DE4425956A1 - Verfahren zum Verstärken der Motorbremsleistung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken der Motorbremsleistung eines Verbrennungsmotors, ins­ besondere eines Dieselmotors.

Aus der Praxis sind verschiedene Ausführungen von Mo­ torbremsen bekannt.

Beispielsweise kann eine Motorbremse dadurch reali­ siert werden, daß im Zylinder der Brennkraftmaschine ein zusätzliches Auslaßventil vorgesehen ist, welches zu einem geeigneten Zeitpunkt geöffnet wird, um die Drücke nach dem Komprimieren der Gase im Zylinder zu reduzieren und somit als Motorbremse zu wirken.

Nachteilig bei diesem und allen anderen bekannten Ver­ fahren ist jedoch, daß die Motorbremsleistung relativ gering bzw. oftmals nicht ausreichend ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren vorzusehen, mit dem die Motor­ bremsleistung eines Verbrennungsmotors verstärkt wer­ den kann.

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

Durch das Zünden des Kraftstoff-Luftgemisches vor dem oberen Totpunkt baut sich im Brennraum ein Druck auf, gegen den der sich nach oben bewegende Kolben Arbeit verrichten muß, wodurch ein Bremseffekt erzielt wird. Das Abgas wird kurz vor dem Erreichen des oberen Tot­ punktes über ein Ventil ausgestoßen und kann anschlie­ ßend beispielsweise einem Abgasturbolader zugeführt werden.

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

Der Abgasturbolader kann zusätzlich noch zur Erhöhung der Bremsleistung vorteilhaft eingesetzt werden.

Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungs­ beispiel der vorliegenden Erfindung prinzipmäßig be­ schrieben.

Die Figur zeigt den Druckverlauf p über dem Kurbelwin­ kel KW für einen Zylinder eines Verbrennungsmotors. Die Kurve 1 stellt hierbei den Druckverlauf im Brems­ betrieb des Verbrennungsmotors gemäß dem Stand der Technik dar. Abweichend hierzu zeigt die Kurve 2 den Druckverlauf beim Einsatz des Verfahrens zur Erhöhung der Motorbremsleistung.

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

Dieser kurzzeitige Druckabfall resultiert aus der Energieaufnahme durch die Kraftstoffverdampfung.

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

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

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

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

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

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

Wie bereits erwähnt, zündet das in dem Brennraum ein­ gespritzte Kraftstoff-Luftgemisch an der Stelle 4 von selbst, d. h. es handelt sich bei dem eingespritzten Kraftstoff um Dieselkraftstoff. Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren auch in Ottomotoren eingesetzt werden, wobei hierbei die Zündeinrichtung des Ottomotors auf geeignete Art und Weise noch deut­ lich vor dem Erreichen des oberen Totpunktes ange­ steuert werden muß.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Claims (7)

1. Verfahren zum Verstärken der Motorbremsleistung ei­ nes Verbrennungsmotors, insbesondere eines Diesel­ motors, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kompressionsphase vor dem oberen Totpunkt OT eine Kraftstoffeinspritzung erfolgt und ebenfalls noch vor dem oberen Totpunkt OT eine Zündung des Gemischs erfolgt, und daß im Bereich des oberen Totpunktes OT das Abgas über ein Ventil ausgestoßen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgestoßene Abgas in einen Abgasturbolader eingeleitet wird, der auf einen verengten Einlaß­ querschnitt im Vergleich zum Normalbetrieb steuer­ bar ist.

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

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

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung wenigstens 20° Kurbel­ winkel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT, vorzugsweise bei 50° Kurbelwinkel bis 60° Kurbel­ winkel vor dem Erreichen des oberen Totpunktes OT erfolgt.

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

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