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Die Erfindung betrifft eine Motorbremse einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Auslassventil pro Zylinder, mit zumindest einer in einer mit dem Auslassventil strömungsverbundenen Auspuffleitung angeordneten Drosseleinrichtung. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Motorbremsleistung bei dieser Brennkraftmaschine.
Motorbremsen mit einer Drosseleinrichtung im Auspuffsystem sind bekannt und stellen eine Dauerbremse dar, wobei die Drosseleinrichtung üblicherweise durch eine Auspuffstauklappe gebildet wird. Allerdings haben Motorbremsen, die ausschliesslich auf der Drosselwirkung von Auspuffstauklappen beruhen, den Nachteil einer relativ geringen Motorbremsleistung.
Weiters sind Motorbremsen bekannt, die eine Einrichtung aufweisen, die das Auslassventil beim Verdichtungstakt einen kleinen Spalt offenhalten. Dadurch wird erreicht, dass die Luft nicht verdichtet wird, sondern durch den Spalt des Auslassventiles, der als Drossel wirkt, in den Auspuff gelangt. Die Energie wird dabei am Drosselspalt in Wärme umgewandelt und gelangt zum Teil in den Auspuff, und zum anderen Teil in das Kühlwasser der Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine kann dadurch auch bei längerer Talfahrt nicht unterkühlt werden. Die Bremsleistung solcher Systeme ist etwa doppelt so gross wie die von konventionellen Auspuffstaubremsen. Motorbremsen dieser Art wurden von den Firmen MACK TRUCKS INC. und JACOBS MANUFACTURING COMPANY verwirklicht.
MACK hat dies in der Zeitschrift,, Automotive Industrie" vom 15.2. 1971 auf den Seiten 49 bis 52 veröffentlicht, sowie im SAE PAPER 710557 beschrieben. Hier handelt es sich um ein Ventil auf der Kipphebelachse, welches den Öldruck in zwei Ölbohrungen der Kipphebelachse derart steuert, dass ein hydraulisches Element im Kipphebel bei normalem Betrieb ständig einen kleinen Hub ausführt, und über eine Rücknahme im Nockengrundkreis gleitet, wobei dieses Element beim Bremsen hydraulisch steif wird und auch während der Berührung zwischen dem Element und dem Grundkreis der Nocke das Auslassventil offen gehalten wird.
Die Motorbremse von JACOBS wurde im SAE PAPER 387A beschrieben. Bei dieser Ausführung drückt ein hydraulisches Element direkt auf das Auslassventil. Die Regelung und die Elemente werden in einem recht aufwendigen Gehäuse auf den Zylinderkopf aufgesetzt.
Der Nachteil von bekannten, auf das Auslassventil einwirkenden Motorbremssystemen ist, dass die Kraftaufbringelemente relativ gross dimensioniert werden müssen, um das Auslassventil entgegen der Ventilfederkraft zu öffnen. Um solche hohen Kräfte aufbringen zu können, sind meist umfangreiche konstruktive Massnahmen erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Motorbremsleistung bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit genngem Aufwand zu verbessern.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein auf das Auslassventil während des Motorbremsbetriebes in Öffnungsrichtung wirkendes Kraftaufbringelement vorgesehen ist, dessen aufbringbare Kraft kleiner oder gleich ist der Schliesskraft der Ventilfeder des Auslassventiles, und welches das Auslassventil in Schliessrichtung sperrt.
Bei Brennkraftmaschinen mit einer zuschaltbaren Drosseleinrichtung im Auspuff kommt es zu hochfrequenten Druckpulsationen in der Auspuffleitung stromaufwärts der Drosseleinrichtung im Motorbremsbetrieb. Bei aktivierter Drosseleinrichtung steigt der Abgasdruck im Bereich des unteren Totpunktes nach dem Ansaugtakt so stark an, dass das Auslassventil durch die Druckwelle eines benachbarten Zylinders aufgedrückt wird. Diese Druckpulsationen bewirken ein schnelles Öffnen und Schliessen des Auslassventiles und verursachen ein charakteristisches Geräusch bei Auspuffbremsen. Das Flattern des Auslassventiles wirkt sich allerdings nachteilig auf die Lebensdauer des Auslassventilsitzes aus. Die vorliegende Erfindung macht sich die durch die Druckpulsationen verursachte Flatterbewegung des Auslassventiles für die Aufbringung der Öffnungskraft auf das Auslassventil zu Nutze.
Während der durch die Druckpulsationen verursachten Öffnungsbewegung wirkt das Kraftaufbringelement auf den Auslassventilschaft und sperrt das Auslassventil in Schliessrichtung, sodass nach Abbau der Druckspitze im Auspuffsystem die Schliessbewegung des Auslassventiles verhindert wird. Die Öffnung des Auslassventiles wird somit durch die Druckspitzen in der Auslassleitung bewirkt. Das Kraftaufbringelement braucht nur mehr die Rückbewegung des Auslassventiles in die Schliessstellung unterbinden, was mit viel kleineren Kräften möglich ist, als bei einer aktiven Öffnung entgegen der Auslassventilfeder.
In einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftaufbringelement einen hydraulisch betätigbaren Betätigungskolben aufweist und vorzugsweise mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist. Das hydraulische Element kann dabei sehr klein dimensioniert werden, wobei zur Betätigung der normale Schmieröldruck ausreicht. Zur erfindungsgemässen Ausnützung der hochfrequenten Flatterbewegungen sollte das Kraftaufbringelement möglichst direkt auf das Auslassventil wirken und Ansprechzeiten unterhalb der Flatterfrequenz aufweisen. Gegebenenfalls kann das Kraftaufbringelement auch über ein Zwischenelement, beispielsweise eine Ventilspieleinstellschraube oder einen Ventilhebel, auf das Auslassventil wirken.
In einer sehr kompakten Ausführung ist weiters vorgesehen, dass der Betätigungskolben, vorzugsweise an seiner Kraftangriffsfläche, eine Druckentlastungsöffnung mit definiertem Querschnitt aufweist. Dadurch wird das Kraftaufbringelement automatisch deaktiviert, sobald das Anschlussventil während des Ausstosstaktes geöffnet wird. Durch das Öffnen des Auslassventiles durch die Nockenwelle entsteht ein Spalt zwischen der Kraftangriffsfläche und dem Auslassventilschaft bzw. dem Zwischenelement und ermöglicht ein Abfliessen des Öles durch die Druckentlastungsöffnung aus dem Arbeitsraum des Betätigungskolbens. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn auf den Betätigungskolben eine Feder in Richtung Ruhelage einwirkt.
Bei entsprechender Dimensionierung der Feder und der Druckentlastungsöffnung wird
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nach Absinken des Systemdruckes somit der Betätigungskolben in seine Ruhelage gedrückt und bleibt dort, bis das Auslassventil wieder schliesst und das nächste Arbeitsspiel beginnt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Kraftaufbringeinrichtung durch einen am Zylinderkopf oder Ventilhebelgehäuse lösbar befestigten Haltebügel abgestützt ist. Dadurch ist eine zusätzliche Aufrüstung konventioneller Brennkraftmaschinen ohne aufwendige konstruktive Änderungen möglich.
In Weiterbildung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Kraftaufbringelement einen mechanisch betätigbaren Betätigungskolben aufweist, dessen Betätigung vorzugsweise über eine Zahnstange oder einen Hebelmechanismus erfolgt.
Die Drosseleinrichtung im Auspuffsystem kann in einfacher Weise als Stauklappe ausgebildet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert : Es zeigen Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 eine Schrägansicht auf eine Ventilbetätigungseinrichtung mit der erfindungsgemässen Motorbremse in einer ersten Ausführungsvariante, Fig. 3 einen Querschnitt auf diese Motorbremse, Fig. 4 die Kraftaufbringeinrichtung aus Fig. 3 im Detail, Fig. 5 einen Querschnitt einer Ventilbetätigungseinrichtung in einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsvariante, Fig. 6 und 7 analoge Querschnitte von weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für die Erfindung unwesentliche Elemente sind nicht dargestellt.
In einem auf einen Zylinderblock 1 aufgesetzten Zylinderkopf 2 sind Einlassventile 3 und Auslassventile 4 vorgesehen. In der vom Auslassventil 4 ausgehenden Auspuffleitung 5 ist eine Drosseleinrichtung 6 angeordnet. Das Auslassventil 4 wird in den Ausführungsbeispielen von einer oben liegenden Nockenwelle 7 über einen als Kipphebel ausgeführten Ventilhebel 8 entgegen der Kraft der Ventilfeder 4a betätigt. Auf das Auslassventil 4 wirkt ein sich über einen Bügel 9 am Zylinderkopf 2 abstützendes Kraftaufbringelement 10 in Öffnungsrichtung des Auslassventiles 4 ein. Mit 11 ist ein im Zylinder 12 hin-und hergehender Kolben bezeichnet. Mit Bezugszeichen 13 ist ein auf das Einlassventil 3 wirkender Ventilhebel angedeutet.
Der Betätigungskolben 14 des Kraftaufbringelementes 10 ist im in den Fig. 2 bis 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel hydraulisch betätigbar und mit dem Schmierölkreislauf verbunden. In Ruhelage, also im drucklosen Zustand, wird der Betätigungskolben 14 durch eine Feder 20 in seine obere Endstellung gedrückt.
Bei Aufbringen von Öldruck in der Hydraulikleitung 18 drückt der Betätigungskolben 14 über ein Zwischenelement 21 auf das Auslassventil 4, welches im ersten Ausführungsbeispiel durch eine Einstellschraube 22 für das Ventilspiel gebildet ist. Die Aktivierung des Kraftaufbring- elementes 10 wird ausgelöst, indem während des Ansaugtaktes das geschlossene Auslassven-
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til 4 die Einstellschraube 22 entsprechend nahe an den Betätigungskolben 14 hebt. Dadurch kann nicht mehr so viel Öl ausströmen, wie durch das Rückschlagventil 15 nachgefördert wird. Der Öldruck steigt, der Betätigungskolben 14 bewegt sich zur Einstellschraube 22 und berührt diese.
Im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens 11 nach dem Ansaugtakt 4 wird das Auslassventil durch die Druckwelle eines benachbarten Zylinders angehoben, der Betätigungskolben 14 folgt dieser Bewegung bis zu einem einstellbaren Anschlag 26, über welchen die gewünschte Ventilöffnung festgelegt werden kann. Voraussetzung dafür, dass der Betätigungskolben 14 der Bewegung des Auslassventiles 4 folgt, ist die bereits genannte Bedingung, dass die Feder 20 nur bei voll geöffneter Druckentlastungsöffnung 17 den Betätigungskolben 14 in Ruhelage hält.
Während des Verdichtungs- und des Arbeitstaktes wird das Auslassventil 4 wieder von der Ventilfeder 4a zugedrückt. Das Rückschlagventil 15 oder eine analoge Sperreinrichtung verhindert aber den Ölrücklauf in die Hydraulikleitung 18. Gleichzeitig kann in Folge der Dichtwirkung zwischen dem Betätigungskolben 14 und der Einstellschraube 22 auch kein Öl durch die Druckentlastungsöffnung 17 entweichen. Das Auslassventil 4 bleibt also vom Betätigungskolben 14 aufgedrückt.
Während des darauffolgenden Ausstosstaktes hebt die Nockenwelle 7 das Auslassventil 4 an. Dadurch wird der Spalt 23 so gross, dass er keine Rückhaltewirkung mehr auf das Öl hat. Der Öldruck im Druckraum 16 sinkt damit ab, wodurch das Rückschlagventil 15 öffnet und Öl aus der Hydraulikleitung 18 zufliesst, welches durch die voll geöffnete Druckentlastungsöffnung 17 wieder ungehindert abfliesst. Der Betätigungskolben 14 wird von seiner Feder 20 in die Ruhelage gedrückt und bleibt dort, bis das Auslassventil 4 wieder schliesst und das nächste Arbeitsspiel beginnt.
Da der Betätigungskolben 14 bei Arbeitsspielbeginn immer in der Ausgangsstellung ist, treten keine harten Schläge auf das Auslassventil 4 auf. Die Verwendung der Einstellschraube 22 als Zwischenelement 21 hat den Vorteil, dass konventionelle Kipphebel verwendet werden können und die im allgemeinen besseren Materialeigenschaften der Einstellschraube 22 im Vergleich zum Ventilhebel 8 ausgenützt werden können. Weiters ist die Einrichtung in einem Stück montierbar und ermöglicht auch bei Nachrüstung ein leichtes Einstellen des Maximalhubes.
Die beschriebene Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass sich die Vorrichtung selbst regelt und dass keine weiteren Steuerelemente erforderlich sind.
Fig. 5 zeigt ein analoges Ausführungsbeispiel mit einem hydraulisch betätigbaren Betätigungskolben 14, welcher allerdings nicht direkt auf die Einstellschraube 22 für den Ventilhub einwirkt, sondern von unten auf den als Kipphebel ausgebildeten Ventilhebel 8 wirkt. Zur Feineinstellung des Spaltes 23 weist der Ventilhebel 8 dabei eine Justierschraube 27 auf, auf welche die Kraftangriffsfläche 24 des Betätigungskolbens 14 einwirkt. Die Funktionsweise ist
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analog zu der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante. Das von unten auf den Ventilhebel 8 wirkende Kraftaufbringelement 10 hat den Vorteil, dass nur sehr geringe Bauhöhe beansprucht wird, und die Einstellschraube 22 für das Ventilspiel gut zugänglich ist.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausführungsvarianten, bei denen das Kraftaufbringelement 10 mechanisch betätigbar ist. Das Kraftaufbringelement 10 weist dabei einen Betätigungskolben 28 auf, welcher durch eine mechanische Verdreheinrichtung 29 um die Kolbenachse 28a verdrehbar ist. Der Betätigungskolben 28 oder ein mit dem Befestigungskolben 28 fest verbundenes Übertragungselement 30, beispielsweise eine Hülse, weist ein Aussengewinde 31 auf, welches mit einem zylinderkopffesten Innengewinde 32 zusammenwirkt. Durch Verdrehen des Betätigungskolbens 28 bzw. des Übertragungselementes 30 erfolgt ein Hub des Betätigungskolbens 28 entsprechend der Gewindesteigung.
Die Verdreheinrichtung 29 kann aus einem Hebelmechanismus mit einem Betätigungshebel 29a und einer Betätigungsstange 29b bestehen, wie in Fig. 6 angedeutet ist. Der Hebel 29a ist dabei fest mit dem Betätigungskolben 28 bzw. mit dem Übertragungselement 30 verbunden.
Anstelle des Hebelmechanismuses kann auch eine Zahnstange 29c vorgesehen sein, welche auf ein Ritzel 29d des Betätigungskolbens 28 bzw. des Übertragungselementes 30 einwirkt.
Diese Ausführung ist in Fig. 7 gezeigt.
Die Verschiebung der Betätigungsstange 29b bzw. der Zahnstange 29c kann pneumatisch, hydraulisch oder über einen nicht weiter dargestellten Elektromotor erfolgen. Die Betätigung der Verdreheinrichtung 29 erfolgt dabei vorzugsweise gesteuert im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens 11 nach dem Ansaugtakt, während die Druckwelle eines benachbarten Zylinders das Auslassventil 4 aufdrückt, sowie während des darauffolgenden Verdichtungsund Arbeitstaktes. Durch Bewegen der Betätigungsstange 29b bzw. der Zahnstange 29c in die Ruhelage wird der Bremsvorgang beendet.
Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, kann das Kraftaufbringelement 10 über einen Bügel 9, in welchen auch die Hydraulikleitung 18 bzw. die Betätigungsstange 29b oder die Zahnstange 29c inte- griert sein kann, am Zylinderkopf l über Schrauben 19 befestigt sein. Die erfindungsgemässe
Motorbremse eignet sich für die Nachrüstung von konventionellen Brennkraftmaschinen ohne dass grössere konstruktive Änderungen notwendig werden.
Mit den erfindungsgemässen Ausbildungen wird erreicht, dass das Gas im Zylinder 12 nicht komprimiert wird, sondern durch den Spalt des Auslassventiles 4 in die Auspuffleitung 5 ge- langt. Es erfolgt somit sowohl eine Drosselung am Auslassventilspalt als auch in der Auspuff- leitung 5 durch die Drosseleinrichtung 6, wodurch die Motorbremsleistung gegenüber kon- ventionellen Staubklappen-Motorbremsen deutlich verbessert werden kann.