Das Technik-Modul der neuen 1,5-Takt-HPD-Motorbremse

17.5.2018. Jacobs Vehicle Systems (USA), Hersteller von Motorbremssystemen für schwere Nutzfahrzeuge, hat mit der 1,5-Takt-HPD-Version (HPD= High Power Density) eine neue Variante seiner Dekompressionsbremse auf den Markt gebracht. Vorteil: Das neue System bietet eine deutlich höhere zusätzliche Bremskraft als herkömmliche Dekompressionsbremsen, ist jedoch weniger komplex und gleichzeitig kostengünstiger als die bisher verfügbare 2-Takt-HPD-Variante. Erreicht hat man dies durch eine „konservativere“ Strategie für Motorsteuerung und Ventilöffnung, die zudem den Anforderungen einiger Motoren besser gerecht wird – ohne Abstriche bei der Leistung.

Der grundsätzliche Vorteil dieser Art Zusatzbremse: Motoren mit kleinem und mittlerem Hubraum können eine ähnliche Verzögerungsleistung erreichen, wie sie ansonsten nur bei größere Motoren erreicht werden. Motorenherstellern steht somit ein noch vielseitigeres Modulsystem zur Vefügung: Von der Standard-Dekompressionsbremse über die 1,5-Takt-HPD-Motorbremse bis hin zum Zweitakt-HPD-System. Durch die Integration der Jacobs-Technologie schon zu Beginn eines Motor-Entwicklungsprogramms können die Motorbremsoptionen einfach spezifiziert und an die Anforderungen des geografischen Marktes, die Anwendung sowie den Lebenszyklus angepasst werden – wobei 99 Prozent der Konstruktionselemente gleich bleiben. Das spart Zeit und Kosten.

Die Technik im Detail: Konventionelle Motorbremsen haben für jede Nockenumdrehung des Motors einen Dekompressionsvorgang (compression release, CR) und einen Bremsgasrückführungsvorgang (brake gas recirculation, BGR). Bei der Zweitakt-HPD-Motorbremse eliminieren Mechanismen zur Zylinderdeaktivierung die Hauptvorgänge an den Einlass- und Auslassventilen, sodass die entsprechenden Bremskipphebel zwei Einlass-, zwei CR- und zwei BGR-Ereignisse pro Nockenumdrehung realisieren können. Bei der 1,5-Takt-HPD-Motorbremse wird das Auslassereignis deaktiviert. Die Hauptvorgänge an den Einlassventilen werden jedoch nicht deaktiviert und es finden keine zusätzlichen Einlassventilhübe zur Unterstützung des zweiten Dekompressionsvorgangs statt. Für den ersten Dekompressionsvorgang steht die normale Ansaugung zur Verfügung. Die Gase für den zweiten Dekompressionsvorgang stammen ausschließlich aus der Rückführung der Abgaskrümmergase, ohne dass Luft aus dem Ansaugkrümmer angesaugt wird (siehe Grafik 1 und2).

Mit diesem vereinfachten Konzept erzielt die 1,5-Takt-HPD-Motorbremse im Vergleich zu herkömmlichen Dekompressionsbremsen noch immer eine Verbesserung der Bremsleistung um bis zu 40 % bei hohen Motordrehzahlen und um bis zu 100 % bei niedrigen Motordrehzahlen. Aufgrund der zunehmenden Anzahl von Motoren mit höherer Leistungsdichte und geringeren Betriebsdrehzahlen – zur Senkung von Kraftstoffverbrauch und Gesamtbetriebskosten – sind die Vorteile im unteren Drehzahlbereich besonders relevant (siehe Grafik 3).

Die Überlegenheit der 1,5-Takt-HPD-Motorbremse gegenüber konventionellen Dekompressionsbremsen ergibt sich in erster Linie aus den hohen Luftmassenströmen beim Zweitakt-HPD-Zyklus bei niedriger Motordrehzahl, die den Wirkungsgrad des Turboladers verbessern. Der Grad der Optimierung ist abhängig von Motorarchitektur, Konstruktionsgrenzen und anderen Einschränkungen. Die höchste Motorbremsleistung ist mit Turboladern mit variabler Geometrie, höherer zulässiger Temperatur an der Einspritzdüsenspitze, höherer Gegendruckfähigkeit und einer Möglichkeit zur Einstellung von Lade- oder Gegendruck zu erreichen.

Die Verzögerungsleistung der Motorbremse wird immer wichtiger, weil die Schlüsselstrategien zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz die natürliche Fahrzeugverzögerung durch Luftwiderstand, Reibung im Motor und Antriebsstrang sowie den Rollwiderstand der Reifen reduzieren. Ein weiterer Effekt der Marktnachfrage nach sparsamem Kraftstoffverbrauch ist die Umstellung von Flottenfahrzeugen auf Erdgasmotoren, deren kleinere Turbolader und niedrigeres Verdichtungsverhältnis die Verzögerungsleistung der Motorbremse um bis zu 25 % reduzieren können. Das HPD-Konzept gleicht diesen Verlust aus, so dass Flotten ihre Standardbeladungen weiterhin sicher transportieren können. EB/Fotos und Grafiken © Jacobs Vehicle Systems

Die Grafiken (unten) zeigen die Effektivität der verschiedenen Dekompressionsbremsen, wie im Beitrag beschrieben.

Grafik 1/2: Die Ventilbewegungen der 1,5-Takt-HPD-Motorbremse und darunter der Zweitakt-HPD-Motorbremse im Vergleich

Grafik 3 (unten): Die Bremsleistungen verschiedener Motorbremstechnologien von Jacobs im Vergleich