EP4330548A1 - Fahrzeug mit einer dauerbremseinrichtung und entsprechendes bremsverfahren - Google Patents

Fahrzeug mit einer dauerbremseinrichtung und entsprechendes bremsverfahren

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Publication number
EP4330548A1
EP4330548A1 EP22723993.6A EP22723993A EP4330548A1 EP 4330548 A1 EP4330548 A1 EP 4330548A1 EP 22723993 A EP22723993 A EP 22723993A EP 4330548 A1 EP4330548 A1 EP 4330548A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vehicle
air
piston engine
valve
braking
Prior art date
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Pending
Application number
EP22723993.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Schydlo
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 Truck and Bus SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Truck and Bus SE filed Critical MAN Truck and Bus SE
Publication of EP4330548A1 publication Critical patent/EP4330548A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T10/00—Control or regulation for continuous braking making use of fluid or powdered medium, e.g. for use when descending a long slope
    • B60T10/04—Control or regulation for continuous braking making use of fluid or powdered medium, e.g. for use when descending a long slope with hydrostatic brake
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T1/00—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles
    • B60T1/02—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
    • B60T1/08—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels using fluid or powdered medium
    • B60T1/093—Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels using fluid or powdered medium in hydrostatic, i.e. positive displacement, retarders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/04—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
    • F04B27/053—Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement with an actuating element at the inner ends of the cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/002—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for driven by internal combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/01—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being mechanical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D57/00—Liquid-resistance brakes; Brakes using the internal friction of fluids or fluid-like media, e.g. powders
    • F16D57/06—Liquid-resistance brakes; Brakes using the internal friction of fluids or fluid-like media, e.g. powders comprising a pump circulating fluid, braking being effected by throttling of the circulation

Definitions

  • the invention relates to a vehicle having a permanent braking device and a method for braking a vehicle with such a permanent braking device.
  • wheel brake devices e.g. in the form of drum or disc brakes
  • the wheel brake devices which are mostly actuated by compressed air, are generally classic friction brakes that are not designed for continuous operation.
  • a sustained braking process - such as occurs when driving downhill for a long time - would therefore lead to excessive heating if wheel brake devices were used exclusively, which would result in a reduction in the braking effect (fading) and, in extreme cases, failure of the brake devices.
  • endurance braking devices are also designed for prolonged braking without their braking performance declining significantly.
  • Engine brakes and/or retarders are usually used for this in today's commercial vehicles. Since the aforementioned continuous braking devices usually cannot bring the vehicle to a complete standstill, corresponding vehicles are usually equipped with both wheel and continuous braking devices.
  • An additional or alternative way of increasing the braking effect of the engine brake is to withdraw part of the energy stored in the compressed gas from the cylinder system by means of targeted decompression during the compression stroke. then in the subsequent expansion stroke cannot be converted back into the kinetic energy of the piston or crankshaft (decompression brake).
  • the pressure in the cylinder can be reduced or decompressed by outlet valves or valves (e.g. constant throttle) that are provided separately for this purpose in the cylinder head.
  • This type of engine brake is often referred to colloquially as "Jake Brake”.
  • retarders In addition to the engine brakes mentioned above as wear-free permanent brake devices, the use of retarders (braking machines) is also known in the prior art.
  • Retarders are installed in the vehicle's drive train (e.g. between the engine and transmission or between the transmission and drive axle) and are able to convert part of the vehicle's kinetic energy into heat.
  • hydrodynamic and electrodynamic retarders are used, such as those described in "Commercial Vehicle Technology - Fundamentals, Systems, Components", 7th edition, Vieweg 2013, p. 281 et seq.
  • the disadvantage of using retarders as a braking system is the high energy dissipation and transformation into waste heat, which has to be dissipated to the outside in the primary cooling system.
  • the object of the invention is to provide a continuous braking device for a vehicle, preferably a purely electrically powered vehicle, with which the disadvantages of the previous solutions are avoided.
  • a vehicle is provided.
  • the vehicle is a commercial vehicle, d. H. a vehicle which, due to its design and equipment, is specially designed for the transport of persons, for the transport of goods or for towing trailers.
  • the claimed vehicle has a continuous braking device.
  • a continuous braking device can be understood as meaning a device of the vehicle which is used for continuous, preferably wear-free, braking of the vehicle.
  • the continuous braking device comprises a non-fireable piston machine (eg a non-fireable reciprocating piston machine), which can be coupled in terms of drive to a drive train shaft of the vehicle.
  • the expression "not fireable” can indicate that the corresponding piston machine is not designed to be fired with a fuel (e.g. gasoline) or to convert chemical energy stored in a fuel into mechanical work for the purpose of driving the vehicle .
  • the piston machine is designed, during operation, to convey air from an air inlet of the piston machine to an air outlet of the piston machine and to compress it and preferably to cause the vehicle to decelerate by performing compression work.
  • the above-mentioned piston machine - which can also be referred to as a compressor or compressor - can be understood as a device working according to the principle of a known "engine brake” (decompression brake), with the difference that the piston machine is not one that is usually used here combustion engine is.
  • the piston engine should not be an internal combustion engine and/or should not be designed for propulsion of the vehicle.
  • the piston machine can be designed purely as a working machine and/or can be operated exclusively for the purpose of continuous braking.
  • the piston machine therefore preferably has no fuel supply and ignition device.
  • the vehicle can be an electric vehicle.
  • the term “electric vehicle” should be understood to mean a vehicle that is powered purely by means of electrical energy (e.g. from a battery and/or fuel cell) and does not have an internal combustion engine for propulsion. It is preferably an electric utility vehicle (e.g. an electric truck).
  • the continuous braking device can include a throttle device (eg in the form of a pivotable throttle valve).
  • a throttle device can be understood to mean a device which is designed to regulate, in particular to reduce, an (air) volume flow flowing through the throttle device.
  • the throttle device can be arranged downstream of the air outlet of the piston engine.
  • the throttle device can be designed to cause a braking dynamic pressure at the air outlet of the piston engine by reducing the air throughput.
  • the braking effect of the retarder device can be increased further in an advantageous manner as a result--similar to the mode of action of a known engine accumulation brake.
  • the throttle device can comprise an adjustable throttle flap arranged in an outlet line connected to the air outlet of the piston machine.
  • the throttle flap can be moved, preferably continuously, between a blocked position that shuts off the outlet line and an open position that releases the outlet line.
  • the throttle flap can be designed as a pivotable flap which can be continuously pivoted between a flow-parallel position and an approximately flow-perpendicular position.
  • its air inlet can be connected via a connection line to a compressed air reservoir and/or an outlet of an air compressor (e.g B. a mechanically, electrically or hydraulically driven air compressor).
  • the compressed air reservoir and/or the air compressor can preferably be part of an air spring system and/or a compressed air brake system for other wheel brake devices that are present in the vehicle.
  • the corresponding air compressor can be an air compressor for filling an air spring system and/or a compressed air brake system.
  • compressed air sources that are often already present in corresponding vehicles can be used to supply additional compressed air to the piston engine, thereby reducing the time it takes for the maximum dynamic pressure or the maximum brake pressure to build up.
  • the air inlet can have an inlet valve for controlling the air supply into the piston engine.
  • the intake valve can be actuated via a valve train, which is to be referred to below as the “first” valve train for better differentiation.
  • the air outlet can have an outlet valve for controlling the air ejection from the piston engine.
  • the outlet valve can be actuated via a “second” valve train.
  • the first valve train can be an electric, hydraulic and/or pneumatic valve train.
  • the second valve train can also be an electric, hydraulic and/or pneumatic valve train.
  • the piston engine used here is not an internal combustion engine used for propulsion - particularly advantageous since the aforementioned valve trains (e.g. in the form of electrical, hydraulic and / or pneumatic shear actuators) in the As a rule, a significantly larger or more variable adjustment range than me chanical valve drives (e.g. in the form of a camshaft) offer.
  • the first and/or second valve train can also be a mechanical valve train.
  • first valve train and the second valve train can be operated independently of one another.
  • first valve train can be designed in the form of a first electrohydraulic valve train and the second valve train can be designed in the form of a second electrohydraulic valve train, each of which digitally controllable.
  • the inlet and outlet valves can also be actuated separately by a common mechanism.
  • the first and second valve train can also be a common valve train (z. B. a camshaft).
  • the second valve train can be designed to hold the exhaust valve permanently in an intermediate open position.
  • the piston machine can additionally or alternatively also comprise a constant throttle valve which can be actuated via a third valve train.
  • the third valve train can be designed to hold the constant throttle valve permanently in an open position.
  • the constant throttle valve is preferably designed as a bypass to the outlet valve.
  • the piston machine cannot be used to fill a compressed air brake system and/or an air spring system of the vehicle.
  • the piston machine should not be a piston machine for filling an air brake system of the vehicle and not a piston machine for filling an air spring system of the vehicle.
  • the vehicle can—additionally or alternatively—comprise a corresponding air compressor for filling a compressed air brake system and/or an air spring system.
  • This can z. B. be predisposed when the piston brake is decoupled in traction mode of the vehicle.
  • no compressed air-actuated consumer e.g. a brake cylinder
  • no compressed air consumer circuit can be connected to the piston machine on the outlet side.
  • no compressed-air-actuated consumer for filling it with compressed air and/or no compressed-air consumer circuit for filling it with compressed air is connected to the piston machine on the outlet side.
  • the air compressed by the piston machine can be routed to the atmosphere without further use.
  • the braking function can be designed as an open circuit via the compression machine, in which the compressed air delivered by the piston machine is released to the environment largely “unused”.
  • the air compressed by the piston engine cannot be available as a medium, in particular not as a hot medium, for other processes.
  • the vehicle may include a clutch device (e.g., in the form of a friction clutch) for selectively drivingly coupling and decoupling the piston machine and the drive train shaft.
  • a clutch device e.g., in the form of a friction clutch
  • the vehicle can have a clutch device which is arranged in a torque-transmitting path between the piston machine and the drive train shaft and is designed to enable or interrupt the flow of torque in this same path.
  • the braking effect of the piston machine can be switched on or off as required.
  • the piston engine can be a single-cylinder piston engine or a multi-cylinder piston engine.
  • the expression “cylinder” should preferably be understood to mean a tubular working space delimitation of a reciprocating piston machine, within which a corresponding piston is guided.
  • the term “cylinder” can be any, i. H. not necessarily cylindrical, denote working space limitation.
  • a “piston machine” can be understood as a fluid energy machine that serves to increase the potential energy of a fluid (here air) by supplying mechanical energy using a displacer (piston). This is usually done in that the volume of a working chamber of the piston machine is changed intermittently by a displacer (piston) that is usually moved periodically.
  • the continuous braking device can additionally include at least one retarder.
  • the at least one retarder can preferably be a hydrodynamic retarder (also referred to as a flow brake) or an electrodynamic retarder (also referred to as an eddy current brake). Since the various non-wearing continuous braking systems are based on different principles of action and therefore have different braking performance depending on the vehicle speed, their combination can be used to achieve a beneficial addition to the respective braking effects.
  • the invention also relates to a method for braking, preferably permanent braking, of a vehicle.
  • vehicle preferably an electric commercial vehicle
  • the vehicle can be configured as described in this document. In other words, all aspects described in connection with the vehicle should also be correspondingly disclosed and claimable in connection with the method.
  • the corresponding vehicle should thus include a continuous braking device with a non-fireable piston engine, the piston engine being driven on a drive train shaft of the vehicle can be coupled and is designed, during operation, to convey air from an air inlet of the piston machine to an air outlet of the piston machine and to compress it and thereby cause the vehicle to be delayed by performing compression work.
  • the method includes the step of coupling the piston machine to a drive train shaft of the vehicle. This can e.g. B. by closing a corresponding, in the rotary torque-transmitting path between the piston engine and the drive train shaft arrange th, take place clutch device. Furthermore, the method includes the step of driving the piston machine by means of the drive train shaft. In other words, mechanical work can be supplied to the piston machine for its operation. Preferably, a vehicle-side drive of the drive train shaft is interrupted and/or a drive used to propel the vehicle (e.g. an internal combustion engine or an electric motor) is switched off. Furthermore, the method includes the step of performing compression work by means of the piston machine to generate a braking torque acting on the drive train shaft.
  • a vehicle-side drive of the drive train shaft is interrupted and/or a drive used to propel the vehicle (e.g. an internal combustion engine or an electric motor) is switched off.
  • the method includes the step of performing compression work by means of the piston machine to generate a braking torque acting on the drive train shaft.
  • the piston machine can be understood as a machine operated according to the well-known principle of an “engine brake” (decompression brake), with the difference that the piston machine is not the internal combustion engine that is usually used here. Since the expelled compressed air dissipates part of the dis sipationsenergy with the compression to the outside, we niger heat is entered into the vehicle in an advantageous manner, as is the case with conventional retarder braking device.
  • engine brake compression brake
  • the method can generate a braking dynamic pressure at the air outlet of the piston machine by reducing the air throughput to effect, also include the step: throttling the air flow rate by means of the throttle device to build up a braking dynamic pressure.
  • throttling can take place by closing the throttle flap or moving the throttle flap into the blocking position. Since the piston machine must also work against the back pressure when expelling the compressed air, the braking effect of the continuous braking device can be increased further - analogously to the operating principle of a known engine brake.
  • the vehicle additionally can optionally also include other features mentioned in this document in addition to the aforementioned throttle device.
  • the method in the event that the air inlet of the piston machine is connected via a connecting line to a compressed air reservoir and/or an outlet of an air compressor, can also include the step of supplying compressed air from the compressed air reservoir and/or from the outlet of the air compressor to the piston engine at the beginning of a braking process.
  • a faster build-up of (backup) pressure in the continuous braking device can be achieved in an advantageous manner, as a result of which delays at the beginning of the braking process can be effectively avoided.
  • the vehicle can optionally also include other features mentioned in this document in addition to the aforementioned features.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a continuous braking device of a vehicle according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a continuous braking device of a vehicle according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the braking force curve over time of the continuous braking device of the second embodiment with and without additional compressed air supply;
  • FIG. 4 a schematic comparison of the energy quantity flows during continuous braking by means of a retarder and engine brake in the form of Sankey diagrams;
  • FIG. 5 a flowchart of a method for braking a vehicle according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a continuous braking device 10 of a vehicle 20 (not shown) according to a first embodiment.
  • the continuous braking device 10 includes here a non-fireable piston machine 1, which in the present example is designed as a non-fireable reciprocating piston machine.
  • the piston machine 1 can also be designed in the form of another type of piston machine known in the prior art, the term “piston machine” generally being a fluid energy machine with a working chamber whose volume is changed intermittently by a displacer (piston) that is usually moved periodically will, can designate.
  • the Kol benmaschine 1 can be drivingly coupled to a drive train shaft 2 of the vehicle 20 .
  • the term "in terms of drive” is intended here to indicate in general that the coupling takes place for the purpose of driving the piston engine 1 . i.e. in other words, that the piston machine 1 should be able to be driven by a movement of the drive train shaft 2 by being coupled to the drive train shaft 2 (e.g. using known techniques such as gears, belts, clutches, shafts, etc.).
  • the piston engine 1 - only as an example - via a slider crank 8a, two shafts 8b and 8c connected via a clutch 7 and a gear 8d can be coupled to the drive train shaft 2, which is z. B. may be a wheel shaft of a rear wheel 9 act.
  • the piston machine 10 is also designed to, during operation, draw air from an air inlet 1a of the piston machine 10—which can be opened or closed by means of an inlet valve 1c—to an air outlet 1b of the piston machine 10—which can be opened or closed by means of an outlet valve 1d can - to promote and at the same time to condense. This can be done, for example, by a corresponding control of the intake valve 1c and the exhaust valve 1d—known in the prior art.
  • the piston machine 10 is preferably also designed to cause a delay in the vehicle 20 by performing compression work.
  • the term “air” is generally understood to mean a compressible, gaseous working medium, which is preferably ambient air, i. H. the gas mixture in the earth's atmosphere.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a continuous braking device 10 of a vehicle 20 (not shown) according to a second embodiment.
  • the continuous braking device 10 shown here comprises a throttle device 3 arranged downstream of the air outlet 1b of the piston machine 1.
  • the throttle device 3 is designed to bring about a braking dynamic pressure at the air outlet 1b of the piston machine 1 by reducing the air throughput.
  • the throttle device 3 can include a pivotable throttle valve 3b arranged in an outlet line 3a connected to the air outlet 1b of the piston machine 1, with the throttle valve 3b between a blocked position that shuts off the outlet line 3a and an open position that releases the outlet line 3a is movable.
  • the braking effect of the continuous braking device 10 can be increased further in an advantageous manner—similar to the mode of operation of a known engine accumulation brake.
  • the air inlet 1a of the piston machine 10 can also be connected via a connecting line 4 to a compressed air reservoir 5 and/or an outlet of an air compressor 6 (only indicated schematically) to the be connected to compressed air.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the braking force curve over time for the aforementioned continuous braking device 10 without (above) and with (below) an additional compressed air supply through the compressed air reservoir 5 or air compressor 6 Piston machine 1 takes place against the throttle device 3, the system requires the period of time marked as “I” until the maximum achievable operating (back) pressure and therefore the maximum braking force is available at the continuous braking device 10. Once the pressure has built up, a deceleration with the system-related maximum achievable braking force of the continuous braking device 10 can take place in the further braking operation (“period II”).
  • the above-mentioned pressure build-up phase I can be significantly shortened in an advantageous manner and as a result braking deceleration at the beginning of the braking process can be effectively avoided.
  • its air inlet 1a can be connected via a connecting line 4 e.g. B. with a compressed air reservoir 5 and / or an outlet of an air compressor 6 a related party.
  • the latter components are often already present in corresponding commercial vehicles for filling an air spring system and/or compressed air brake system and can thus be used advantageously without the installation of additional components for training the corresponding pressure build-up function.
  • FIG. 4 shows a schematic comparison of the energy flow during continuous braking using a retarder (above) and engine brake (below) in the form of Sankey diagrams.
  • the retarder shown above the dissipation energy Qoi ss occurring during braking - in addition to a small loss component Q Ver - is mainly converted into heat Q KM , which, in order to avoid overheating, is dissipated to the outside via the coolant of the vehicle's cooling system got to.
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method for braking a vehicle 20 according to an embodiment of the invention.
  • the vehicle 20 should be designed as described in this document, ie in particular have a continuous braking device 10 which includes a piston machine (eg a reciprocating piston machine).
  • the piston machine 1 should be able to be coupled in terms of drive to a drive train shaft of the vehicle and be designed, during operation, to convey air from an air inlet 1a of the piston machine 1 to an air outlet 1b of the piston machine 1 and to compress it and preferably delay it by performing compression work of the vehicle 20 to be effect.
  • the method includes coupling the piston engine 1 to a drive train shaft 2 of the vehicle 20.
  • step S2 the piston engine 1 is then driven by means of the drive train shaft 2.
  • the piston engine 1 can be supplied with energy in the form of mechanical work.
  • step S3 for performing compression work by means of the piston engine 1 to generate a braking torque acting on the drive train shaft 2 .
  • the aforementioned continuous braking device of the vehicle includes a throttle device.
  • the method can also include throttling the air throughput by means of the throttling device to build up a braking dynamic pressure.
  • the method can also supply compressed air from the compressed air reservoir and/or from the outlet of the air compressor to the piston machine Include beginning of a braking process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (20), vorzugsweise ein Elektro-Nutzfahrzeug, aufweisend eine Dauerbremseinrichtung (10). Die Dauerbremseinrichtung (10) umfasst eine nicht befeuerbare Kolbenmaschine (1), die antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle (2) des Fahrzeugs (20) koppelbar ist und ausgebildet ist, im Betrieb Luft von einem Lufteinlass (1a) der Kolbenmaschine (1) zu einem Luftauslass (1b) der Kolbenmaschine (1) zu fördern und dabei zu verdichten und hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzögerung des Fahrzeugs (20) zu bewirken. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs (20) mit einer ebensolchen Dauerbremseinrichtung (10).

Description

Fahrzeug mit einer Dauerbremseinrichtung und entsprechendes Bremsverfahren Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug aufweisend eine Dauerbremseinrichtung sowie ein Verfah ren zum Bremsen eines Fahrzeugs mit einer ebensolchen Dauerbremseinrichtung.
In der Regel weisen heutige Nutzfahrzeuge Radbremseinrichtungen (z. B. in Form von Trom mel- oder Scheibenbremsen) sowie zumindest eine Dauerbremseinrichtung auf. Bei den, meist durch Druckluft betätigten, Radbremseinrichtungen handelt es sich gemeinhin um klas sische Reibungsbremsen, die nicht für einen Dauerbetrieb ausgelegt sind. Ein andauernder Bremsvorgang - wie er z.B. bei längeren Bergabfahrten auftritt - würde daher bei der aus schließlichen Verwendung von Radbremseinrichtungen zu deren starken Erhitzung führen, was ein Nachlassen der Bremswirkung (Fading) und im Extremfall ein Versagen der Brems einrichtungen zur Folge hätte.
Demgegenüber sind Dauerbremseinrichtungen auch für ein länger andauerndes Bremsen ausgelegt, ohne dass ihre Bremsleistung nennenswert nachlässt. Üblicherweise werden bei heutigen Nutzfahrzeugen hierfür Motorbremsen und/oder Retarder verwendet. Da die vorge nannten Dauerbremseinrichtungen das Fahrzeug zumeist nicht vollständig zum Stillstand brin gen können, werden entsprechende Fahrzeuge in der Regel sowohl mit Rad- als auch mit Dauerbremseinrichtungen ausgestattet.
Im Fall der vorgenannten Motorbremsen als Dauerbremseinrichtung entsteht die Bremswir kung durch ein Schleppen des unbefeuerten Motors bei geschlossener Kupplung und einge legtem Gang. Um die Bremsleistung dabei weiter zu erhöhen, ist bekannt, die Abgasströmung während des Ausschubtaktes durch eine in der Abgasleitung eingebaute Auspuffklappe zu drosseln (Motorstaubremse). Diese Auspuff- oder Drosselklappe wird vom Fahrer bei Bedarf per Druckluft geschlossen, sodass das aus dem Motorraum ausgestoßene Gas aufgestaut wird und dadurch ein Gegendruck aufgebaut wird. Gegen diesen Staudruck müssen die Kol ben beim Ausschieben der Zylinderladung sodann zusätzliche Arbeit verrichten und werden dadurch abgebremst, und damit wird das Fahrzeug insgesamt verzögert.
Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, die Bremswirkung der Motorbremse zu erhöhen, besteht darin, dem Zylindersystem durch gezielte Dekompression während des Verdichtungs taktes einen Teil der im komprimierten Gas gespeicherten Energie zu entziehen, welche so- dann im nachfolgenden Expansionstakt nicht wieder zurück in die Bewegungsenergie des Kol bens bzw. Kurbelwelle umgewandelt werden kann (Dekompressionsbremse). Das Abbauen bzw. Dekomprimieren des Drucks im Zylinder kann dabei durch Auslassventile oder separat für diesen Zweck im Zylinderkopf vorhandene Ventile (z. B. Konstantdrossel) erfolgen. Diese Art der Motorbremse wird umgangssprachlich häufig als „Jake Brake“ bezeichnet.
Nachteilig an den vorgenannten Motorbremsen ist allerdings, dass diese Art der Dauerbrem sen im Fall von rein elektrisch angetriebenen (Nutz-)Fahrzeugen, d. h. Fahrzeugen ohne übli chen Verbrennungsmotor, gerade nicht zur Verfügung steht, da die entsprechenden Struktu ren (Zylinder, Ventile, Kolben, ...) fehlen.
Neben den vorstehend erwähnten Motorbremsen als verschleißlose Dauerbremseinrichtun gen ist im Stand der Technik ferner auch der Einsatz von Retardern (Bremsmaschinen) be kannt. Retarder werden in den Antriebsstrang des Fahrzeugs (z. B. zwischen Motor und Ge triebe oder zwischen Getriebe und Antriebsachse) eingebaut und vermögen einen Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeugs in Wärme umzuwandeln. Üblicherweise werden dabei hyd rodynamische und elektrodynamische Retarder verwendet, wie diese beispielsweise in „Nutz fahrzeugtechnik - Grundlagen, Systeme, Komponenten“, 7. Auflage, Vieweg 2013, S. 281 ff. beschrieben sind. Nachteilig an dem Einsatz von Retardern als Bremssystem ist allerdings die hohe Energiedissipation und -transformation in Abwärme, die im primären Kühlsystem nach außen abgeführt werden muss. Gerade für rein elektrisch angetriebene (Nutz-)Fahrzeuge, für die - wie oben ausgeführt - im Allgemeinen zusätzlich keine klassische Motorbremse zur Ver fügung steht, müssen daher die Kühlflächen zur Wärmeabführung an die Umgebung entspre chend groß dimensioniert werden (hoher Platzbedarf). Andernfalls würde die maximale Brems leistung des Retarders durch die vorhandene Kühlerfläche des Radiators begrenzt werden.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Dauerbremseinrichtung für ein, vorzugsweise rein elektrisch angetriebenes, Fahrzeug bereitzustellen, mit welchen die Nachteile der bishe rigen Lösungen vermieden werden. Insbesondere ist es hierbei eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels derer ein effektives andauerndes Bremsen des Fahrzeugs mit möglichst geringen thermischen Belastungen für dessen Kühlsystem ermöglicht wird.
Diese Aufgaben können mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Vor teilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängi gen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Der Grundgedanke der Erfindung ist dabei, ein Fahrzeug mit zumindest einer Kolbenbremse auszustatten, die nach dem bei Verbrennungsmotoren bekannten Prinzip einer „Motorbremse“ arbeitet, ohne jedoch für eine Befeuerung bzw. zum Antrieb des Fahrzeugs ausgelegt zu sein. Zwar erfordert diese Lösung dabei den Einbau einer zusätzlichen Kolbenmaschine, jedoch kann dadurch eine Dauerbremseinrichtung bereitgestellt werden, die im Vergleich zu Retar derlösungen insgesamt zu geringeren thermischen Belastungen für das Fahrzeug führt. Dies liegt daran, dass im Fall von „Motor-“ bzw. Kolbenbremsen das Arbeitsmedium, d. h. das kom primierte Zylindergas, einen Teil der Dissipationsenergie unmittelbar an die Umgebung abführt (offener Kreisprozess), während bei einem klassischen Retarder der Großteil des Abwär mestroms zunächst an ein Kühlmittel und dann an die Umgebung übertragen werden muss.
Gemäß einem ersten unabhängigen Lösungsgedanken wird ein Fahrzeug bereitgestellt. Vor zugsweise handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Nutzfahrzeug, d. h. ein Fahrzeug, das durch seine Bauart und Einrichtung speziell zur Beförderung von Personen, zum Transport von Gütern oder zum Ziehen von Anhängerfahrzeugen ausgelegt ist. Weiterhin weist das be anspruchte Fahrzeug eine Dauerbremseinrichtung auf. Als Dauerbremseinrichtung kann dabei eine Einrichtung des Fahrzeugs verstanden werden, welche einem andauernden, bevorzugt verschleißfreien, Bremsen des Fahrzeugs dient. Die Dauerbremseinrichtung umfasst dazu eine nicht befeuerbare Kolbenmaschine (z. B. eine nicht befeuerbare Hubkolbenmaschine), die antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle des Fahrzeugs koppelbar ist. Der Ausdruck „nicht befeuerbar“ kann hierbei angeben, dass die entsprechende Kolbenmaschine nicht für eine Befeuerung mit einem Brennstoff (z. B. Benzin) bzw. für eine Umwandlung von in einem Brennstoff gespeicherter chemischer Energie in mechanische Arbeit zum Zwecke des Fahr zeugantriebs ausgebildet ist.
Weiterhin ist die Kolbenmaschine ausgebildet, im Betrieb Luft von einem Lufteinlass der Kol benmaschine zu einem Luftauslass der Kolbenmaschine zu fördern und dabei zu verdichten und vorzugsweise hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzögerung des Fahrzeugs zu bewirken. Mit anderen Worten kann die vorgenannte Kolbenmaschine - welche auch als Verdichter oder Kompressor bezeichnet werden kann - als eine nach dem Prinzip einer bekannten „Motorbremse“ (Dekompressionsbremse) arbeitenden Vorrichtung verstan den werden, mit dem Unterschied, dass die Kolbenmaschine gerade kein hierbei üblicher weise verwendeter Verbrennungsmotor ist. Da die ausgestoßene komprimierte Luft ferner ei nen Teil der Dissipationsenergie bei der Verdichtung mit nach außen abführt (offener Kreis prozess), wird auf vorteilhafte Weise weniger Wärme in das Fahrzeug eingetragen, als dies mit einer üblichen Retarder-Bremseinrichtung der Fall ist, was nachfolgend im Zusammenhang mit Figur 5 noch eingehender beschrieben werden wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung soll die Kolbenmaschine keine Brennkraftmaschine sein und/oder nicht für einen Vortrieb des Fahrzeugs ausgelegt sein. Anders ausgedrückt kann die Kolbenmaschine als reine Arbeitsmaschine ausgebildet sein und/oder ausschließlich zum Zwecke der Dauerbremsung betreibbar sein. Bevorzugt verfügt die Kolbenmaschine somit über keine Brennstoffzufuhr und Zündeinrichtung.
Zudem oder alternativ kann das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug sein. Unter dem Begriff „Elekt rofahrzeug“ soll dabei ein rein mittels elektrischer Energie (z. B. aus einer Batterie und/oder Brennstoffzelle) angetriebenes Fahrzeug verstanden werden, das über keine Brennkraftma schine zum Vortrieb verfügt. Vorzugsweise handelt es sich um ein Elektro-Nutzfahrzeug (z. B. einen Elektrolastkraftwagen).
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Dauerbremseinrichtung eine Drosselein richtung (z. B. in Form einer schwenkbaren Drosselklappe) umfassen. Als Drosseleinrichtung kann dabei eine Vorrichtung verstanden werden, die zur Regulierung, insbesondere zur Re duzierung, eines durch die Drosseleinrichtung fließenden (Luft-)Volumenstroms ausgebildet ist. Die Drosseleinrichtung kann dabei stromab des Luftauslasses der Kolbenmaschine ange ordnet sein. Ferner kann die Drosseleinrichtung ausgebildet sein, durch eine Reduktion des Luftdurchsatzes einen bremsenden Staudruck am Luftauslass der Kolbenmaschine zu bewir ken. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch - analog zur Wirkweise einer bekannten Motorstau bremse - die Bremswirkung der Dauerbremseinrichtung weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Drosseleinrichtung eine, in einer mit dem Luftauslass der Kolbenmaschine verbundenen Auslassleitung angeordnete, verstellbare Drosselklappe umfassen. Bevorzugt ist die Drosselklappe hierbei zwischen einer, die Auslass leitung absperrenden, Blockierstellung und einer, die Auslassleitung freigebenden, Offenstel lung, vorzugsweise kontinuierlich, bewegbar. Lediglich beispielhaft kann die Drosselklappe als schwenkbare Klappe ausgebildet sein, die stufenlos zwischen einer strömungsparallelen und einer annähernd strömungssenkrechten Stellung schwenkbar ist. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch auf bereits als Abgasklappen bei Motorbremsen bewährte Bauteile zurückgegriffen werden. Um auf vorteilhafte Weise einen möglichst schnellen Druckaufbau zu erreichen und dadurch Verzögerungen beim Bremsvorgang zu vermeiden, kann nach einem weiteren Aspekt der Er findung zur Zuführung von Druckluft zur Kolbenmaschine deren Lufteinlass über eine Verbin dungsleitung mit einem Druckluftvorratsbehälter und/oder einem Auslass eines Luftverdichters (z. B. eines mechanisch, elektrisch oder hydraulisch angetriebenen Luftpressers) verbunden sein. Der Druckluftvorratsbehälter und/oder der Luftverdichter können dabei vorzugsweise Teil einer Luftfederanlage und/oder einer Druckluftbremsanlage für weitere im Fahrzeug vorhan dene Radbremseinrichtungen sein. Anders ausgedrückt kann der entsprechende Luftverdich ter ein Luftverdichter zum Befüllen einer Luftfederanlage und/oder Druckluftbremsanlage sein. Auf vorteilhafte Weise können so, in entsprechenden Fahrzeugen oftmals bereits vorhandene, Druckluftquellen zur Zuführung zusätzlicher Druckluft zur Kolbenmaschine verwendet werden, um dadurch die Zeit bis zum Aufbau des maximalen Staudrucks bzw. des maximalen Brems drucks zu verkürzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Lufteinlass ein Einlassventil zur Steu erung der Luftzufuhr in die Kolbenmaschine aufweisen. Das Einlassventil kann dabei über einen Ventiltrieb betätigbar sein, der zur besseren Unterscheidung im Folgenden als „erster“ Ventiltrieb bezeichnet werden soll. Weiterhin kann der Luftauslass ein Auslassventil zu Steu erung des Luftausstoßes aus der Kolbenmaschine aufweisen. Das Auslassventil kann dabei über einen „zweiten“ Ventiltrieb betätigbar sein.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der erste Ventiltrieb ein elektrischer, hydrau lischer und/oder pneumatischer Ventiltrieb sein. Zudem oder alternativ kann auch der zweite Ventiltrieb ein elektrischer, hydraulischer und/oder pneumatischer Ventiltrieb sein. Dies ist - insbesondere vor dem Hintergrund, dass es sich bei der hier verwendeten Kolbenmaschine um keinen zum Vortrieb verwendeten Verbrennungsmotor handelt - besonders vorteilhaft, da die vorgenannten Ventiltriebe (z. B. in Form elektrischer, hydraulischer und/oder pneumati scher Aktoren) in der Regel einen deutlich größeren bzw. variableren Einstellbereich als me chanische Ventiltriebe (z. B. in Form einer Nockenwelle) bieten. Prinzipiell kann der erste und/oder zweite Ventiltrieb jedoch auch ein mechanischer Ventiltrieb sein.
Weiterhin können - zudem oder alternativ - der erste Ventiltrieb und der zweite Ventiltrieb unabhängig voneinander betreibbar sein. Beispielsweise kann der erste Ventiltrieb in Form eines ersten elektrohydraulischen Ventiltriebs ausgebildet sein und der zweite Ventiltrieb in Form eines zweiten elektrohydraulischen Ventiltriebs ausgebildet sein, die jeweils eigenstän- dig steuerbar sind. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise ein flexibles Steuern der entspre chenden Ventile. Alternativ können das Einlass- und Auslassventil jedoch auch separat von einem gemeinsamen Mechanismus betätigt werden. Mit anderen Worten können der erste und zweite Ventiltrieb auch ein gemeinsamer Ventiltrieb (z. B. eine Nockenwelle) sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der zweite Ventiltrieb ausgebildet sein, das Auslassventil dauerhaft in einer zwischengeöffneten Stellung zuhalten. Dies kann insbeson dere dann einfach realisiert werden, falls der erste und zweite Ventiltrieb unabhängig vonei nander betreibbar sind (z. B. falls diese in Form separater elektrohydraulischer Ventiltriebe ausgebildet sind). Um eine entsprechende andauernde Drosselung zu bewirken, kann die Kol benmaschine zudem oder alternativ auch ein Konstant-Drosselventil umfassen, das über ei nen dritten Ventiltrieb betätigbar ist. Hierbei kann der dritte Ventiltrieb ausgebildet sein, das Konstant-Drosselventil dauerhaft in einer geöffneten Stellung zuhalten. Vorzugsweise ist das Konstant-Drosselventil dabei als Bypass zum Auslassventil ausgebildet.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Kolbenmaschine nicht zum Befüllen einer Druckluftbremsanlage und/oder einer Luftfederanlage des Fahrzeugs dienen. Mit anderen Worten soll die Kolbenmaschine keine Kolbenmaschine zum Befüllen einer Druckluftbrems anlage des Fahrzeugs und keine Kolbenmaschine zum Befüllen einer Luftfederanlage des Fahrzeugs sein. Hierfür kann das Fahrzeug - zudem oder alternativ - einen entsprechenden Luftpresser zum Befüllen einer Druckluftbremsanlage und/oder einer Luftfederanlage umfas sen. Dieser kann dabei z. B. prädisponiert werden, wenn die Kolbenbremse im Zugbetrieb des Fahrzeugs entkoppelt wird. Zudem oder alternativ kann an der Kolbenmaschine auslassseitig kein druckluftbetätigter Verbraucher (z. B. ein Bremszylinder) und/oder kein Druckluft-Verbrau cherkreis angeschlossen sein. Vorzugsweise ist an der Kolbenmaschine auslassseitig kein druckluftbetätigter Verbraucher zu dessen Befüllung mit Druckluft und/oder kein Druckluft- Ver braucherkreis zu dessen Befüllung mit Druckluft angeschlossen. Zudem oder alternativ kann die von der Kolbenmaschine verdichtete Luft ohne weitere Nutzung an die Atmosphäre geführt werden. Mit anderen Worten kann die Bremsfunktion über die Kompressionsmaschine als ein offener Kreislauf konzipiert sein, bei dem die von der Kolbenmaschine geförderte Druckluft weitestgehend „ungenutzt“ an die Umgebung abgegeben wird. Zudem oder alternativ kann die von der Kolbenmaschine verdichtete Luft nicht als Medium, insbesondere nicht als Heißme dium, für andere Prozesse zur Verfügung stehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Fahrzeug eine Kupplungseinrichtung (z. B. in Form einer Reibkupplung) umfassen, die zum wahlweisen antriebsmäßigen Koppeln und Entkoppeln der Kolbenmaschine und der Antriebsstrangwelle ausgebildet ist. Mit andern Worten kann das Fahrzeug eine Kupplungseinrichtung aufweisen, die in einem drehmomen tübertragenden Pfad zwischen Kolbenmaschine und Antriebsstrangwelle angeordnet ist und ausgebildet ist, den Drehmomentfluss in ebendiesen Pfad zu ermöglichen oder zu unterbre chen. Auf vorteilhafte Weise kann so die Bremswirkung der Kolbenmaschine bedarfsgerecht zu- bzw. abgeschaltet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Kolbenmaschine eine Einzylinder-Kol- benmaschine oder eine Mehrzylinder-Kolbenmaschine sein. Bevorzugt soll unter dem Aus druck „Zylinder“ hierbei eine rohrförmige Arbeitsraumbegrenzung einer Hubkolbenmaschine verstanden werden, innerhalb dessen ein entsprechender Kolben geführt wird. Im Allgemeinen kann der Ausdruck „Zylinder“ jedoch eine beliebige, d. h. nicht zwingend zylinderförmige, Ar beitsraumbegrenzung bezeichnen. Weiterhin kann im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung eine „Kolbenmaschine“ als eine Fluidenergiemaschine verstanden werden, die dazu dient, potentielle Energie eines Fluids (hier Luft) durch Zufuhr mechanischer Energie mithilfe eines Verdrängers (Kolben) zu erhöhen. Dies erfolgt in der Regel dadurch, dass das Volumen eines Arbeitsraums der Kolbenmaschine durch einen meist periodisch bewegten Verdränger (Kolben) intermittierend verändert wird.
Um auf vorteilhafte Weise in allen Fahrsituationen eine möglichst hohe Bremswirkung zu er zielen, kann die Dauerbremseinrichtung zusätzlich zumindest einen Retarder umfassen. Be vorzugt kann der zumindest eine Retarder dabei ein hydrodynamischer Retarder (auch als Strömungsbremse bezeichnet) oder ein elektrodynamischer Retarder (auch als Wirbelstrom bremse bezeichnet) sein. Da die verschiedenen verschleißlosen Dauerbremssysteme auf un terschiedlichen Wirkprinzipien basieren und damit eine unterschiedliche von der Fahrzeugge schwindigkeit abhängige Bremsleistung aufweisen, kann durch deren Kombination eine vor teilhafte Ergänzung der jeweiligen Bremswirkungen erreicht werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bremsen, vorzugsweise Dauerbremsen, ei nes Fahrzeugs. Das Fahrzeug, vorzugsweise ein Elektro-Nutzfahrzeug, kann dabei wie in die sem Dokument beschrieben ausgebildet sein. Mit anderen Worten sollen alle im Zusammen hang mit dem Fahrzeug beschriebenen Aspekte auch im Zusammenhang mit dem Verfahren entsprechend offenbart und beanspruchbar sein.
Insbesondere soll das entsprechende Fahrzeug somit eine Dauerbremseinrichtung mit einer nicht befeuerbaren Kolbenmaschine umfassen, wobei die Kolbenmaschine antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle des Fahrzeugs koppelbar ist und ausgebildet ist, im Betrieb Luft von einem Lufteinlass der Kolbenmaschine zu einem Luftauslass der Kolbenmaschine zu fördern und dabei zu verdichten und hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzöge rung des Fahrzeugs zu bewirken.
Das Verfahren umfasst dabei den Schritt des Koppelns der Kolbenmaschine an eine Antriebs strangwelle des Fahrzeugs. Dies kann z. B. durch Schließen einer entsprechenden, im dreh momentübertragenden Pfad zwischen Kolbenmaschine und Antriebsstrangwelle angeordne ten, Kupplungseinrichtung erfolgen. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt des Antrei bens der Kolbenmaschine mittels der Antriebsstrangwelle. Mit anderen Worten kann der Kol benmaschine mechanische Arbeit für deren Betrieb zugeführt werden. Vorzugsweise ist dabei ein fahrzeugseitiger Antrieb der Antriebsstrangwelle unterbrochen, und/oder ein zum Vortrieb des Fahrzeugs verwendeter Antrieb (z. B. einen Verbrennungs- oder Elektromotor) ist abge schaltet. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt des Verrichtens von Verdichtungsarbeit mittels der Kolbenmaschine zur Erzeugung eines auf die Antriebsstrangwelle wirkenden Bremsmoments. Mit anderen Worten kann die Kolbenmaschine als eine nach dem bekannten Prinzip einer „Motorbremse“ (Dekompressionsbremse) betriebene Maschine verstanden wer den, mit dem Unterschied, dass die Kolbenmaschine gerade kein hierbei üblicherweise ver wendeter Verbrennungsmotor ist. Da die ausgestoßene komprimierte Luft einen Teil der Dis sipationsenergie bei der Verdichtung mit nach außen abführt, wird auf vorteilhafte Weise we niger Wärme in das Fahrzeug eingetragen, als dies mit üblichen Retarder-Bremseinrichtung der Fall ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Verfahren für den Fall, dass das die vorge nannte Dauerbremseinrichtung des Fahrzeugs eine Drosseleinrichtung umfasst, die stromab des Luftauslasses der Kolbenmaschine angeordnet ist und ausgebildet ist, durch eine Reduk tion des Luftdurchsatzes einen bremsenden Staudruck am Luftauslass der Kolbenma schine zu bewirken, zudem den Schritt umfassen: Drosseln des Luftdurchsatzes mittels der Drosseleinrichtung zum Aufbau eines bremsenden Staudrucks. Beispielsweise kann das Dros seln im Fall, dass die Drosseleinrichtung eine Drosselklappe aufweist, durch Schließen der Drosselklappe bzw. Bewegen der Drosselklappe in die Blockierstellung erfolgen. Da die Kol benmaschine beim Ausschieben der verdichteten Luft zusätzlich gegen den Stau- bzw. Ge gendruck arbeiten muss, kann dadurch auf vorteilhafte Weise - analog zum Wirkprinzip einer bekannten Motorstaubremse - die Bremswirkung der Dauerbremseinrichtung weiter erhöht werden. Abschließend sei hinsichtlich dieses Aspektes erwähnt, dass das Fahrzeug zusätzlich zur vorgenannten Drosseleinrichtung optional auch weitere in diesem Dokument genannte Merkmale umfassen kann.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Verfahren für den Fall, dass der Luftein lass der Kolbenmaschine über eine Verbindungsleitung mit einem Druckluftvorratsbehälter und/oder einem Auslass eines Luftverdichters verbunden ist, zudem den Schritt umfassen: Zuführen von Druckluft vom Druckluftvorratsbehälter und/oder vom Auslass des Luftverdich ters zur Kolbenmaschine zu Beginn eines Bremsvorgangs. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch ein schneller (Stau-)Druckaufbau in der Dauerbremseinrichtung erreicht werden, wodurch Verzögerungen zu Beginn des Bremsvorgangs effektiv vermieden werden können. Auch hier sei vorsorglich erwähnt, dass das Fahrzeug neben den vorgenannten Merkmalen optional auch weitere in diesem Dokument genannte Merkmale umfassen kann.
Die zuvor beschriebenen Aspekte und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kom binierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug nahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer Dauerbremseinrichtung eines Fahrzeugs ge mäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Dauerbremseinrichtung eines Fahrzeugs ge mäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3: eine schematische Darstellung des zeitlichen Bremskraftverlaufs der Dauerbrems einrichtung der zweiten Ausführungsform ohne und mit zusätzlicher Druckluftver sorgung;
Figur 4: eine schematische Gegenüberstellung der Energiemengenflüsse beim Dauer bremsen mittels Retarder und Motorbremse in Form von Sankey-Diagrammen; und
Figur 5: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bremsen eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei chen beschrieben und zum Teil nicht gesondert beschrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Dauerbremseinrichtung 10 eines Fahrzeugs 20 (nicht dargestellt) gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Dauerbremseinrichtung 10 umfasst hierbei eine nicht befeuerbare Kolbenmaschine 1 , welche vorliegend lediglich bei spielhaft als nicht befeuerbare Hubkolbenmaschine ausgebildet ist. Im Allgemeinen kann die Kolbenmaschine 1 jedoch auch in Form einer anderen im Stand der Technik bekannten Kol benmaschinenart ausgebildet sein, wobei der Ausdruck „Kolbenmaschine“ im Allgemeinen eine Fluidenergiemaschine mit einem Arbeitsraum, dessen Volumen durch einen meist perio disch bewegten Verdränger (Kolben) intermittierend verändert wird, bezeichnen kann. Die Kol benmaschine 1 ist antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle 2 des Fahrzeugs 20 koppelbar. Der Ausdruck „antriebsmäßig“ soll hierbei allgemein angeben, dass das Ankoppeln zum Zwe cke des Antriebs der Kolbenmaschine 1 erfolgt. D. h. mit anderen Worten, dass die Kolben maschine 1 durch das Ankoppeln an die Antriebsstrangwelle 2 (z. B. mittels bekannter Tech niken wie Getriebe, Riemen, Kupplungen, Wellen etc.) von einer Bewegung der Antriebs strangwelle 2 antreibbar sein soll. Im vorliegenden Fall ist die Kolbenmaschine 1 - lediglich beispielhaft - über eine Schubkurbel 8a, zwei über eine Kupplung 7 verbundene Wellen 8b und 8c und ein Getriebe 8d an die Antriebsstrangwelle 2 koppelbar, bei der es sich z. B. um eine Radwelle eines Hinterrads 9 handeln kann.
Die Kolbenmaschine 10 ist ferner dazu ausgebildet, im Betrieb Luft von einem Lufteinlass 1a der Kolbenmaschine 10 - welcher mittels eines Einlassventils 1c geöffnet bzw. geschlossen werden kann - zu einem Luftauslass 1b der Kolbenmaschine 10 - welcher mittels eines Aus lassventils 1d geöffnet bzw. geschlossen werden kann - zu fördern und dabei zu verdichten. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende - im Stand der Technik bekannte - An steuerung des Einlassventils 1c und Auslassventils 1d erfolgen. Bevorzugt ist die Kolbenma schine 10 ferner ausgebildet, hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzöge rung des Fahrzeugs 20 zu bewirken. Unter dem Ausdruck „Luft“ soll hierbei im Allgemeinen ein verdichtbares, gasförmiges Arbeitsmedium verstanden werden, wobei es sich vorzugs weise um Umgebungsluft, d. h. das Gasgemisch der Erdatmosphäre, handeln soll. Durch ein Koppeln der Kolbenmaschine 10 an die Antriebsstrangwelle 2 kann dem Fahrzeug 20 zumin dest ein Teil seiner kinetischen Energie dadurch entzogen werden, dass die Kolbenmaschine 10 - analog zum Wirkprinzip einer Motorbremse - Verdichtungsarbeit leistet.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Dauerbremseinrichtung 10 eines Fahr zeugs 20 (nicht dargestellt) gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die hier dargestellte Dauerbremseinrichtung 10 eine stromab des Luftauslasses 1b der Kolbenmaschine 1 angeordnete Drosseleinrichtung 3. Die Drosseleinrichtung 3 ist dabei ausgebildet, durch eine Reduktion des Luftdurchsatzes ei nen bremsenden Staudruck am Luftauslass 1b der Kolbenmaschine 1 zu bewirken. Lediglich beispielhaft kann die Drosseleinrichtung 3 dazu eine, in einer mit dem Luftauslass 1b der Kol benmaschine 1 verbundenen Auslassleitung 3a angeordnete, schwenkbare Drosselklappe 3b umfassen, wobei die Drosselklappe 3b zwischen einer, die Auslassleitung 3a absperrenden, Blockierstellung und einer die Auslassleitung 3a freigebenden, Offenstellung bewegbar ist. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch - analog zur Wirkweise einer bekannten Motorstaubremse - die Bremswirkung der Dauerbremseinrichtung 10 weiter erhöht werden.
Um insbesondere bei Beginn eines Bremsvorgangs einen schnellen Druckaufbau zu erreichen und dadurch Verzögerungen beim Bremsvorgang zu vermeiden, kann der Lufteinlass 1a der Kolbenmaschine 10 ferner über eine Verbindungsleitung 4 mit einem Druckluftvorratsbehälter 5 und/oder einem Auslass eines Luftverdichters 6 (lediglich schematisch angedeutet) zur Zu führung von Druckluft verbunden sein. Der Druckluftvorratsbehälter 5 und/oder der Luftver dichter 6 können dabei z. B. Teil einer bei Nutzfahrzeugen zumeist bereits vorhandenen Luft federanlage und/oder Druckluftbremsanlage sein. Wie nachfolgend unter Bezugnahme auf Fi gur 3 eingehender beschrieben werden wird, ermöglicht diese Verschaltung auf vorteilhafte Weise einen zusätzlichen Druckaufbau durch ein Zuführen von Druckluft zur Kolbenma schine 10.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des zeitlichen Bremskraftverlaufs der vorgenann ten Dauerbremseinrichtung 10 ohne (oben) und mit (unten) zusätzlicher Druckluftversorgung durch den Druckluftvorratsbehälter 5 bzw. Luftverdichter 6. Im oben dargestellten Fall, dass der Gegendruckaufbau allein durch das Ausschieben von Luft durch die Kolbenmaschine 1 gegen die Drosseleinrichtung 3 erfolgt, benötigt das System die als „I“ markierte Zeitspanne, bis an der Dauerbremseinrichtung 10 der maximal erreichbare Betriebs(gegen)druck und da mit die maximale Bremskraft zur Verfügung steht. Ist der Druckaufbau erfolgt, so kann im wei teren Bremsbetrieb („Zeitspanne II“) eine Verzögerung mit der systembedingt maximal erreich baren Bremskraft der Dauerbremseinrichtung 10 erfolgen.
Im unten dargestellten Fall, dass der Gegendruckaufbau neben dem Ausschieben durch die Kolbenmaschine 1 auch durch ein Zuführen von „zusätzlicher“ Druckluft zur Dauerbremsein richtung 10 bzw. zur Kolbenmaschine 1 erfolgt, kann die vorstehend erwähnte Druckaufbau phase I auf vorteilhafte Weise deutlich verkürzt werden und dadurch eine Bremsverzögerung zu Beginn des Bremsvorgangs effektiv vermieden werden. Für ein entsprechendes Zuführen von Druckluft zur Kolbenmaschine 1 kann deren Lufteinlass 1 a über eine Verbindungsleitung 4 z. B. mit einem Druckluftvorratsbehälter 5 und/oder einem Auslass eines Luftverdichters 6 ver bunden sein. Letztgenannte Komponenten sind dabei in entsprechenden Nutzfahrzeugen oft mals bereits zum Befüllen einer Luftfederanlage und/oder Druckluftbremsanlage vorhanden und können so auf vorteilhafte Weise ohne den Einbau zusätzlicher Komponenten zur Ausbil dung der entsprechenden Druckaufbaufunktion verwendet werden.
Figur 4 zeigt eine schematische Gegenüberstellung der Energiemengenflüsse beim Dauer bremsen mittels Retarder (oben) und Motorbremse (unten) in Form von Sankey-Diagrammen. Im oben dargestellten Fall des Retarders wird die beim Bremsen auftretende Dissipations energie Qoiss - neben einem geringen Verlustanteil QVer- vorwiegend in Wärme QKM umge wandelt, welche, um eine Überhitzung zu vermeiden, über das Kühlmittel des Kühlsystems des Fahrzeugs nach außen abgeführt werden muss. Demgegenüber erfolgt im unten darge stellten Fall der bekannten Motorbremse ein deutlich geringerer Wärmeeintrag ins Kühlsystem (QKM)> während der Großteil der Dissipationsenergie QDiss in Form einer erhöhten Gasenthal pie HL der (komprimierten) ausgestoßenen Druckluft direkt nach außen abgeführt wird. Ent sprechend können insgesamt auf vorteilhafte Weise die thermische Belastung für das Fahr zeug durch die Verwendung einer auf dem Prinzip der „Motorbremse“ arbeitenden Dauerbrem seinrichtung im Vergleich zu bekannten Retarderlösungen reduziert werden.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bremsen eines Fahrzeugs 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 20 soll dabei wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet sein, d. h. insbesondere eine Dauerbremseinrichtung 10 aufweisen, die eine Kolbenmaschine (z. B. eine Hubkolbenmaschine) umfasst. Weiterhin soll die Kolben maschine 1 antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle des Fahrzeugs koppelbar sein und ausgebildet sein, im Betrieb Luft von einem Lufteinlass 1a der Kolbenmaschine 1 zu einem Luftauslass 1b der Kolbenmaschine 1 zu fördern und dabei zu verdichten und vorzugsweise hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzögerung des Fahrzeugs 20 zu be wirken. Das Verfahren umfasst dabei im Schritt S1 ein Koppeln der Kolbenmaschine 1 an eine Antriebsstrangwelle 2 des Fahrzeugs 20. Dies kann beispielsweise unter Verwendung be kannter Kupplungs- und/oder Verbindungstechniken (darunter z. B. Scheibenkupplungen, Ge lenkwellen, Kegelradgetriebe etc.) erfolgen. Im Schritt S2 erfolgt dann ein Antreiben der Kol benmaschine 1 mittels der Antriebsstrangwelle 2. Mit anderen Worten kann der Kolbenma schine 1 Energie in Form mechanischer Arbeit zugeführt werden. Diese wird im Schritt S3 zum Verrichten von Verdichtungsarbeit mittels der Kolbenmaschine 1 zur Erzeugung eines auf die Antriebsstrangwelle 2 wirkenden Bremsmoments verwendet. Zu Erhöhung der Bremswirkung ist es weiterhin vorteilhaft, falls die vorgenannte Dauerbremseinrichtung des Fahrzeugs eine Drosseleinrichtung umfasst. In diesem Fall kann das Verfahren ferner auch ein Drosseln des Luftdurchsatzes mittels der Drosseleinrichtung zum Aufbau eines bremsenden Staudrucks umfassen. Weiterhin kann das Verfahren für den Fall, dass der Lufteinlass der Kolbenma- schine über eine Verbindungsleitung mit einem Druckluftvorratsbehälter und/oder einem Aus lass eines Luftverdichters verbunden ist, zudem ein Zuführen von Druckluft vom Druckluftvor ratsbehälter und/oder vom Auslass des Luftverdichters zur Kolbenmaschine zu Beginn eines Bremsvorgangs umfassen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbei spiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug ge nommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Kolbenmaschine
1a Lufteinlass
1b Luftauslass 1c Einlassventil 1d Auslassventil 2 Antriebsstrangwelle
3 Drosseleinrichtung
3a Auslassleitung 3b Drosselklappe
4 Verbindungsleitung
5 Druckluftvorratsbehälter
6 Luftverdichter 7 Kupplungseinrichtung 8a Schubkurbel 8b, 8c Welle 8d Getriebe
9 Hinterrad
10 Dauerbremseinrichtung 20 Fahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeug (20), vorzugsweise Elektro-Nutzfahrzeug, aufweisend eine Dauerbremseinrich tung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerbremseinrichtung (10) eine nicht be feuerbare Kolbenmaschine (1) umfasst, die antriebsmäßig an eine Antriebsstrangwelle (2) des Fahrzeugs (20) koppelbar ist und ausgebildet ist, im Betrieb Luft von einem Luftein lass (1a) der Kolbenmaschine (1) zu einem Luftauslass (1b) der Kolbenmaschine (1) zu fördern und dabei zu verdichten und hierbei durch Verrichten von Verdichtungsarbeit eine Verzögerung des Fahrzeugs (20) zu bewirken.
2. Fahrzeug (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Kolbenmaschine (1) keine Brennkraftmaschine ist und/oder nicht für einen Vortrieb des Fahrzeug (20) ausgelegt ist und/oder b) dass das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.
3. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerbremseinrichtung (10) eine Drosseleinrichtung (3) umfasst, die stromab des Luftauslasses (1b) der Kolbenmaschine (1) angeordnet ist und ausgebildet ist, durch eine Reduktion des Luftdurchsatzes einen bremsenden Staudruck am Luftauslass (1b) der Kolbenmaschine (1) zu bewirken.
4. Fahrzeug (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtung (3) eine, in einer mit dem Luftauslass (1b) der Kolbenmaschine (1) verbundenen Auslass leitung (3a) angeordnete, verstellbare Drosselklappe (3b) umfasst, die zwischen einer, die Auslassleitung (3a) absperrenden, Blockierstellung und einer die Auslassleitung (3a) frei gebenden, Offenstellung, vorzugsweise kontinuierlich, bewegbar ist.
5. Fahrzeug (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung von Druckluft zur Kolbenmaschine (1) deren Lufteinlass (1a) über eine Verbindungslei tung (4) mit einem Druckluftvorratsbehälter (5) und/oder einem Auslass eines Luftverdich ters (6) verbunden ist.
6. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Lufteinlass (1a) ein Einlassventil (1c) zur Steuerung der Luftzufuhr in die Kolbenmaschine (1) aufweist, wobei das Einlassventil (1c) über einen ersten Ven tiltrieb betätigbar ist; und b) der Luftauslass (1b) ein Auslassventil (1d) zu Steuerung des Luftausstoßes aus der Kolbenmaschine (1) aufweist, wobei das Auslassventil (1d) über einen zweiten Ventiltrieb betätigbar ist.
7. Fahrzeug (20) nach einem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, a) dass der erste Ventiltrieb ein elektrischer, hydraulischer und/oder pneumatischer Ventiltrieb ist; und/oder b) dass der zweite Ventiltrieb ein elektrischer, hydraulischer und/oder pneumatischer Ventiltrieb ist; und/oder c) dass der erste Ventiltrieb und der zweite Ventiltrieb unabhängig voneinander be treibbar sind.
8. Fahrzeug (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, a) dass der zweite Ventiltrieb ausgebildet ist, das Auslassventil (1 d) dauerhaft in einer zwischengeöffneten Stellung zuhalten; oder b) dass die Kolbenmaschine (1) ein Konstant-Drosselventil umfasst, das über einen dritten Ventiltrieb betätigbar ist, wobei der dritte Ventiltrieb ausgebildet ist, das Kon stant-Drosselventil dauerhaft in einer geöffneten Stellung zuhalten.
9. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Kolbenmaschine (1) nicht zum Befüllen einer Druckluftbremsanlage und einer Luftfederanlage des Fahrzeugs (20) dient; und/oder b) dass an der Kolbenmaschine (1) auslasseitig kein druckluftbetätigter Verbraucher und kein Druckluft-Verbraucherkreis angeschlossen ist; und/oder c) dass die von der Kolbenmaschine (1) verdichtete Luft ohne weitere Nutzung an die Atmosphäre geführt wird.
10. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (20) eine Kupplungseinrichtung (7) umfasst, die zum wahlweisen an triebsmäßigen Koppeln und Entkoppeln Kolbenmaschine (1) und der Antriebsstrang welle (2) ausgebildet ist.
11. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenmaschine (1) eine Einzylinder-Kolbenmaschine oder eine Mehrzylinder- Kolbenmaschine ist.
12. Fahrzeug (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauerbremseinrichtung (10) einen, vorzugsweise hydrodynamischen oder elekt rodynamischen, Retarder umfasst.
13. Verfahren zum Bremsen, vorzugsweise Dauerbremsen, eines Fahrzeugs (20), das nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, umfassend die Schritte:
- Koppeln der Kolbenmaschine (1) an eine Antriebsstrangwelle (2) des Fahr zeugs (20);
- Antreiben der Kolbenmaschine (1) mittels der Antriebsstrangwelle (2); und
- Verrichten von Verdichtungsarbeit mittels der Kolbenmaschine (1) zur Erzeugung eines auf die Antriebsstrangwelle (2) wirkendes Bremsmoment.
14. Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeug (20) nach Anspruch 13, wobei das Fahrzeug (20) die Merkmale von Anspruch 3 umfasst, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Drosseln des Luftdurchsatzes mittels der Drosseleinrichtung (3) zum Aufbau eines bremsenden Staudrucks.
15. Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeug (20) nach Anspruch 14, wobei das Fahrzeug (20) ferner die Merkmale von Anspruch 5 umfasst, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Zuführen von Druckluft vom Druckluftvorratsbehälter (6) und/oder vom Auslass des Luftverdichters (7) zur Kolbenmaschine (1) zu Beginn eines Bremsvorgangs.
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