwärts der Stauklappe (4) angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes (3) verbindet,
und wobei die Umgehungsleitung (5) einen vorbestimmten Drosselquerschnitt aufweist,
wobei in der Umgehungsleitung ein Ventil (6) vorgesehen ist, das den Drosselquerschnitt steuert,
und wobei eine Steuerungseinrichtung (7) vorgesehen ist, welche die Öffnung des Ventils (6) in Abhängigkeit des Drucks im Auspufftrakt (3) stromaufwärts der Stauklappe (4) steuert,
wobei zur Steuerung des Ventils (6) im Auspufftrakt (3) stromaufwärts der Stauklappe (4) bzw. stromaufwärts des Ventils (6) ein Druckaufnehmer (10) angeordnet ist,
und wobei eine Sperrluftleitung (11) im Bereich des Druckaufnehmers (10) in den Auspufftrakt (3) oder in eine Druckzuleitung zum...

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, die mit einer Motorstaubremse ausgestattet ist.
Bei herkömmlichen Motorstaubremsen ist im Auspufftrakt des Motors eine Klappe angeordnet, die für den Bremsbetrieb umgeschaltet wird, so dass sie den Auspufftrakt möglichst dicht abschließt. Gleichzeitig wird die Einspritzpumpe auf Nullförderung umgestellt. Der Motor wird dabei vom schiebenden Fahrzeug angetrieben, und der Druck steigt im Auspuff stromaufwärts der Stauklappe durch die Pumpwirkung des Motors so lange an, bis Auslassventile aufgedrückt werden und Abgas in einen anderen Zylinder zurückgeschickt wird. Ab diesem Zeitpunkt wird einlassseitig keine Luft mehr angesaugt, sondern es wird nur mehr Gas zwischen der Auspuffleitung und den einzelnen Zylindern hin und her gepumpt. Durch die starke Drosselwirkung an den aufgedrückten Ventilen wird eine erhebliche Energiemenge von mechanischer Arbeit in Wärme umgesetzt. Die entstehende Wärme wird fast vollständig über das Kühlwasser abgeführt. Das Bremsmoment, das mit einer solchen Staubremse erzielbar ist, hängt unter sonst gleichen Umständen sehr stark von der Vorspannung der Ventilfedern der Auslassventile ab. Je stärker diese Vorspannung ist, um so größer wird der Druck, der im Bremsbetrieb erzielt wird, und um so mehr Arbeit kann in Wärme umgesetzt werden. Andererseits steigt auf diese Weise auch die Temperatur in der Brennkraftmaschine an. Begrenzend für die Auslegung der Motorbremse ist zur Zeit die höchstzulässige Temperatur an den Düsenkuppen der Einspritzdüsen. Die Einspritzdüsen werden naturgemäß im Bremsbetrieb nicht durch den durchfließenden Kraftstoff gekühlt, so dass die Düsenkuppen im wesentlichen die Brennraumwandtemperatur annehmen.
Da die Nutzfahrzeugmotoren durch technische Weiterentwicklung immer leistungsfähiger werden, ist es möglich, den Hubraum für solche Fahrzeuge im Vergleich zu früheren Motoren zu verringern. Um jedoch die gleiche Bremsleistung abführen zu können, ist es erforderlich, bei der Motorbremse zusätzliche Maßnahmen zu setzen.
Aus der DE 195 40 060 A1 ist eine Motorbremseinrichtung mit einer in der Abgasleitung angeordneten Abgassperrvorrichtung bekannt, welche über eine Bypassleitung umgehbar ist. Dadurch können dem Turbinenrad des Abgasturboladers Luftmassen unter hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden, wodurch ein höherer Luftmassendurchsatz erzielt und die Bremsleistung erhöht werden kann. Allerdings ist die Steuerung der die Bypassleitung passierenden Abgasströmung relativ ungenau, so dass eine ungenügende Motorbremsleistung oder eine Überhitzung der Düsenkuppen der Einspritzdüsen eintreten kann.
Die DE 36 10 131 A1 beschreibt eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einer in eine Abgasleitung betriebsartabhängig als Drosselstelle wirkenden Turbine eines Abgasturboladers. Bei Schubbetrieb wird zur Reduzierung des Motorschleppmoments ein Bypass um die Turbine in Offenstellung gesteuert. Die Bremsleistung ist allerdings relativ gering.
Die DE 691 14 133 T2 offenbart einen Abgasmodulator in einer Auspuffanlage eines Motors, bei der eine Abgasstauklappe eine mit einem Zungenventil verschlossene Bypassöffnung aufweist, um den den Motor beaufschlagenden Gegendruck zu begrenzen. Das Zungenventil gibt ab einem bestimmten Gegendruck eine definierte Durchtrittsöffnung frei. Die Durchtrittsöffnung wird auf rein mechanischem Wege selbsttätig gesteuert. Eine Anpassung des Druckes stromaufwärts der Abgasstauklappe an den jeweiligen Motorbremspunkt ist nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bremsleistung einer Motorstaubremse der eingangs beschriebenen Art zu erhöhen, ohne die Lebensdauer des Motors und insbesondere der Einspritzdüse zu beeinträchtigen, wobei eine Anpassung an den jeweiligen Motorbetriebspunkt möglich sein soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass aus den oben beschriebenen Gründen die Wärmemenge, die durch das Kühlwasser während des Bremsbetriebs abgeführt werden kann, durch die maximale Temperatur der Einspritzdüsenkuppen begrenzt ist. Da bei vollständig geschlos sener Stauklappe keinerlei Gasaustausch mit der Umgebung stattfindet, entspricht diese abgeführte Wärmemenge auch der Bremsleistung. Wenn man nun einen begrenzten Enthalpiestrom durch die Brennkraftmaschine zulässt, indem ein Gasaustausch ermöglicht wird, kann zusätzlich zu der durch das Kühlwasser abgeführten Wärmemenge eine Wärmemenge abgeführt werden, die der Differenz des Enthalpiestroms des aus dem Auspuff austretenden Gases und des Enthalpiestroms der einlassseitig einströmenden Gase entspricht. Durch die Kühlwirkung des angesaugten Frischgases können bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine die Ventilfedern der Auslassventile eine größere Vorspannung aufweisen, ohne die Düsenkuppen thermisch überzubeanspruchen.
Dadurch dass in der Umgehungsleitung ein Ventil angeordnet ist, das den Drosselquerschnitt steuert, kann der Druck vor der Stauklappe auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden. Auf diese Weise ist es möglich, schon bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Motorbremsleistung zu erzielen, ohne bei höheren Drehzahlen in einen unzulässigen Bereich zu kommen. Darüber hinaus kann ein Verschleiß, der die Wirksamkeit der Motorbremse während der Motorlebensdauer beeinträchtigt, vermieden werden.
Die auf den Druckaufnehmer gerichtete Sperrluft verhindert nachhaltig ein Verschmutzen des Druckaufnehmers durch den im Auspuffgas enthaltenen Ruß. Dadurch kann die Standzeit und Zuverlässigkeit der Motorbremse wesentlich erhöht werden.
Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Sperrluftleitung stromabwärts des Verdichters des Abgasturboladers von der Ansaugleitung ausgeht. Nach dem Turbolader und dem Ladeluftkühler steht im gesamten Lastbereich des Motors kühle und reine Luft zur Verfügung, die einen höheren Druck aufweist als in der Zuleitung zum Druckaufnehmer des Ventils in der Umgehungsleitung herrscht. Eine geringe Menge dieser Luft wird somit als Sperrluft im Bereich des Druckaufnehmers bzw. in die Druckzuleitung zum Druckaufnehmer eingeblasen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Sperrluftleitung eine Drossel und/oder ein Rückschlagventil angeordnet ist. Die Sperrluftmenge wird durch die Drossel bestimmt. Wenn die Abgasklappe geschlossen wird, so erhöht sich der Druck in der Druckzuleitung zum Druckaufnehmer. Ein Rückströmen von Abgas in die Sperrluftleitung und damit in die Saugleitung des Motors wird durch das Rückschlagventil verhindert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß der Druckaufnehmer und die Mündung der Sperrluftleitung in der Umgehungsleitung angeordnet sind. Alternativ dazu kann der Druckaufnehmer aber auch in der Sperrluftleitung selbst angeordnet sein. Die Mündung der Sperrleitung ist vor zugsweise im Auspufftrakt stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordnet. Dadurch ist gewährleistet, dass im Bereich der Mündung ein geringerer Druck herrscht als im Bereich der Saugleitung.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 ein Schaltbild einer Brennkraftmaschine mit Motorstaubremse,
2 eine Motorstaubremse mit einem federbelasteten Ventil in einer Bypassleitung,
3 und 4 Motorstaubremsen mit federbelasteten Ventilen in der Stauklappe,
5 und 6 Schaltbilder von erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen in zwei Auführungsvarianten.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt, die über eine Ansaugleitung 2 und einen Auspufftrakt 3 verfügt. In dem Auspufftrakt 3 ist eine Stauklappe 4 angeordnet. Stromaufwärts der Stauklappe 4 zweigt eine Umgehungsleitung 5 ab, in der ein Ventil 6 angeordnet ist. Stromabwärts der Stauklappe 4 mündet die Umgehungsleitung 5 wieder in die Auspuffleitung ein. Das Ventil 6 wird von einer Steuerungseinrichtung 7 gesteuert, die mit nicht dargestellten Sensoren für den Druck stromaufwärts der Stauklappe 4, der Motortemperatur oder ähnlichen Parametern in Verbindung steht.
In der Ausführungsvariante der 2 ist in der Umgehungsleitung 5 ein Druckbegrenzungsventil 6a angeordnet. Das Druckbegrenzungsventil 6a wird durch eine Feder 8 im geschlossenen Zustand gehalten. Erst wenn der Druck strom aufwärts des Druckbegrenzungsventils 6a einen vorbestimmten Wert überschreitet, öffnet das Druckbegrenzungsventil 6a, um Gas durch die Umgehungsleitung 5 strömen zu lassen. Durch diese Lösung wird in einfacher Weise erreicht, daß auch bei niederen Drehzahlen eine ausreichende Bremsleistung zur Verfügung gestellt werden kann.
In der 3 ist ein Druckbegrenzungsventil 6b mit einer Feder 8b, das in seinem Aufbau ähnlich dem der Ausführungsvariante von 2 ist, direkt in der Drosselklappe 4b angeordnet. Auf diese Weise ist ein besonders einfacher Aufbau erreichbar, da keine Umgehungsleitung notwendig ist.
Die Ausführungsvariante der 4 entspricht im wesentlichen der von 3, mit dem Unterschied, daß das Druckbegrenzungsventil 6c, das in der Stauklappe 4c angeordnet ist, durch eine Blattfeder 8c in die geschlossene Stellung vorgespannt wird.
In den 5 und 6 ist jeweils eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt, die eine Ansaugleitung 2 und einen Auspufftrakt 3 aufweist. Im Auspufftrakt 3 ist eine Stauklappe 4 angeordnet, stromaufwärts welcher eine Umgehungsleitung 5 abzweigt. Der Durchfluß in der Umgehungsleitung 5 kann über ein Ventil 6 gesteuert werden. Die Umgehungsleitung 5 mündet stromabwärts der Stauklappe 4 wieder in den Auspufftrakt 3 ein. Das Ventil 6 wird von einer Steuerungseinrichtung 7 gesteuert, die mit einem Druckaufnehmer 10 stromaufwärts des Ventils 6 bzw. stromaufwärts der Stauklappe 4 in Verbindung steht. Dabei ist das Funktionsprinzip des Druckaufnehmers 10 – mechanisch oder elektrisch – unerheblich.
Zwischen der Ansaugleitung 2 und der Umgehungsleitung 5 ist eine Sperrluftleitung 11 vorgesehen, welche im Bereich des Druckaufnehmers 10 in die Umgehungsleitung 5 (5) bzw. in eine Zuleitung zum Druckaufnehmer 10 einmündet. Wie in der 6 dargestellt ist, kann alternativ zur in 5 gezeigten Ausführung der Druckaufnehmer 10 auch in der Sperrluftleitung 11 angeordnet sein. In beiden Ausführungen wird der Sensorteil des Druckaufnehmers von reinem Sperrgas umspült und ein Verschmutzen verhindert.
In der Sperrluftleitung 11 ist eine Drossel 12 und ein Rückschlagventil 13 angeordnet. Die Sperrluftmenge wird dabei durch die Drossel 12 bestimmt. Das Rückschlagventil 13 verhindert, daß beim Schließen der Abgasklappe 4 Abgas in die Sperrluftleitung 11 und damit in die Ansaugleitung 2 des Motors zurückströmt.
Stromaufwärts der Umgehungsleitung 5 ist im Auspuffstrang 3 der Turbinenteil 17 einer Abgasturbine 15 angeordnet. Die Sperrluftleitung 11 geht dabei stromabwärts des Verdichters 16 der Abgasturbine 15 sowie des Ladeluftkühlers 18 von der Ansaugleitung 2 aus.
Dadurch, daß die Sperrluft durch die Sperrluftleitung 11 in den Auspuffstrang 3 strömt, wird nicht nur ein Eindringen von Rußpartikeln in die Zuleitung zum Druckaufnehmer 10 und ein Verschmutzen des Druckaufnehmers verhindert, sondern auch eine Kühlung des Druckaufnehmers 10 bewirkt. Dies ermöglicht eine bedeutend höhere Standzeit der Motorbremse und verringert notwendige Wartungsarbeiten.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Bremsleistung einer Brennkraftmaschine, ohne die Düsenkuppen der Einspritzdüsen stärker thermisch zu belasten. Dies wird dadurch erreicht, daß ein nennenswerter Enthalpiestrom durch heiße Gase aus dem Auspuffsystem abgeführt werden kann.

Claims

Brennkraftmaschine, die mit einer Motorstaubremse ausgestattet ist, bei der im Auspufftrakt (3) eine Stauklappe (4) angeordnet ist, welche die Strömung von Abgas aus der Brennkraftmaschine unterbindet, wobei eine Umgehungsleitung (5) vorgesehen ist, die den stromaufwärts der Stauklappe (4) angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes (3) mit dem stromabwärts der Stauklappe (4) angeordneten Abschnitt des Auspufftraktes (3) verbindet, und wobei die Umgehungsleitung (5) einen vorbestimmten Drosselquerschnitt aufweist, wobei in der Umgehungsleitung ein Ventil (6) vorgesehen ist, das den Drosselquerschnitt steuert, und wobei eine Steuerungseinrichtung (7) vorgesehen ist, welche die Öffnung des Ventils (6) in Abhängigkeit des Drucks im Auspufftrakt (3) stromaufwärts der Stauklappe (4) steuert, wobei zur Steuerung des Ventils (6) im Auspufftrakt (3) stromaufwärts der Stauklappe (4) bzw. stromaufwärts des Ventils (6) ein Druckaufnehmer (10) angeordnet ist, und wobei eine Sperrluftleitung (11) im Bereich des Druckaufnehmers (10) in den Auspufftrakt (3) oder in eine Druckzuleitung zum Druckaufnehmer (10) so einmündet, dass der Druckaufnehmer (10) von Sperrluft angeblasen wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 mit einem Abgasturbolader (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrluftleitung (11) stromabwärts eines Verdichters (16) des Abgasturboladers (15) von der Ansaugleitung (2) ausgeht.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sperrluftleitung (11) eine Drossel (12) und ein Rückschlagventil (13) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (10) und eine Mündung (14) der Sperrluftleitung (11) in der Umgehungsleitung (5) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer (10) in der Sperrluftleitung (11) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 mit einem Abgasturbolader (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (14) der Sperrluftleitung (11) stromabwärts der Turbine (17) des Abgasturboladers (15) angeordnet ist.