EP1526257A2 - Motorstaubremsvorrichtung einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Motorstaubremsvorrichtung einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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EP1526257A2
EP1526257A2 EP04023313A EP04023313A EP1526257A2 EP 1526257 A2 EP1526257 A2 EP 1526257A2 EP 04023313 A EP04023313 A EP 04023313A EP 04023313 A EP04023313 A EP 04023313A EP 1526257 A2 EP1526257 A2 EP 1526257A2
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EP
European Patent Office
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valve
engine
exhaust
control
control piston
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EP04023313A
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English (en)
French (fr)
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EP1526257A3 (de
EP1526257B1 (de
Inventor
Franz Dipl.-Ing. Rammer
Gottfried Dipl.-Ing. Raab
Franz Ing. Leitenmayr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN Truck and Bus SE
Original Assignee
MAN Nutzfahrzeuge AG
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Publication date
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Publication of EP1526257A3 publication Critical patent/EP1526257A3/de
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    • F01L2820/00Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/02Formulas

Definitions

  • the invention relates to a motor dust brake device of a 4-stroke reciprocating internal combustion engine with features according to the preamble of claim 1.
  • the invention is based on EP 0736672 B1.
  • the relevant outlet valve is controllable via a rocker arm which can be actuated either directly or via a push rod.
  • the parts of the braking device are considered either in the rocker arm or in the area of Pushrod integrated disclosed. For a more than two-valve engine but no Proposed solution.
  • the engine-internal brake device has a control piston on which the exhaust valve is supported by its shaft.
  • the spool is in a blind hole the Valve bridge axially movably recorded and supplied by a pressurized oil Control pressure chamber ago and possibly by an additional control spring in the direction Exhaust valve stem pressed.
  • the pressure oil supply to the control pressure chamber via a valve bridge internal oil supply channel communicating with a toggle internal oil supply channel, in which latter one only in the direction of control pressure chamber permeable check valve is installed.
  • From the control pressure chamber goes from a discharge channel, which at the Top of the valve bridge opens and its outlet opening through a simultaneously a stop for the valve bridge forming counter holder closed or for pressure relief of the control pressure chamber is releasable after lifting the valve bridge.
  • the biasing force of the closing spring associated with this outlet valve is dimensioned such that during engine braking, when the throttle device is in throttle position due to the accumulated exhaust gas in conjunction with the pressure pulsations acting therein occurring exhaust back pressure results in an intermediate opening of the exhaust valve.
  • This Intermediate opening is during each 4-stroke engine cycle with the engine-internal brake device Control technology automatically engageable such that after intermediate opening At the beginning of the 2-stroke closing valve inclined by the oil pressure and possibly also tax Druckfederbeetzscht nach Wegenden control piston intercepted and prevented from closing during the 2nd and 3rd bars, and until its beginning 4. cycle camshaft controlled opening is partially kept open.
  • Exhaust counterpressure has its maximum when the throttle device is in the closed position, but is optionally by controlled and / or controlled opening of the throttle device degradable to reduce engine braking power and / or engine internal temperature Components to prevent their overheating.
  • the cross section the oil supply channels in the rocker arm and the valve bridge and the pressure of the control pressure chamber supplied oils are coordinated so that during the said insectsffs the exhaust valve due to the nach Wegenden control piston magnifying control pressure chamber can at least almost completely fill with pressure oil and therefore at the end of the intermediate opening stroke, holding the exhaust valve in a trapped Partial opening position is possible.
  • this engine dust brake device is equipped with a few, cheap manufacturable components feasible.
  • the engine braking is automatic self-controlling without external influences only as a function of exhaust back pressure in shut off exhaust tract and demonstrably provides a very high engine braking power.
  • Fig. 1 a detail of a 4-stroke reciprocating internal combustion engine is shown, the per cylinder 1 has at least one inlet valve (not shown) and two outlet valves 2, 3. 4, the installation space of the cylinder 1 with 5 is a piston working in the cylinder 1, with a 6 Cylinder head and designated 7 a cylinder cover.
  • the outlet channels 8 of the cylinder 1 open into one or more exhaust manifolds and form with the latter part of the exhaust tract 9.
  • a throttle device 10 is installed in the exhaust tract 9 as close as possible. This can, for example, by a throttle valve or a poppet valve or a Slider be formed. In most cases, a throttle is used.
  • the throttle device 10 forms including its tax and / or regulatory bodies (on the next discussed in more detail below) a part of the engine dust brake device according to the invention and is used during engine braking operations to at least partially shut off the Exhaust tract and thereby caused upstream Aufstauung the exhaust gas.
  • Another Part of the engine dust brake device is an engine-internal brake device 11 according to the invention Type, which is also discussed in more detail later.
  • the inputs and Exhaust valves are controlled by a camshaft (not shown). Is this overhead, it acts directly on rocker arms. On the other hand, if it is lower, it is indirect via pushrods on the rocker arms.
  • Fig. 2 shows the version with below Camshaft in the area of the control of the two exhaust valves of a cylinder.
  • Each of them is axially movable with its shaft 21 and 22 in the cylinder head 6 stored and by a closing spring 23 and 24, the one end on a cylinder head surface 25 and 26 and the other at one attached to the outlet valve stem 21 and 22 respectively Spring plate 27 and 28 is supported, with a certain biasing force F1 in the closing direction applied.
  • Each of the two closing springs 23 and 24 can either by only one Spiral spring or two mutually coaxial coil springs be realized.
  • each cylinder 1 associated with only one (2) of the two exhaust valves 2, 3, the other exhaust valve 3 is normally effective and operated, therefore also in conventional Way with the upper end of its shank on the bottom 29 of the valve bridge 20th supported.
  • the one-outlet valve 2 associated with engine braking device 11 from a control piston 30, at which the outlet valve 2 with the upper End of his shaft 21 is supported.
  • the control piston 30 is in a in the valve bridge 20th given blind bore 31 lickagearm axially movable guided and received by a supplied with pressure oil control pressure chamber 33 ago and possibly by an additional Control spring 32 in the direction of exhaust valve stem 21 pressed.
  • the pressure oil supply to Control pressure chamber 33 via a in the rocker arm 13 and the bolt 18 with Abstweilkalotte 19 trained oil supply channel 34 and communicating with this Oil supply passage 35 in the valve bridge 20.
  • In the valve bridge internal oil supply passage 35 is an oil built only in the direction of the control pressure chamber 33 permeable check valve 36.
  • the pressure oil supply to the rocker arm 13 takes place from the outside either via a supply line in a channel in Kipphebellagerbolzen 15 and channels in the sliding bearing 16 or a supply line to the push rod 12 and a push rod internal channel, with which the rocker arm internal Oil supply channel 34 communicates.
  • control pressure chamber 33 From the control pressure chamber 33 branches off a discharge channel 37, which at the top 38 of the Valve bridge 20 opens and its local outlet opening 39 by a simultaneously a stop for the valve bridge 20 forming counter holder 40 closed or for Pressure relief of the control pressure chamber 33 after lifting the valve bridge 20 can be released is.
  • the biasing force F1 is the Closing spring 23 of that exhaust valve 2, which the engine-internal braking device 11 assigned is dimensioned such that during engine braking at throttle position befind another Throttle device 10 due to the accumulated in the exhaust gas in conjunction with the Exhaust counterpressure P2 occurring in this pressure pulsations an intermediate opening of the relevant outlet valve 2, and indeed - as shown in FIG. 9 - at the end the 1st clock (intake stroke) every 4-stroke cycle.
  • this intermediate opening of the exhaust valve 2 is according to the invention control technology with the engine-internal engine brake device 11 automatically intervened in such a way that after the intermediate opening at the beginning of the 2.
  • Exhaust counterpressure P2 reaches during engine braking when in the closed position Throttle device 10 its maximum.
  • the control piston 30 of the engine-internal braking device 11 faces the front - to the exhaust valve 2 towards - a blind hole 41, with which he the upper end of the outlet valve stem 21st cap-like overlaps with game and is thus coupled to the exhaust valve 2.
  • the control piston 30 is in the valve bridge internal blind bore 31 between two stops limited stroke movable. Here is the upper, the retracted home position defining Stop 42 in the case of the example of FIG. 3 to 5 by an annular Shoulder surface at the transition between two different diameter sections of the Blind bore 31 given, wherein the larger diameter portion of the control piston 30th receives and the smaller diameter portion forms the control pressure chamber 33 and also the control spring 32 receives laterally guided.
  • control pressure spring 32 in This embodiment is taken centered in a rear blind hole 44 in the control piston 30 and supported there at the bottom 45. Changing is the control pressure spring 32 supported on the bottom 46 of the valve bridge internal blind bore 31. In the case of the example 6 to 8, however, the upper, the retracted basic position of the control piston predetermining stop 42 through the bottom 46 of the valve bridge internal blind bore educated. On the control piston 30, a coaxial pin 47 is arranged in this case on the back, with its rear end face 48 it is at the bottom 46 of the blind bore 31 to the plant comes.
  • the discharge channel 37 is preferably centrally, so that the pin 47 also fulfills the additional function, namely that in every 4th motor cycle immediately after the start of the camshaft-controlled opening stroke movement of the valve bridge 20 and the concomitant lifting the same from the counter-holder 40 a pressure relief the control pressure chamber 33 causing cumshot of pressure oil through the discharge channel 37 is limited in quantity, because the discharge channel 37 through the pin 47 of immediately returning to its normal position control piston 30 from the inside again is closed. This limits the loss of oil in the control pressure space 33 and provides one therein high oil pressure safe.
  • the control compression spring 32 is in this case at an annular Shoulder surface 49 supported on the control piston 30 and by the coaxial pin 47 centered.
  • the lower, the widest extended position of the control piston predetermining stop 43rd is equal in both embodiments of FIG. 3 to 5 and FIG. 6 to 8 and z. B. realized by a transverse pin 50, which is pressed into a transverse bore 51 in the valve bridge 20 is laterally protrudes into the clear cross section of the blind hole 31 and there in a outer indentation 52 on the control piston 30 is immersed, the upper boundary wall as Stop 43 the extension stroke of the control piston 30 in cooperation with the transverse pin 50 limited.
  • the anvil 40 for the valve bridge 20 is connected by a cylinder cover 7 z. B. by a lock nut fixed, adjustable with respect to their stop position stud 54th educated.
  • the discharge port 37 which can be shut off or released on the outlet side is thus preferably by one of the blind bore 31 coaxial with the top 38 of the valve bridge 20 leading throttle bore formed, whose diameter is much smaller than that smallest cross-section of the oil supply channel 35 in the valve bridge.
  • the check valve 36 has as a control member on a ball 55 and the associated valve seat is by a conical transition surface 56 between two diametrically different Oil supply passage sections 57, 58 formed, wherein the ball 55 in the larger diameter oil supply passage section 58 arranged there and their opening stroke by a stop 59th is limited.
  • the cross section of the oil supply channel 34 in the rocker arm 13 is either the same, preferably but larger than that of the subsequent oil supply passage 35 in the valve bridge 20. Der smallest cross-section of the oil supply channel 35 is internally the valve bridge 20 in the region of Check valve 36, there in the annular gap around the ball 55 in the oil supply passage section 58th given. In general, the check valve 36 should be as close as possible to the control pressure chamber 33 be positioned towards.
  • the effective biasing force F1 of the closing spring 23 of the exhaust valve 2 is greater than that Effective preload force of the internal control valve spring 32.
  • the theoretical Background of the engine dust brake device according to the invention is at the end of the description specified.
  • the throttle device should 10 in the exhaust tract 9, if possible in terms of flow in front of the turbine of the exhaust gas turbocharger be arranged.
  • the volume of the throttle device should be 10 shut-off portion 61 of the exhaust tract 9 selected as low as possible, ie the throttle device 10 as possible close to the engine z. B. at the output of one or more merged Exhaust manifold and arranged spatially in front of the turbine of the exhaust gas turbocharger be.
  • the control of the throttle device 10 can be realized as also shown schematically in FIG. 1.
  • the throttle device 10 is formed there by a throttle valve, which is installed in the exhaust tract 9 and is rotatably or pivotably mounted there with its axis 62.
  • a servomotor 63 for adjusting or adjusting the throttle valve 10 is a servomotor 63.
  • This can be realized by an electric motor or a hydraulically or pneumatically actuable actuating cylinder.
  • the servomotor 63 is realized by a pneumatically actuable actuating cylinder, which can be supplied with compressed air via a compressed air line 65 connected to a compressed air supply device 64.
  • the servo motor 63 is associated with a power unit 66, which consists in the illustrated example of an electromagnetic shut-off / passage valve 67 and an electrical switching member 68 for actuating the latter.
  • This power unit 66 receives its commands via a control line 69 from an electronic control and / or regulating unit 70.
  • Designated at 71 is a pressure sensor which detects the exhaust-gas pressure in terms of flow in front of the throttle valve 10.
  • a temperature sensor 72 may be provided, which detects the exhaust gas temperature in terms of flow in front of the throttle valve 10.
  • the control and / or regulating unit 70 consists for example of an input and output peripherals, a microprocessor and data and program memories, which modules are linked together via a data bus system. In the data memories maps and operating data for the operation control of the internal combustion engine are stored both in the train operation and braking operation.
  • the control and / or regulating unit 70 thus regulates the operation of the internal combustion engine by means of programs stored in the program memory on the basis of the maps and operating data. The latter can be done during engine braking operation either by an open-close adjustment of the throttle valve 10 or in the sense of a sensitive input or adjustment of the throttle valve 10.
  • the control and / or regulating unit 70 gives its commands via the line 69 to the switching member 68, which is connected via switching lines 76, 77 with the shut-off / passage valve 67.
  • the switching member 68 which is connected via switching lines 76, 77 with the shut-off / passage valve 67.
  • the throttle device 10 is switched on or adjusted accordingly.
  • this regulation of braking power can be integrated into an electronically controlled braking strategy which optimally coordinates the use of all the brakes available in the vehicle (service brakes, retarder, engine brake) ,
  • the throttle apparatus 10 When an engine braking operation is initiated, the throttle apparatus 10 is controlled by commands of Control and / or regulating unit 70 brought into a closed position, so that upstream of the Throttle device 10 results in a pressure increase with corresponding exhaust back pressure.
  • Exhaust valve intermediate opening is according to the invention control technology during braking operation automatically intervened.
  • the exhaust valve 2 At the beginning of the first cycle (intake stroke), the exhaust valve 2 is in the closed position A.
  • the control piston 30 of the engine-internal braking device 11 is in its blind bore 31st set to stop and acts as a mechanical buffer, passing through the closed Exhaust valve 2 is pressed in this retracted position.
  • the exhaust gas pressure-induced intermediate opening of the Exhaust valve 2 with a valve lift A ⁇ B at the end of phase A1 is achieved.
  • the control piston 30 Following the opening movement of the inter-opening exhaust valve 2 is the control piston 30 by the oil pressure in the control pressure chamber 33 and the force of possibly existing control spring 32 tracked and extreme in its stop-related Extended intercept position.
  • the biasing force F1 of the closing spring 23 of the exhaust valve 2 is within the allowable Design range, which results from the Ventilretedynamik calculation, for the Operation of the engine dust brake device designed so that the exhaust valve 2 based on the given with closed throttle device 10 in the pent-up exhaust gas Exhaust back pressure safely interposed.
  • F1 should not be too low, because otherwise the air flow and the exhaust gas back pressure drop, whereby the internal cooling of the Internal combustion engine in braking mode and the braking power would be lower.
  • the boost pressure in braking mode usually equal to Atmospheric pressure
  • the cylinder per has two exhaust valves, in engine braking operation a very high engine braking power achieve.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorstaubremsvorrichtung einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, die je Zylinder wenigstens ein Einlassventil und zwei Auslassventile (2, 3) aufweist und gezielt auf diesen Motortyp abgestellt ist. Im Abgastrakt (9) ist eine zur Motorbremsung derart betätigbare Drosselvorrichtung (10) eingebaut, dass sich stromauf derselben im aufgestauten Abgas ein Abgasgegendruck aufbaut, der in Verbindung mit einer speziellen motorinternen Bremsvorrichtung (11) wirksam wird. Erfindungsgemäß ist die motorinterne Bremsvorrichtung (11) je Zylinder (1) nur einem (2) der beiden Auslassventile (2, 3) zugeordnet, das andere Auslassventil (3) dagegen ist herkömmlich gesteuert. Die motorinterne Bremseinrichtung (11) umfasst einen in der Ventilbrücke (20) eingebauten Steuerkolben (30), der von einem öldruckbeaufschlagten Steuerdruckraum (33) her und eventuell durch eine zusätzliche Steuerdruckfeder (32) in Richtung Auslassventil (2) gedrückt ist. Der Steuerdruckraum (33) ist an eine permanente Druckölversorgung angeschlossen und abhängig von der Bewegung bzw. Stellung der Ventilbrücke (20) über einen Entlastungskanal (37) entweder abgesperrt oder druckentlastet. Hierdurch ergibt sich während des Motorbremsens automatisch eine bestimmte Öffnungs- und Schließcharakteristik des Auslassventils (2) mit der Folge einer hohen Motorbremsleistung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorstaubremsvorrichtung einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung geht aus von der EP 0736672 B1. Diese offenbart ein Verfahren zur Motorbremsung mit einer 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine, die eine motorinterne, einem Auslassventil zugeordnete Bremsvorrichtung aufweist. Das diesbezügliche Auslassventil ist über einen entweder direkt oder über eine Stößelstange betätigbaren Kipphebel steuerbar. Die Teile der Bremsvorrichtung sind als entweder in den Kipphebel oder in den Bereich der Stößelstange integriert offenbart. Für einen mehr als zwei-ventiligen Motor wird jedoch kein Lösungsvorschlag angegeben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Motorstaubremsvorrichtung für eine 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine mit je Zylinder wenigstens einem Einlassventil und zwei Auslassventilen zu schaffen, die es ermöglicht, ein Motorbremsverfahren ähnlich jenem der EP 0736672 B1 darzustellen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer Motorstaubremsvorrichtung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Dabei ist es ein wesentliches Kriterium der Erfindung, dass die motorinterne Bremsvorrichtung nicht beiden Auslassventilen je Zylinder zugeordnet ist, was aus Platzgründen schwierig zu realisieren wäre, sondern von vornherein dahingehend konzipiert wurde, dass sie nur in Verbindung mit einem der beiden Auslassventile je Zylinder wirksam wird, das andere Auslassventil dagegen normal bzw. auf herkömmliche Weise betätigbar ist.
Diesem maßgeblichen Merkmal ordnen sich die übrigen Merkmale der Erfindung unter, weil sie auf das Wirksamwerden der motorinternen Bremsvorrichtung an dem nur einen Auslassventil abgestellt sind.
Im einzelnen weist die motorinterne Bremsvorrichtung einen Steuerkolben auf, an dem sich das Auslassventil mit seinem Schaft abstützt. Der Steuerkolben ist in einer Sackbohrung der Ventilbrücke axial beweglich geführt aufgenommen und von einem mit Drucköl versorgten Steuerdruckraum her sowie eventuell durch eine zusätzliche Steuerdruckfeder in Richtung Auslassventil-Schaft gedrückt. Die Druckölzufuhr zum Steuerdruckraum erfolgt über einen mit einem kipphebelinternen Ölzufuhrkanal kommunizierenden ventilbrückeninternen Ölzufuhrkanal, in welch letzteren ein nur in Richtung Steuerdruckraum durchlässiges Rückschlagventil eingebaut ist. Vom Steuerdruckraum geht ein Entlastungskanal ab, der an der Oberseite der Ventilbrücke ausmündet und dessen Austrittsöffnung durch einen gleichzeitig einen Anschlag für die Ventilbrücke bildenden Gegenhalter verschließbar bzw. für Druckentlastung des Steuerdruckraumes nach Abheben der Ventilbrücke freigebbar ist. Des weiteren ist die Vorspannkraft der diesem Auslassventil zugeordneten Schließfeder derart bemessen, dass sich während des Motorbremsens bei in Drosselstellung befindlicher Drosselvorrichtung aufgrund des im aufgestauten Abgas in Verbindung mit den darin wirkenden Druckpulsationen auftretenden Abgasgegendruckes ein Zwischenöffnen des Auslassventils ergibt. In dieses Zwischenöffnen ist während jedes 4-Takt-Motorzyklus mit der motorinternen Bremsvorrichtung steuerungstechnisch automatisch derart eingreifbar, dass das nach Zwischenöffnung anfangs des 2-Taktes zum Schließen neigende Auslassventil durch den öldruckbedingt und eventuell auch steuerdruckfederbeaufschlagt nachrückenden Steuerkolben abgefangen und während des 2. und 3. Taktes am Schließen gehindert sowie bis zu seiner anfangs des 4. Taktes erfolgenden nockenwellengesteuerten Öffnung teilweise offen gehalten wird. Der Abgasgegendruck hat bei in Schließposition befindlicher Drosselvorrichtung sein Maximum, ist aber gegebenenfalls durch gesteuerte und/oder geregelte Öffnung der Drosselvorrichtung erniedrigbar, um eine Reduzierung der Motorbremsleistung und/oder der Temperatur motorinterner Bauteile zwecks Vermeidung von deren Überhitzung zu bewirken. Der Querschnitt der Ölzufuhrkanäle im Kipphebel und der Ventilbrücke sowie der Druck des dem Steuerdruckraum zugeführten Öles sind derart aufeinander abgestimmt, dass während des besagten Zwischenöffnens des Auslassventils der sich aufgrund des nachrückenden Steuerkolbens vergrößernde Steuerdruckraum zumindest nahezu vollständig mit Drucköl füllen kann und daher dann am Ende des Zwischenöffnungshubes ein Halten des Auslassventils in abgefangener Teilöffnungsposition möglich ist.
Ersichtlicherweise ist diese erfindungsgemäße Motorstaubremsvorrichtung mit einigen wenigen, billig herstellbaren Bauteilen realisierbar. Die Motorbremsung erfolgt automatisch selbststeuernd ohne äußeres Einwirken lediglich in Abhängigkeit von Abgasgegendruck im abgesperrten Abgastrakt und erbringt nachweislich eine sehr hohe Motorbremsleistung.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
schematisch eine 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine und deren Abgastrakt mit Drosseleinrichtung sowie einem Prinzipbild einer möglichen Steuerung für letztere,
Fig. 2
einen Teilschnitt durch eine vier-ventilige 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine im Bereich der Auslassventile und deren Steuerung, mit einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen motorinternen Bremsvorrichtung,
Fig. 3
die Ventilbrücke und weitere Teile der motorinternen Bremsvorrichtung gemäß Fig. 2 in Einzeldarstellung und im Schnitt,
Fig. 4
eine Draufsicht auf die Ventilbrücke gemäß Fig. 2 und 3,
Fig. 5
einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung von Fig. 3,
Fig. 6
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventilbrücke und weiterer Teile der motorinternen Bremsvorrichtung in Einzeldarstellung und im Schnitt,
Fig. 7
eine Draufsicht auf die Ventilbrücke gemäß Fig. 5,
Fig. 8
einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung von Fig. 6, und
Fig. 9
ein Diagramm, aus dem der Hubverlauf des Auslassventils, dem die erfindungsgemäße motorinterne Bremsvorrichtung zugeordnet ist, während des Bremsbetriebes hervorgeht.
In Fig. 1 ist ausschnittsweise eine 4-Takt-Hubkolbenbrennkraftmaschine gezeigt, die je Zylinder 1 wenigstens ein Einlassventil (nicht dargestellt) und zwei Auslassventile 2, 3 aufweist. Mit 4 ist der Bauraum des Zylinders 1 mit 5 ein im Zylinder 1 arbeitender Kolben, mit 6 ein Zylinderkopf und mit 7 ein Zylinderdeckel bezeichnet. Die Auslasskanäle 8 der Zylinder 1 münden in einen oder mehrere Auslasskrümmer und bilden mit letzterem einen Teil des Abgastraktes 9. In den Abgastrakt 9 ist möglichst motornah eine Drosselvorrichtung 10 eingebaut. Diese kann zum Beispiel durch eine Drosselklappe oder ein Tellerventil oder einen Schieber gebildet sein. In den meisten Fällen wird eine Drosselklappe verwendet. Die Drosselvorrichtung 10 bildet einschließlich ihrer Steuer- und/oder Regelorgane (auf die weiter hinten noch näher eingegangen ist) ein Teil der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung und dient während Motorbremsvorgängen zur zumindest partiellen Absperrung des Abgastraktes und einer hierdurch stromauf hervorgerufenen Aufstauung des Abgases. Weiterer Teil der Motorstaubremsvorrichtung ist eine motorinterne Bremsvorrichtung 11 erfindungsgemäßer Bauart, auf die ebenfalls weiter hinten näher eingegangen ist. Die Ein- und Auslassventile sind von einer (nicht dargestellten) Nockenwelle her steuerbar. Ist diese obenliegend, wirkt sie direkt auf Kipphebel ein. Ist sie dagegen untenliegend, wirkt sie indirekt über Stößelstangen auf die Kipphebel ein. Fig. 2 zeigt die Version mit untenliegender Nockenwelle im Bereich der Steuerung der beiden Auslassventile eines Zylinders. Die dargestellte, an der Nockenwelle abgestützte Stößelstange 12 wirkt auf einen Kipphebel 13, der am Zylinderkopf 6 in einem Lagerbock 14 auf einer Lagerachse 15 mit Gleitlager 16 drehbar gelagert ist. Der Kipphebel 13 wiederum wirkt über einen einstellbaren und z. B. durch eine Mutter 17 gekonterten Schraubenbolzen 18 mit einer an seinem freien Ende kugelgelenkig angelenkten Stützkalotte 19 auf eine Ventilbrücke 20 ein. Diese Ventilbrücke 20 dient zur Steuerung der beiden achsparallel zueinander angeordneten Auslassventile 2, 3 eines Zylinders 1. Jedes derselben ist mit seinem Schaft 21 bzw. 22 im Zylinderkopf 6 axial beweglich gelagert und durch eine Schließfeder 23 bzw. 24, die sich einenendes an einer Zylinderkopffläche 25 bzw. 26 und andernendes an einem am Auslassventilschaft 21 bzw. 22 befestigten Federteller 27 bzw. 28 abstützt, mit einer bestimmten Vorspannkraft F1 in Schließrichtung beaufschlagt. Jede der beiden Schließfedern 23 bzw. 24 kann dabei entweder durch nur eine Spiralfeder oder zwei zueinander koaxiale Spiralfedern realisiert sein.
Einem erfindungsgemäßen Kriterium entsprechend ist die motorinterne Bremsvorrichtung 11 je Zylinder 1 nur einem (2) der beiden Auslassventile 2, 3 zugeordnet, das andere Auslassventil 3 ist normal bzw. herkömmlich wirksam und betätigt, demzufolge auch in herkömmlicher Weise mit dem oberen Ende seines Schaftes an der Unterseite 29 der Ventilbrücke 20 abgestützt.
Die dem einen Auslassventil 2 zugeordnete motorinterne Bremsvorrichtung 11 besteht erfindungsgemäß aus einem Steuerkolben 30, an dem sich das Auslassventil 2 mit dem oberen Ende seines Schaftes 21 abstützt. Der Steuerkolben 30 ist in einer in der Ventilbrücke 20 gegebenen Sackbohrung 31 leckagearm axial beweglich geführt aufgenommen und von einem mit Drucköl versorgten Steuerdruckraum 33 her sowie eventuell durch eine zusätzliche Steuerdruckfeder 32 in Richtung Auslassventil-Schaft 21 gedrückt. Die Druckölzufuhr zum Steuerdruckraum 33 erfolgt über einen im Kipphebel 13 und dessen Schraubenbolzen 18 mit Abstützkalotte 19 ausgebildeten Ölzufuhrkanal 34 und einen mit diesem kommunizierenden Ölzufuhrkanal 35 in der Ventilbrücke 20. In den ventilbrückeninternen Ölzufuhrkanal 35 ist ein Öl nur in Richtung des Steuerdruckraums 33 durchlässiges Rückschlagventil 36 eingebaut. Die Druckölzufuhr zum Kipphebel 13 erfolgt von außen her entweder über eine Zuleitung in einen Kanal im Kipphebellagerbolzen 15 und Kanäle im Gleitlager 16 oder eine Zuleitung zur Stößelstange 12 sowie einen stößelstangeninternen Kanal, mit dem der kipphebelinterne Ölzufuhrkanal 34 kommuniziert.
Vom Steuerdruckraum 33 zweigt ein Entlastungskanal 37 ab, der an der Oberseite 38 der Ventilbrücke 20 ausmündet und dessen dortige Austrittsöffnung 39 durch einen gleichzeitig einen Anschlag für die Ventilbrücke 20 bildenden Gegenhalter 40 verschließbar bzw. für Druckentlastung des Steuerdruckraumes 33 nach Abheben der Ventilbrücke 20 freigebbar ist.
Unter normalen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, also wenn kein Motorbremsen initiiert ist, werden die beiden Auslassventile 2, 3 eines Zylinders 1 über die Ventilbrücke 20 synchron betätigt, das heißt, innerhalb jedes 4-Takt-Zyklus zum Ende des 3. Taktes (Expansionstakt) geöffnet, während des 4. Taktes (Ausschubtakt) offen gehalten und dann zum Beginn des nächsten 1. Taktes (Ansaugtakt) hin wieder geschlossen.
Bei der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung ist die Vorspannkraft F1 der Schließfeder 23 jenes Auslassventils 2, dem die motorinterne Bremsvorrichtung 11 zugeordnet ist, derart bemessen, dass sich während des Motorbremsens bei in Drosselstellung befindlicher Drosselvorrichtung 10 aufgrund des im aufgestauten Abgas in Verbindung mit den darin wirkenden Druckpulsationen auftretenden Abgasgegendrucks P2 ein Zwischenöffnen des betreffenden Auslassventils 2 einstellt, und zwar - wie aus Fig. 9 ersichtlich - am Ende des 1. Taktes (Ansaugtakt) jedes 4-Takt-Zyklus. In dieses Zwischenöffnen des Auslassventils 2 wird mit der motorinternen Motorbremsvorrichtung 11 erfindungsgemäß steuerungstechnisch automatisch derart eingegriffen, dass das nach Zwischenöffnung anfangs des 2. Taktes (Kompressionstakt) zum Schließen neigende Auslassventil 2 abgefangen und während des 2. und 3. Taktes am Schließen gehindert sowie bis zu seiner anfangs des 4. Taktes erfolgenden nockenwellengesteuerten Öffnung teilweise offen gehalten wird. Auf die exakten Abläufe auch innerhalb der motorinternen Motorbremsvorrichtung 11 ist weiter hinten noch näher eingegangen.
Der Abgasgegendruck P2 erreicht während des Motorbremsens bei in Schließposition befindlicher Drosselvorrichtung 10 sein Maximum. Es kann jedoch durchaus zweckmäßig und sinnvoll sein, den während des Motorbremsens wirksamen Abgasgegendruck P2 durch gesteuerte und/oder geregelte Öffnung der Drosselvorrichtung 10 weg von ihrer Schließstellung zu verkleinern, um eine gezielte Reduzierung der Motorbremsleistung und/oder der Temperatur motorinterner Bauteile zwecks Vermeidung von deren Überhitzung und/oder Verkokung herbeizuführen.
Außerdem sind innerhalb der motorinternen Bremsvorrichtung 11 erfindungsgemäß der Querschnitt der Ölzufuhrkanäle 34, 35 und der darin sowie im Steuerdruckraum 33 wirksame Öldruck derart aufeinander abgestimmt, dass während des besagten Zwischenöffnens des Auslassventils 2 im Motorbremsbetrieb der sich aufgrund des nachrückenden Steuerkolbens 30 volumenmäßig vergrößernde Steuerdruckraum 33 zumindest nahezu vollständig mit Drucköl füllbar ist und solchermaßen dann gegen Ende des Zwischenöffnungshubes ein Halten des Auslassventils 2 in abgefangener Teilöffnungsposition über den vom Steuerdruckraum 33 her ölseitig verblockten Steuerkolben 30 gewährleistet ist.
Nachfolgend ist auf Details und Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung näher eingegangen.
Der Steuerkolben 30 der motorinternen Bremsvorrichtung 11 weist vorne - zum Auslassventil 2 hin - ein Sackloch 41 auf, mit dem er das obere Ende des Auslassventil-Schaftes 21 kappenartig mit Spiel übergreift und solchermaßen mit dem Auslassventil 2 gekoppelt ist. Der Steuerkolben 30 ist in der ventilbrückeninternen Sackbohrung 31 zwischen zwei Anschlägen hubbegrenzt bewegbar. Dabei ist der obere, die eingefahrene Grundposition definierende Anschlag 42 im Fall des Beispiels gemäß Fig. 3 bis 5 durch eine ringförmige Schulterfläche am Übergang zwischen zwei durchmesserunterschiedlichen Abschnitten der Sackbohrung 31 gegeben, wobei der durchmessergrößere Abschnitt den Steuerkolben 30 aufnimmt und der durchmesserkleinere Abschnitt den Steuerdruckraum 33 bildet und außerdem die Steuerdruckfeder 32 seitlich geführt aufnimmt. Dabei ist die Steuerdruckfeder 32 in diesem Ausführungsbeispiel in einem hinteren Sackloch 44 im Steuerkolben 30 zentriert aufgenommen und dort an dessen Boden 45 abgestützt. Andernendes ist die Steuerdruckfeder 32 am Boden 46 der ventilbrückeninternen Sackbohrung 31 abgestützt. Im Fall des Beispiels gemäß Fig. 6 bis 8 dagegen ist der obere, die eingefahrene Grundposition des Steuerkolbens vorgebende Anschlag 42 durch den Boden 46 der ventilbrückeninternen Sackbohrung gebildet. Am Steuerkolben 30 ist in diesem Fall rückseitig ein koaxialer Zapfen 47 angeordnet, mit dessen hinterer Stirnfläche 48 er am Boden 46 der Sackbohrung 31 zur Anlage kommt. Von dort geht der Entlastungskanal 37 vorzugsweise mittig ab, so dass der Zapfen 47 auch noch die Zusatzfunktion erfüllt, nämlich dass das in jedem 4. Motor-Takt unmittelbar nach Beginn der nockenwellengesteuerten Öffnungshubbewegung der Ventilbrücke 20 und dem damit einhergehenden Abheben derselben vom Gegenhalter 40 eine Druckentlastung des Steuerdruckraumes 33 bewirkende Abspritzen von Drucköl über den Entlastungskanal 37 mengenmäßig begrenzt wird, weil der Entlastungskanal 37 durch den Zapfen 47 des sofort in seine Grundstellung zurückkehrenden Steuerkolbens 30 von innen her wieder verschlossen wird. Dies begrenzt den Ölverlust im Steuerdruckraum 33 und stellt einen darin hoch bleibenden Öldruck sicher. Die Steuerdruckfeder 32 ist in diesem Fall an einer ringförmigen Schulterfläche 49 am Steuerkolben 30 abgestützt und durch dessen koaxialen Zapfen 47 zentriert.
Der untere, die weitest ausgefahrene Position des Steuerkolbens vorgebende Anschlag 43 ist in beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 bis 5 und Fig. 6 bis 8 gleich und z. B. durch einen Querstift 50 realisiert, der in eine Querbohrung 51 in der Ventilbrücke 20 eingepresst ist, in den lichten Querschnitt des Sackloches 31 seitlich hineinragt und dort in eine äußere Einbuchtung 52 am Steuerkolben 30 eintaucht, deren obere Begrenzungswand als Anschlag 43 den Ausfahrhub des Steuerkolbens 30 im Zusammenwirken mit dem Querstift 50 begrenzt.
Der Gegenhalter 40 für die Ventilbrücke 20 ist durch eine im Zylinderdeckel 7 z. B. durch eine Kontermutter fixierte, hinsichtlich ihrer Anschlagposition einstellbare Stiftschraube 54 gebildet. Der hierdurch austrittsseitig absperrbare oder freigebbare Entlastungskanal 37 ist vorzugsweise durch eine von der Sackbohrung 31 koaxial zur Oberseite 38 der Ventilbrücke 20 führende Drosselbohrung gebildet, deren Durchmesser wesentlich kleiner als der kleinste Querschnitt des Ölzufuhrkanals 35 in der Ventilbrücke ist.
Das Rückschlagventil 36 weist als Steuerorgan eine Kugel 55 auf und der zugehörige Ventilsitz ist durch eine kegelige Übergangsfläche 56 zwischen zwei durchmesserverschiedenen Ölzufuhrkanalabschnitten 57, 58 gebildet, wobei die Kugel 55 im durchmessergrößeren ÖIzufuhrkanal-Abschnitt 58 angeordnet und dort deren Öffnungshub durch einen Anschlag 59 begrenzt ist. Zur Hubbegrenzung der Rückschlagventil-Kugel 55 ist z. B. ein den Ölzufuhrkanal-Abschnitt 58 quer durchsetzender, in eine Querbohrung 60 in der Ventilbrücke eingepresster Anschlagstift vorgesehen.
Der Querschnitt des Ölzufuhrkanals 34 im Kipphebel 13 ist entweder gleich, vorzugsweise jedoch größer als jener des anschließenden Ölzufuhrkanals 35 in der Ventilbrücke 20. Der kleinste Querschnitt des Ölzufuhrkanals 35 ist intern der Ventilbrücke 20 im Bereich des Rückschlagventils 36, dort im Ringspalt um dessen Kugel 55 im Ölzufuhrkanal-Abschnitt 58 gegeben. Generell sollte das Rückschlagventil 36 so nah wie möglich zum Steuerdruckraum 33 hin positioniert sein.
Die wirksame Vorspannkraft F1 der Schließfeder 23 des Auslassventils 2 ist größer als die wirksame Vorspannkraft der ventilbrückeninternen Steuerdruckfeder 32. Der theoretische Hintergrund der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung ist am Ende der Beschreibung angegeben.
Generell sind die Komponenten der motorinternen Bremsvorrichtung 11 und der Druck des dem Steuerdruckraum 33 zugeführten Öles so ausgelegt, dass das Auslassventil 2 während des Motorbremsens nach seinem abgasgegendruckbewirkten Zwischenöffnen bis in eine Öffnungsposition B (siehe Fig. 9) in einer Position C (siehe Fig. 9) abfangbar und haltbar ist, deren Abstand zur Schließposition des Auslassventils etwa 1/5 bis 1/20 des vollen Auslassventilhubes hmax=A→D (siehe Fig. 9) beträgt.
Wenn die Brennkraftmaschine über einen Abgasturbolader verfügt, sollte die Drosselvorrichtung 10 im Abgastrakt 9 nach Möglichkeit strömungsmäßig vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnet sein. Generell sollte das Volumen des mittels der Drosselvorrichtung 10 absperrbaren Abschnitts 61 des Abgastraktes 9 so gering wie möglich gewählt, also die Drosselvorrichtung 10 möglichst motornah z. B. am Ausgang eines oder mehrerer zusammengeführter Abgaskrümmer und räumlich vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnet sein.
Die Steuerung der Drosselvorrichtung 10 kann wie ebenfalls schematisch aus Fig. 1 ersichtlich realisiert sein. Die Drosselvorrichtung 10 ist dort durch eine Drosselklappe gebildet, die in den Abgastrakt 9 eingebaut und dort mit ihrer Achse 62 dreh- bzw. schwenkbar gelagert ist. Zur Ein- bzw. Verstellung der Drosselklappe 10 dient ein Stellmotor 63. Dieser kann durch einen Elektromotor oder einen hydraulisch oder pneumatisch betätigbaren Stellzylinder realisiert sein. Im dargestellten Beispiel ist der Stellmotor 63 durch einen pneumatisch betätigbaren Stellzylinder realisiert, der über eine an einer Druckluftversorgungseinrichtung 64 angeschlossene Druckluftleitung 65 mit Druckluft versorgbar ist. Dem Stellmotor 63 ist ein Leistungsteil 66 zugeordnet, das im dargestellten Beispiel aus einem elektromagnetischen Absperr-/Durchlassventil 67 und einem elektrischen Schaltorgan 68 für Betätigung des letzteren besteht. Dieses Leistungsteil 66 erhält seine Befehle über eine Steuerleitung 69 von einer elektronischen Steuer- und/oder Regeleinheit 70. Mit 71 ist ein Drucksensor bezeichnet, der den Abgasdruck strömungsmäßig vor der Drosselklappe 10 erfasst. Anstelle des Drucksensors 71 oder auch zusätzlich zu diesem kann ein Temperatursensor 72 vorgesehen sein, der die Abgastemperatur strömungsmäßig vor der Drosselklappe 10 erfasst. Diese Druck- und/oder Temperaturmesssignale, gegebenenfalls auch Drehzahlsignale nM der Brennkraftmaschine und Temperaturmesssignale tB von temperaturmäßig überwachten motorinternen Bauteilen wie Einspritzdüsen, werden über Signalleitungen 73, 74, 75 der Steuer- und/oder Regeleinheit 70 zugeführt und von dieser als Basis für eine Betätigung der Drosselklappe 10 herangezogen. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 70 besteht beispielsweise aus einer Ein- und Ausgabeperipherie, einem Mikroprozessor sowie Daten- und Programmspeichern, welche Baugruppen über ein Datenbussystem miteinander verknüpft sind. In den Datenspeichern sind Kennfelder und Betriebsdaten für die Betriebssteuerung der Brennkraftmaschine sowohl im Zugbetrieb als auch Bremsbetrieb abgelegt. Die Steuerund/oder Regeleinheit 70 regelt somit per im Programmspeicher abgespeichertem Programm anhand der Kennfelder und Betriebsdaten den Betrieb der Brennkraftmaschine. Letzteres kann während des Motorbremsbetriebes entweder durch eine Auf-Zu-Einstellung der Drosselklappe 10 oder im Sinne einer feinfühligen Ein- bzw. Verstellung der Drosselklappe 10 geschehen. Die Steuer- und/oder Regeleinheit 70 gibt ihre Befehle über die Leitung 69 an das Schaltorgan 68, das über Schaltleitungen 76, 77 mit dem Absperr-/Durchlassventil 67 verbunden ist. Um während eines Motorbremsbetriebes eine gegenüber der maximal möglichen geringere Bremsleistung zu erzeugen oder einer Überhitzung motorinterner Bauteile entgegenzuwirken bzw. vorzubeugen, kann solchermaßen z. B. in Abhängigkeit von datenmäßig vorgegebenen Zeitintervallen oder von gemessenen Bauteiltemperaturen und/oder sonstigen Vorgaben, z. B. aus dem Betrieb des Fahrzeugs, das den Motor enthält, die Drosselvorrichtung 10 entsprechend ein- bzw. verstellt werden. Diese Regelung der Bremsleistung kann im Falle einer Brennkraftmaschine, die in ein Kraftfahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug wie Lastkraftwagen oder Omnibus, eingebaut ist, in eine elektronisch geregelte Bremsstrategie eingebunden sein, die den Einsatz aller im Fahrzeug verfügbaren Bremsen (Betriebsbremsen, Retarder, Motorbremse) optimal koordiniert.
Nachstehend ist auf das Zusammenwirken der Teile der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung während eines Motorbremsbetriebes näher eingegangen.
Wenn ein Motorbremsvorgang initiiert ist, wird die Drosselvorrichtung 10 durch Befehle der Steuer- und/oder Regeleinheit 70 in eine Schließposition gebracht, so dass sich stromauf der Drosselvorrichtung 10 ein Druckanstieg mit entsprechendem Abgasgegendruck ergibt. Die beim Ausschieben von Abgas benachbarter Zylinder 1 entstehenden Druckwellen überlagern sich dabei dem stationären Abgasgegendruck und bewirken infolge der positiven Druckdifferenz ein Zwischenöffnen jedes einer motorinternen Bremsvorrichtung 11 zugeordneten Auslassventils 2 - siehe Phase A1 im Diagramm von Fig. 9 -, die sich am Ende des 1. Taktes (Ansaugtakt) einstellt. In dieses unabhängig von der Nockenwellensteuerung erfolgende Auslassventil-Zwischenöffnen wird während des Bremsbetriebes erfindungsgemäß steuerungstechnisch automatisch eingegriffen. Dabei wird das nach Zwischenöffnung unter der Einwirkung seiner Schließfeder 23 wieder zum Schließen neigende Auslassventil 2 zwangsweise durch die zugeordnete motorinterne Bremsvorrichtung 11 abgefangen und dann mittels dieser über den gesamten Kompressionstakt sowie Expansionstakt in teilgeöffneter Abfangposition gehalten - siehe Phase A2 im Diagramm gemäß Fig. 9. Dabei laufen in der motorinternen Bremsvorrichtung folgende Vorgänge ab.
Am Anfang des 1. Taktes (Ansaugtakt) befindet sich das Auslassventil 2 in Schließstellung A. Der Steuerkolben 30 der motorinternen Bremsvorrichtung 11 ist in seiner Sackbohrung 31 auf Anschlag gesetzt und wirkt als mechanischer Puffer, wobei er durch das geschlossene Auslassventil 2 in diese eingefahrene Position gedrückt ist.
Gegen Ende des 1. Taktes erfolgt dann das abgasgegendruckbewirkte Zwischenöffnen des Auslassventils 2 mit einem Ventilhub A→B, der am Ende der Phase A1 (siehe Diagramm Fig. 9) erreicht wird. Der Öffnungsbewegung des zwischenöffnenden Auslassventils 2 folgend wird der Steuerkolben 30 durch den Öldruck im Steuerdruckraum 33 und die Kraft der eventuell vorhandenen Steuerdruckfeder 32 nachgeführt und in seine anschlagbedingt äußerste Abfangposition ausgefahren. Einher geht mit diesem Ausfahren des Steuerkolbens 30 eine volumenmäßige Vergrößerung des Steuerdruckraumes 33 und dessen sofortiges Auffüllen mit Drucköl über die Ölzufuhrkanäle 34, 35, wobei nach vollständiger Auffüllung des Steuerdruckraumes 33 - wegen des sperrenden Rückschlagventils 36 und des durch den Gegenhalter 40 abgesperrten Entlastungskanals 37 - der Steuerkolben 30 in seiner ausgefahrenen Abfangstellung hydraulisch in der Ventilbrücke 20 verblockt ist. Beim Zwischenöffnen eilt das Auslassventil 2 dem Hub des Steuerkolbens 30 mit größerem Hub voraus. Beim Übergang von Phase A1 nach Phase A2 (siehe Diagramm Fig. 9) bewegt sich das Auslassventil 2 wieder in Schließrichtung, wird dann aber schon nach kurzem Rückweg B→C zu Beginn des 2. Taktes (Kompressionstakt) durch den hydraulisch in der Ventilbrücke verblockten Steuerkolben 30 abgefangen. Diese Abfangposition bleibt während der gesamten Phase A2, also über den gesamten restlichen 2. Takt (Kompressionstakt) und folgenden 3. Takt (Expansionstakt) erhalten.
Erst dann, wenn am Ende des 3. Taktes (Expansionstakt) die nockenwellenseitige Steuerung des Auslassventils 2 über den zugehörigen Steuernocken an der Nockenwelle, gegebenenfalls die Stößelstange 12, den Kipphebel 13 und die Ventilbrücke 20 wieder wirksam wird, erfolgt eine Aufhebung dieser vorherigen hydraulischen Verblockung des Steuerkolbens 30, denn sobald die Ventilbrücke 20 in Richtung "Auslassventil öffnen" bewegt wird, hebt sie vom Gegenhalter 40 ab. Dadurch wird der Entlastungskanal 37 freigegeben und Drucköl kann durch diesen nun aus dem hydraulisch nicht mehr verblockten Steuerdruckraum 33 in den Bereich des Zylinderdeckels 7 ausströmen, was auch durch den unter Einwirkung des durch seine Schließfeder 23 in Schließrichtung bewegten Auslassventils 2 in Richtung seiner eingefahrenen Grundstellung gedrückten Steuerkolben 30 unterstützt wird.
Sobald der Steuerkolben 30 wieder voll in die ventilbrückeninterne Sackbohrung 31 auf Anschlag eingedrückt ist, wirkt er wieder nur als rein mechanischer Puffer an der Ventilbrücke 20, über die in Phase A3 (siehe Diagramm Fig. 9) während des 4. Taktes (Ausschubtakt) beim Motorbremsen das Öffnen des Auslassventils 2 dann - synchron zum zweiten Auslassventil 3 - bis zum vollen Auslassventilhub D, dessen bzw. deren Halten und Wieder-Schließen gesteuert durch den entsprechenden Nocken an der Nockenwelle und über den Kipphebel 13 erfolgt. Am Ende des 4. Taktes (Ausschubtakt) nimmt die Ventilbrücke 20 während des Motorbremsens wieder ihre in Fig. 1 und 2 gezeigte Position ein, aus der heraus der nächste in gleicher Weise wie vorher beschrieben ablaufende Bremszyklus abläuft.
Nachfolgend noch einige Angaben zum theoretischen Hintergrund der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung:
Wie bereits erwähnt, wird das Zwischenöffnen eines Auslassventils 2 während einer Motorbremsphase durch Ausschiebedruckwellen benachbarter Zylinder 1 hervorgerufen, die in den Abgastrakt 9 münden. Zur Berechnung des Bewegungsablaufes des Auslassventils 2 während des Zwischenöffnens wird folgende Bewegungsgleichung angeschrieben:
Figure 00120001
Dabei bedeuten bezogen auf das betrachtete Auslassventil 2:
mv =
reduzierte Ventilmasse (Masse, die am Zwischenöffnen beteiligt ist)
ÿ =
Ventilbeschleunigung
d =
geschwindigkeitsproportionale Dämpfung des Auslassventils 2
y =
Ventilgeschwindigkeit
c =
Federrate der Schließfeder 23
f =
Federrate der optionalen Steuerdruckfeder 32
y =
Ventilhub
F1 =
Vorspannkraft der Schließfeder 23
Fk =
am Steuerkolben 30 wirksame Vorspannkraft (Öldruck + evt. Steuerdruckfeder 32)
Ava =
Auspuffseitige Ventilfläche
pa =
Druck im Abgastrakt 61
Avz =
Zylinderseitige Ventilfläche
pz =
Druck im Zylinder 1
pl =
Druck im Ansaugrohr (Ladedruck)
Daraus errechnet sich die Vorspannkraft F1 der Schließfeder 23 des Auslassventils 2 und der Steuerdruckfeder 32 wie folgt:
Figure 00120002
Die Vorspannkraft F1 der Schließfeder 23 des Auslassventils 2 ist im Rahmen des zulässigen Auslegungsbereiches, der sich aus der Ventiltriebdynamik-Berechnung ergibt, für das Funktionieren der Motorstaubremsvorrichtung so auszulegen, dass das Auslassventil 2 basierend auf dem bei geschlossener Drosseleinrichtung 10 im aufgestauten Abgas gegebenen Abgasgegendruck sicher zwischenöffnet. F1 sollte aber auch nicht zu niedrig sein, da sonst der Luftdurchsatz und der Abgasgegendruck absinken, wodurch die Innenkühlung der Brennkraftmaschine im Bremsbetrieb und auch die Bremsleistung geringer würden.
Da am Beginn der Zwischenöffnung das Auslassventils 2 der Ventilhub y und damit auch y ˙ und ÿ gleich 0 sind, reduziert sich die Gleichung zu diesem Zeitpunkt auf: Ava• pa - Avz • pz = F1 - Fk
Nachdem näherungsweise angenommen werden kann, dass die zylinderseitige Ventilfläche des Auslassventils 2 etwa der Kreisfläche mit dem theoretischen Ventilsitzdurchmesser (Avm) entspricht und bei üblichen Auslassventilen der Schaftquerschnitt ca. 4 % von Avm beträgt, so kann die Gleichung folgendermaßen angenähert werden: Avm • (pa • 0,96 - pz) ≈ F1 - Fk
Da das abgasgegendruckbedingte Zwischenöffnen des Auslassventils 2 am Ende des Ansaugtaktes erfolgt, kann für pz der Ladedruck (im Bremsbetrieb üblicherweise gleich dem Atmosphärendruck) eingesetzt werden.
Mit pa als gewünschtem Abgasgegendruck im unteren Drehzahlbereich und einem Faktor K für die dynamische Drucküberhöhung (das Auslassventil 2 soll nur durch von benachbarten Zylindern erzeugten Druckwellen aufgedrückt werden) wird die Vorspannkraft F1 der Schließfeder 23 des Auslassventils 2 daher wie folgt ausgelegt: F1 = Avm • (K • pa • 0,96 - pl) + Fk wobei K = 1,2 ± 0,2
Mit der erfindungsgemäßen Motorstaubremsvorrichtung lässt sich somit mit vergleichsweise billigen und einfach zu realisierenden Mitteln auch bei einer Brennkraftmaschine, die je Zylinder zwei Auslassventile aufweist, im Motorbremsbetrieb eine sehr hohe Motorbremsleistung erzielen.
Bezugszeichenliste
1
Zylinder
2
Auslassventil
3
Auslassventil
4
Brennraum von 1
5
Kolben von 1
6
Zylinderkopf
7
Zylinderdeckel
8
Auslasskanäle
9
Abgastrakt
10
Drosselvorrichtung
11
motorinterne Bremsvorrichtung
12
Stößelstange
13
Kipphebel
14
Lagerbock
15
Lagerachse
16
Gleitlager auf 15
17
Mutter an 18
18
Schraubenbolzen an 13
19
Stützkalotte an 18
20
Ventilbrücke
21
Schaft von 2
22
Schaft von 3
23
Schließfeder von 2
24
Schließfeder von 3
25
Zylinderkopffläche für 23
26
Zylinderkopffläche für 24
27
Federteller an 2
28
Federteller an 3
29
Unterseite von 20 für 3
30
Steuerkolben von 11
31
Sackbohrung für 30 in 20
32
Steuerdruckfeder
33
Steuerdruckraum
34
Ölzufuhrkanal in 13
35
Ölzufuhrkanal in 20
36
Rückschlagventil
37
Entlastungskanal
38
Oberseite von 20
39
Austrittsöffnung von 37
40
Gegenhalter
41
Sackloch
42
Anschlag oben, eingefahrener Steuerkolben
43
Anschlag unten, ausgefahrener Steuerkolben
44
Sackloch in 30 (Fig. 3 bis 5)
45
Boden von 44 (Fig. 3 bis 5)
46
Boden von 31
47
Zapfen an 30 (Fig. 6 bis 8)
48
hintere Stirnfläche an 47 (Fig. 6 bis 8)
49
Schulterfläche an 30
50
Querstift
51
Querbohrung in 20 für 50
52
Einbuchtung an 30
53
Kontermutter von 40
54
Stiftschraube
55
Kugel von 36
56
keglige Übergangsfläche
57
Abschnitt von 35
58
Abschnitt von 35
59
Anschlag in 58
60
Querbohrung
61
absperrbarer Abschnitt von 9
62
Achse von 10
63
Stellmotor
64
Druckluftversorgungseinrichtung
65
Druckluftleitung
66
Leitungsteil
67
Absperr-/Durchlassventil
68
Schaltorgan
69
Steuerleitung
70
Steuer- und/oder Regeleinheit
71
Drucksensor
72
Temperatursensor
73
Signalleitungen
74
Signalleitungen
75
Signalleitungen
76
Schaltleitung
77
Schaltleitung

Claims (19)

  1. Motorstaubremsvorrichtung einer 4-Takt-Hubkolbenbremskraftmaschine, die je Zylinder (1) wenigstens ein Einlassventil und zwei an einem Abgastrakt (9) angeschlossene, durch jeweils eine Schließfeder (23, 24) in Schließrichtung beaufschlagte Auslassventile (2, 3) aufweist, die über eine Ventilbrücke (20) und einen auf letztere einwirkenden, entweder direkt oder indirekt über eine Stößelstange (12) von einer Nockenwelle her steuerbaren Kipphebel (13) betätigbar sind, wobei in den Abgastrakt (9) eine zur Motorbremsung derart betätigbare Drosselvorrichtung (10) eingebaut ist, dass sich stromauf derselben im aufgestauten Abgas ein Abgasgegendruck aufbaut, der für eine Motorbremsung motorintern in Verbindung mit einer speziellen Bremsvorrichtung (11) wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, dass die motorinterne Bremsvorrichtung (11) je Zylinder (1) nur einem (2) der beiden Auslassventile (2, 3) zugeordnet, das andere Auslassventil (3) dagegen herkömmlich wirksam ist, dass die motorinterne Bremsvorrichtung (11) einen Steuerkolben (30), an dem sich der Schaft (21) des Auslassventils (2) abgestützt, aufweist, der in einer Sackbohrung (31) der Ventilbrücke (20) axial beweglich geführt aufgenommen sowie von einem mit Drucköl versorgten Steuerdruckraum (33) her und eventuell durch eine zusätzliche Steuerdruckfeder (32) in Richtung Auslassventil-Schaft (21) gedrückt ist, wobei die Druckölzufuhr zum Steuerdruckraum (33) über einen mit einem kipphebelinternen Kanal (34) kommunizierenden ventilbrückeninternen Kanal (35) erfolgt, in welch letzteren (35) ein nur in Richtung Steuerdruckraum (33) durchlässiges Rückschlagventil (36) eingebaut ist, und wobei vom Steuerdruckraum (33) ein Entlastungskanal (37) abgeht, der an der Oberseite (38) der Ventilbrücke (20) ausmündet und dessen Austrittsöffnung (39) durch einen gleichzeitig einem Anschlag für die Ventilbrücke (20) bildenden Gegenhalter (40) verschließbar bzw. für Druckentlastung des Steuerdruckraumes (33) nach Abheben der Ventilbrücke (20) freigebbar ist, dass die Vorspannkraft F1 der diesem Auslassventil (2) zugeordneten Schließfeder (23) derart bemessen ist, dass sich während des Motorbremsens bei in Drosselstellung befindlicher Drosselvorrichtung (10) aufgrund des im aufgestauten Abgas in Verbindung mit den darin wirkenden Druckpulsationen auftretenden Abgasgegendruckes P2 ein Zwischenöffnen des Auslassventils (2) ergibt, in welches Zwischenöffnen während jedes 4-Takt-Motorzyklus' mit der motorinternen Bremsvorrichtung (11) steuerungstechnisch automatisch derart eingreifbar ist, dass das nach Zwischenöffnung anfangs des 2. Taktes zum Schließen neigende Auslassventil (2) durch den öldruckbeaufschlagt nachrückenden Steuerkolben (30) abgefangen und während des 2. und 3. Taktes am Schließen gehindert sowie bis zu seiner anfangs des 4. Taktes erfolgenden nockenwellen-gesteuerten Öffnung teilweise offen gehalten wird, wobei der Abgasgegendruck P2 bei in Schließposition befindlicher Drosselvorrichtung (10) sein Maximum hat und gegebenenfalls durch gesteuerte und/oder geregelte Öffnung der Drosselvorrichtung (10) erniedrigbar ist, um eine Reduzierung der Motorbremsleistung und/oder der Temperatur motorinterner Bauteile zu bewirken, und wobei der Querschnitt der Ölzufuhrkanäle (34, 35) und der Druck des dem Steuerdruckraum (33) zugeführten Öles derart aufeinander abgestimmt sind, dass während eines Zwischenöffnens des Auslassventils (2) der sich aufgrund des nachdrückenden Steuerkolbens (30) volumenmäßig vergrößernde Steuerdruckraum (33) zumindest nahezu vollständig mit Drucköl füllbar und solchermaßen dann gegen Ende des Zwischenöffnungshubes ein Halten des Auslassventils (2) in abgefangener Teilöffnungsposition gewährleistet ist.
  2. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (30) der motorinternen Bremsvorrichtung (11) in der ventilbrücken-internen Sackbohrung (31) leckagearm zwischen zwei Anschlägen (42, 43) hubbegrenzt beweglich ist.
  3. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, die eingefahrene Grundposition für den Steuerkolben (30) vorgebende Anschlag (42) durch eine Schulterfläche am Übergang zwischen zwei durchmesserverschiedenen Abschnitten der Sackbohrung (31) gebildet ist, wobei der durchmessergrößere Abschnitt den Steuerkolben (30) aufnimmt und der durchmesserkleinere Abschnitt den Steuerdruckraum (33) bildet sowie die Steuerdruckfeder (32) aufnimmt.
  4. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, die eingefahrene Grundposition des Steuerkolbens (30) vorgebende Anschlag (42) durch den Boden (46) der Sackbohrung (31) in der Ventilbrücke (20) gebildet ist, die den Steuerdruckraum (33) vorgibt und die Steuerdruckfeder (32) aufnimmt, wobei am Steuerkolben (30) rückseitig ein zentraler Zapfen (47) angeordnet ist, mit dessen hinterer Stirnfläche (48) der Steuerkolben (30) am Boden (46) der Sackbohrung (31) zur Anlage kommt, von dem auch die Entlastungsbohrung (37) abgeht, so dass der Zapfen (47) auch noch jene Zusatzfunktion erfüllt, nämlich dass das in jedem 4. Motor-Takt unmittelbar nach Beginn der nockenwellengesteuerten Öffnungshubbewegung der Ventilbrücke (20) und dem damit einhergehenden Abheben derselben vom Gegenhalter (40) eine Druckentlastung des Steuerdruckraumes (33) erfolgende Abspritzen von Drucköl über den Entlastungskanal (37) mengenmäßig begrenzt wird, weil der Entlastungskanal (37) durch den Zapfen (47) des sofort in seine Grundstellung zurückkehrenden Steuerkolbens (30) wieder verschlossen wird, wodurch der Ölverlust im Steuerdruckraum (33) begrenzbar und ein darin hoch bleibender Öldruck sicherstellbar ist.
  5. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere, die weitest ausgefahrene Position vorgebende Anschlag (43) des Steuerkolbens (30) durch einen Querstift (50) realisiert ist, der in eine Querbohrung (51) in der Ventilbrücke (20) eingepresst ist, ferner in den lichten Querschnitt der Sackbohrung (31) seitlich hineinragt und so in eine äußere Einbuchtung (52) am Steuerkolben (30) eingreift, deren obere Begrenzungswand als Anschlag (43) den Ausfahrhub des Steuerkolbens (30) begrenzt.
  6. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerkolben (30) vorne ein Sackloch (41) aufweist, mit dem er das obere Ende des Schaftes (21) des zugehörigen Auslassventils (2) kappenartig mit Spiel übergreift.
  7. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdruckfeder (32) einenendes am Steuerkolben (30), dort am Boden (45) eines hinteren Sackloches (44) und andernendes am Boden (46) der den Steuerkolben (30) aufnehmenden Sackbohrung (31) abgestützt ist.
  8. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerdruckfeder (32) durch den zentralen Zapfen (47) am Steuerkolben (30) zentriert und an einer ringförmigen Schulterfläche (49) am Steuerkolben (30), andererseits am Boden (46) der den Steuerkolben (30) aufnehmenden Sackbohrung (31 )abgestützt ist.
  9. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenhalter (40) für die Ventilbrücke (20) durch eine im Zylinderdeckel (7) z. B. durch eine Kontermutter (53) fixierte, hinsichtlich ihrer Anschlagposition einstellbare Stiftschraube (54) gebildet ist.
  10. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Ölzufuhr-Kanals (34) im Kipphebel (13) gleich oder größer ist als jener des anschließenden Ölzufuhr-Kanals (35) in der Ventilbrücke (20).
  11. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (36) als Steuerorgan eine Kugel (55) aufweist und der zugehörige Ventilsitz durch eine keglige Übergangsfläche (56) zwischen zwei durchmesserverschiedenen Ölzufuhrkanal-Abschnitten (57, 58) gebildet ist, wobei die Kugel (55) im durchmessergrößeren Ölzufuhrkanal-Abschnitt (58) angeordnet und dort deren Öffnungshub durch einen Anschlag (59) begrenzt ist.
  12. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der den Öffnungshub der Rückschlagventil-Kugel (55) begrenzende Anschlag (59) durch einen den Ölzufuhrkanal-Abschnitt (58) quer durchsetzenden, in eine Querbohrung (60) in der Ventilbrücke (20) eingepressten Anschlagstift gebildet ist.
  13. Motorstaubremsvorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Querschnitt des Ölzufuhrkanals (35) intern der Ventilbrücke (20) im Bereich des Rückschlagventils (36), dort im Bereich des Ringspalts um dessen Kugel (55) im Ölzufuhrkanal-Abschnitt (58) gegeben ist.
  14. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlastungskanal (37) durch eine vom Boden (46) der Sackbohrung (31) koaxial zur Oberseite (38) der Ventilbrücke (20) führende Drosselbohrung gebildet ist, deren Durchmesser wesentlich kleiner als der kleinste Querschnitt des Ölzufuhrkanals (35) in der Ventilbrücke (20) ist.
  15. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Vorspannkraft F1 der Ventilfeder (23) des Auslassventils (2) höher ist als die wirksame Vorspannkraft der über den Steuerkolben (30) auf letzteres einwirkenden Steuerdruckfeder (32).
  16. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der motorinternen Bremsvorrichtung (11) und der Öldruck des dem Steuerdruckraum (33) zugeführten Drucköles so ausgelegt sind, dass das Auslassventil (2) während des Motorbremsens nach seinem abgasgegendruckbewirkten Zwischenöffnen in einer Position C abfangbar und haltbar ist, deren Abstand zur Schließposition des Auslassventils (2) etwa 1/5 bis 1/20 des vollen Auslassventil-Öffnungshubes (A → D) beträgt.
  17. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselvorrichtung (10) im Abgastrakt (9) der Brennkraftmaschine räumlich vor der Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist.
  18. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des mittels der Drosselvorrichtung (10) absperrbaren Abschnitts (61) des Abgastraktes (9) so gering wie möglich gewählt, also die Drosselvorrichtung (10) möglichst motornah am Ausgang eines oder mehrerer zusammengeführter Abgaskrümmer und räumlich vor der Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist.
  19. Motorstaubremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Drosselvorrichtung (10) - um während des Motorbremsbetriebes eine gegenüber der maximal möglichen geringere Bremsleistung zu erzeugen und/oder einer Überhitzung motorinterner Bauteile entgegenzuwirken - in Abhängigkeit von vorgegebenen Zeitintervallen oder von gemessenen Bauteiltemperaturen und/oder aufgrund von Vorgaben aus dem Betrieb eines Fahrzeugs, das den Motor enthält, erfolgt und im Falle eines Fahrzeugmotors in eine elektronisch geregelte Bremsstrategie eingebunden sein kann, die den Einsatz aller Bremsen des Fahrzeugs optimal koordiniert.
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