|
3. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA ZWALNIACZY
3.1. HAMULCE SILNIKOWE
3.1.1. Hamowanie silnikiem bez urządzeń dodatkowych
W hamulcach silnikowych wykorzystuje się zjawisko wewnętrznych oporów
silnika, spowodowane tarciem części ruchomych i efektem pompowania, jak
również stworzone sztuczne warunki, powodujące, że praca silnika
zamienia się w pracę sprężarki.
Najprostszym sposobem uzyskania efektu ciągłego hamowania jest
za-mknięcie przepustnicy w układzie zasilania silnika. Źródłem siły
hamowania są wówczas opory tarcia części ruchomych i straty wewnętrzne,
uwidocznione na wykresie pracy silnika (rys. 3.1), które wynikają z
różnicy przebiegu krzywych sprężania i rozprężania oraz zasysania i
wydechu. Niewielki wzrost sił podczas hamowania silnikiem można uzyskać
przez wyłączenie zapłonu lub dopływu paliwa, ale sposób ten, ze względu
na małą skuteczność i potrzebę wykonywania dodatkowych czynności w
czasie hamowania pojazdu, nie powinien być stosowany. Znaczne
zwiększenie skuteczności hamowania silnikiem można uzyskać przez
włączanie niższych biegów (przełożeń) w skrzyni przekładniowej. Dzięki
wykorzystaniu przełożeń, pojazd hamowany silnikiem może zjeżdżać ze
stałą prędkością, bez użycia hamulców zasadniczych, przy włączonym
biegu bezpośrednim z pochyłości 3…5 %, a przy włączonym pierwszym biegu
nawet z pochyłości kilkunasto procentowej.
 |
|
Rys. 3.1 Wykres pracy
silnika przy zamkniętej przepustnicy gaźnika. Pracę ujemną
przedstawiają pola zakreskowane [28] |
Wzrost wartości siły
hamowania powoduje jednak, w tym ostatnim przypadku, szybkości jazdy,
ponieważ ze względów znaczne obniżenie bezpieczeństwa nie można
dopuszczać do nadmiernego wzrostu obrotów silnika na poszczególnych
biegach. Włączanie niskich biegów, w celu zwiększenia ograniczonej
wartości momentu hamującego, powoduje znaczne zaniżanie średniej
prędkości podróżnej na drogach górskich, a więc zmniejszenie rentowności
pojazdów ciężarowych. Dodatkowo, wolno jadący samochód o znacznych
wymiarach gabarytowych stwarza dużą przeszkodę dla ruchu innych
pojazdów, tym bardziej, że wyprzedzanie na, przeważnie krętych, drogach
górskich jest bardzo niebezpieczne. Inną trudność stanowi włączanie
niższych biegów podczas hamowania silnikiem, zwłaszcza w samochodach, w
których skrzynka biegów nie jest synchronizowana (całkowicie lub
częściowo). Jeżeli do tego doda się występowanie ujemnego zjawiska
przepompowywania oleju z miski olejowej do komory spalania i -
wspomnianej uprzednio - możliwości łatwego przekraczania znamionowej
prędkości obrotowej wału korbowego silnika, to staje się oczywiste, że
hamowanie silnikiem może być skutecznie stosowane tylko w ograniczonym
zakresie [28].
Hamowanie silnikiem jest niemożliwe w przypadku samochodów wyposażonych
w skrzy-nie biegów z przekładniami hydrokinetycznymi. Spowodowane jest
to faktem, że przekładnie tego typu mają niską odwracalność. Aby
umożliwić hamowanie silnikiem, przekładnie wyposaża się w dodatkowe
sprzęgło jednokierunkowe (wolne koło). Jest ono umieszczone pomiędzy
wałem wejściowym i wałem wyjściowym (między wirnikiem pompy i turbiny)
przekładni (rys. 3.2).
 |
|
Rys. 3.2 Przekładnia
hydrokinetyczna ze sprzęgłem jednokierunkowym między wirnikiem pompy
i turbiny [26] |
Wolne koło nie pozwala wówczas na osiąganie
większych prędkości przez wał wyjściowy w stosunku do wału wejściowego i
w zakresie napędu odwróconego przekładnia hydro-kinetyczna pracuje w
takim przypadku jak sztywny wał (czyli z poślizgiem względnym równym
zero). Zapewnia to takie same warunki hamowania silnikiem, jak przy
zastosowaniu mechanicznego układu napędowego. Przy okazji rozwiązanie
takie umożliwia uruchamianie silnika pojazdu przez holowanie pod
warunkiem, że pozwala na to producent automatycznej skrzyni biegów [26].
3.1.2 Hamulce silnikowe z dławionym wydechem
Rozwiązanie to jest często stosowane w samochodach ciężarowych i
autobusach z uwagi na prostą budowę, niewielkie wymiary i stosunkowo
niski koszt wykonania, przy jednoczesnym zapewnieniu dostatecznej
efektywności działania. Działanie tego typu hamulca opiera się na
sprężaniu powietrza po-przez zamknięcie przelotu w rurze wydechowej za
pomocą przepustnicy. Napędzany przez mechanizm przeniesienia napędu
silnik spełnia rolę sprężarki samoczynnie regulowanej napięciem sprężyn
zaworów wydechowych. W czasie pracy hamulca silnikowego dopływ paliwa
do silnika zostaje odcięty.
Poszczególne fazy działania czterosuwowego silnika, pracującego jako
hamulec, pokazane są na rys. 3.3, na którym poszczególne linie wykresu
przedstawiają:
1 - zassanie powietrza,
2 - sprężanie powietrza,
3 - rozprężanie powietrza,
4 - sprężanie powietrza w kolektorze i części rury wydechowej zamkniętej
przepustnicą (praca hamowania),
5 - samoregulację ciśnienia sprężania.
Ciśnienie powietrza w zamkniętym przewodzie wydechowym osiąga wartość
0,3…0,5 MPa, zależnie od cech silnika oraz charakterystyki sprężyn
zaworów wydechowych. W punkcie GZP nadmiar sprężonego powietrza uchodzi,
przez uchylony zawór wydechowy, komorę spalania i otwarty zawór ssący,
do atmosfery. Przeciwbieżny, do normalnego kierunku, przepływ powietrza
w rurze ssącej wymaga przedsięwzięcia środków zabezpieczających w
przypadku stosowania mokrych filtrów powietrza, gdyż wówczas
wypełniający je olej może być wydmuchiwany na zewnątrz. Celem
zmniejszenia pulsacji powietrza umieszcza się między filtr i silnik
dodatkowy zbiornik kompensacyjny. Bardziej radykalnym środkiem
chroniącym przed stratami oleju jest użycie filtrów suchych.
 |
|
Rys.3.3 Wykres pracy
silnika jako hamulca z dławionym wydechem [28] |
Skuteczność działania hamulców ze zdławionym wydechem jest, w
przybliżeniu, dwukrotnie większa, niż przy hamowaniu silnikiem bez
dodatkowych urządzeń. Rozwijana moc hamowania przy zdławionym wydechu
osiąga wartość 75…85 % maksymalnej mocy silnika, przy czym moment
hamujący wzrasta wraz z ilością obrotów silnika. Jest on różny od
przebiegu momentu obrotowego silnika, gdzie maksymalna wartość osiągana
jest przy ok. 60 % jego obrotów nominalnych [28]
 |
|
Rys. 3.4 Zawór
klapowy przesuwny [7] |
 |
|
Rys. 3.5 Zawór
hamulca silnikowego z zasuwą [28] |
 |
|
Rys. 3.6 Zawór
grzybkowy hamulca silnikowego VOLVO [18] |
 |
|
Rys. 3.7 Zawór
obrotowy hamulca silnikowego ZF [7] |
.
Tego typu hamulce silnikowe działają poprzez odcięcie dopływu paliwa
(ustawienie listwy zębatej pompy wtryskowej w położenie „STOP”), oraz
zamknięcie wydechu. Do tego celu stosuje się zawory klapowe przesuwne
(rys.3.4), zawory w postaci zasuwy (rys.3.5), zawory grzybkowe (rys.3.6)
oraz zawory obrotowe. Ostatnia grupa zaworów jest obecnie najbardziej
rozpowszechniona. Ogólna budowa została przedstawiona na rys. 3.7,
natomiast na rys. 3.8 przedstawiono części składowe zaworu tego typu.
 |
Rys. 3.8. Zawór
hamulca silnikowego Ikarus 260/280 [12]
a – kompletny zawór z siłownikiem
b – części zaworu |
Sterowanie hamulca silnikowego z dławionym wydechem może odbywać się
mechanicznie lub elektropneumatycznie. W przypadku sterowania
mechanicznego hamulec uruchamiany jest dźwignią umieszczoną obok
siedzenia. Jest ona połączona układem dźwigni lub cięgien giętkich z
zaworem dławiącym i pompą wtryskową. Obecnie takie układy sterujące
zostały zastąpione układami pneumatycznymi lub elektropneumatycznymi.
Przy zaworze i pompie wtryskowej znajdują się siłowniki pneumatyczne,
natomiast w kabinie znajduje się zawór pneumatyczny lub
elektro-pneumatyczny, umieszczony w podłodze lub na desce rozdzielczej.
Nietypowy układ uruchamiający został zastosowany w ciągniku siodłowym
Pegaso 2011/1, gdzie hamulec silnikowy uruchamiany jest za pomocą pedału
gazu (rys.3.9).
 |
Rys. 3.9 Układ
sterowania hamulca silnikowego Pegaso [3]
1 – Pedał gazu
2 – Przewód elastyczny pedał – cylinder
3 – Przewód elastyczny zawór – pedał
4 – Zawór sterujący
5 – Siłownik |
Włączenie następuje poprzez naciśnięcie dolnej części
pedału gazu i pokonanie małego oporu. Ponieważ pedał połączony jest
mechanicznie z pompą wtryskową, zostaje ona ustawiona w położenie
„STOP”. W pedale gazu znajduje się zawór pneumatyczny doprowadzający
powietrze do siłownika zaworu dławiącego.
W przypadku silnika wysokoprężnego doładowywanego mechanicznie,
dmuchawa nie powinna sprężać wstępnie powietrza w okresach włączenia
hamulca silnikowego. Podyktowane jest to hałaśliwością pracy dmuchawy i
wzmożonym zużyciem jej części. Z tego względu dmuchawy doładowujące
często wyposaża się w obrotowy zawór obejściowy (rys.3.10), sterowany
przez układ sterujący hamulcem silnikowym [7].
 |
|
Rys. 3.10 Działanie
dmuchawy ROOTS z zaworem obejściowym [7] |
3.1.3. Hamowanie silnikiem z układem dekompresyjnym
Klasyczne hamulce silnikowe z dławionym wydechem nie są w stanie
uzyskać momentu hamowania, jaki wynikałby z teoretycznych rozważań nad
wymiarami i osiągami silników. Spowodowane jest to faktem, że tłok
podążając ku GZP w suwie sprężania, spręża powietrze (wykonuje prace
ujemną), natomiast po przekroczeniu GZP ruch tłoka ku DZP jest
wspomagany rozprężanym powietrzem, uprzednio sprężonym. W wyniku tego
nie uzyskuje się większego momentu hamującego. Aby wyeliminować to
niepożądane zjawisko, w silnikach stosuje się specjalne układy
dekompresyjne (odprężające). Istotą tego typu urządzeń jest
odprowadzenie z cylindra sprężonego powietrza przed suwem rozprężania.
Do obecnie stosowanych rozwiązań należy hamulec silnikowy JACOBS,
hamulec silnikowy VEB (Volvo Engine Brake) oraz konstrukcja Mercedes
Benz „Konstantdrossel” (o stałym dławieniu).
3.1.3.1. Hamulec JACOBSA
Układ ten produkowany przez amerykańską firmę Jacobs Vehicle Systems
stosowany jest w silnikach firm Cummins, Caterpillar Mack oraz Renault.
Schemat tego urządzenia przedstawiony został na rys. 3.11.
Przesterowania w cyklu pracy silnika dokonuje układ elektrohydrauliczny,
wykorzystujący ciśnienie oleju w układzie smarowania. Zawór
elektromagnetyczny (3) otwiera przelot od kanału (1), przez zaworek
zwrotny (2) i główny zawór zwrotny oleju (4) nad tłoki (5 i 6). Olej
wypełnia przestrzenie nad tłokami. W chwili gdy tłok silnika jest w GZP
a oba zawory są zamknięte unosi się dźwignia pompowtryskiwacza (10).
Paliwo nie zostaje wtryśnięte do komory spalania ponieważ w tym momencie
dawka jest zerowa. Uniesienie dźwigni pompowtryskiwacza powoduje
przesunięcie tłoczka (6) który przetłacza olej nad tłok (5) który
otwiera lewy zawór wydechowy (9). Do szybkiego zamknięcia zaworu i
przygotowania do następnego cyklu pracy służy tłoczek upustowy,
umieszczony w śrubie regulacyjnej (7), który otwiera przelot z
pominięciem zaworu (4) bezpośrednio do wylotu (8).
 |
|
Rys. 3.11 Hamulec
JACOBS [2] |
Sterowanie może być
zintegrowane z hamulcem roboczym przez umieszczenie styków w górnej
części głównego zaworu hamulcowego pojazdu. Skuteczność zwalniacza można
regulować przez włączanie zaworów grupami. Na rysunku 3.12 znajduje się
charakterystyka hamulca JACOBS 336A zainstalowanego w silniku
Caterpillar typu 3306C. Hamulce JACOBS są w stanie uzyskiwać moment
hamowania w granicach 800…1000Nm. O dużej skuteczności działania hamulca
silnikowego JACOBS świadczy fakt, że przy jego użyciu pojazd o masie 34
tony może poruszać się na pochyłości o spadku 10 % ze stałą prędkością
25 km/h, bez potrzeby uruchamiania hamulców zasadniczych.
 |
|
Rys. 3.12
Charakterystyka hamulca JACOBS [13] |
3.1.3.2. Hamulec silnikowy VEB (Volvo Engine Brake)
Hamulec ten jest nowym rozwiązaniem technicznym, opracowanym i
opatentowanym przez koncern VOLVO. Hamulec VEB instalowany jest na
zamówienie, z tym, że niektóre jego elementy montowane są już
standardowo w silniku. W samochodach nie wyposażonych w hamulec VEB, za
zwalniacz silnikowy służy tylko przepustnica na kolektorze wydechowym.
Układ VEB montowany jest do silników Volvo rodziny D12A, przeznaczonych
dla dużych samochodów ciężarowych i ciągników siodłowych serii FH12.
Jego maksymalna moc hamowania wynosi 250 kW przy 2200 obr/min, co
odpowiada wartości momentu hamowania 1150 Nm. Na wykresie (rys. 3.13)
przedstawione zostało porównanie hamulca VEB i klasycznego hamulca
silnikowego z dławieniem wydechu (maksymalna moc hamowania w tym
przypadku wynosi jedynie 160 kW).
 |
|
Rys. 3.13 Porównanie
hamulca VEB z hamulcem dławiącym wylot spalin [18] |
Siłę hamowania dobiera kierowca
stosownie do warunków jazdy. Sterowanie odbywa się dźwigienką
trójpołożeniowego przełącznika na desce rozdzielczej:
- Położenie „0” - całkowite wyłączenie hamulca,
- Położenie „1” - czynny tylko hamulec klapowy (przepustnica wydechu),
- Położenie „2” - czynny hamulec kompresyjny oraz przepustnica wydechu.
Przy przełączniku ustawionym w drugim położeniu, hamulec VEB zostaje
uruchomiony przez zwolnienie pedału gazu. Przepustnica wydechu zwiększa
wówczas ciśnienie w układzie wydechowym silnika. W silniku, tuż przed
początkiem suwu sprężania, następuje krótkie otwarcie zaworów
wydechowych i do cylindra przedostaje się to podwyższone ciśnienie z
układu wydechowego. Ciśnienie sprężania będzie więc odpowiednio wyższe.
Następna faza działania hamulca VEB to ponowne otwarcie zaworów
wydechowych tuż przed końcem suwu sprężania w celu uwolnienia większości
energii sprężanych gazów. Zawory wydechowe są sterowane przez
„wydechową” krzywkę na wałku rozrządu, który w wersji VEB ma dodatkowe
„garbiki”. Podczas normalnej jazdy nie powodują one ruchu zaworów, ale w
chwili zadziałania hamulca VEB zawór sterujący podnosi ciśnienie oleju i
tłoczek w dźwigni zaworowej każdego zaworu wydechowego powoduje
skasowanie luzu. Dzięki temu również dodatkowe krzywki mogą teraz
otwierać zawory wydechowe w celu zwiększenia energii sprężania i
zmniejszenia energii rozprężania. Budowa dźwigienki zaworowej została
przedstawiona na rys. 3.14. Działanie i części składowe hamulca VEB
przedstawiono na rys. 3.15.
 |
|
Rys. 3.14 Budowa i
zasada działania hamulca silnikowego VEB [18] |
|
1. Tłoczek
2. Gniazdo kuliste zaworowe
3. Śruba regulacyjna
4. Podkładki regulacyjne
5. Mostek
6. Prowadzenie
7. Sprężyna zaworowa
8. Prowadnica zaworu
|
9.
Zawór
10. Gniazdo
11. Sprężyna płaska
12. Oś dźwigni zaworowych
13. Dźwignia zaworowa
14. Rolka
15. Obudowa łożyska
16. Wałek rozrządu
|
 |
|
Rys. 3.15 Konstrukcja
dźwigienki zaworowej silnika z układem VEB [18] |
 |
|
Rys. 3.16
Zmodyfikowana krzywka hamulca VEB [18]
|
Niedawno firma VOLVO unowocześniła opisany powyżej hamulec dodając na
powierzchni krzywki jeszcze jeden "garbik" pokazany na rysunku 3.16.
Dzięki niemu zawory wydechowe otwierają się na krótko na początku suwu
wydechu gdy tłok przekracza DZP. Powoduje to, że do przestrzeni nad
tłokiem w miejsce uprzednio wytworzonego podciśnienia wlatuje sprężone
powietrze z kanału wylotowego, które jest sprężane w trakcie gdy tłok
podąża ku GZP.
3.1.3.3. Mercedes Benz „Konstantdrossel”
Układ ten stosowany jest w silnikach Mercedes-Benz serii 400. W
standardowej głowicy silnika zamocowany jest specjalny zawór
odprężnikowy. Powietrze z cylindra uchodzi przez niego do kanału
kolektora wylotowego. W samochodach ciężarowych Mrecedes-Benz, w których
stosowany jest silnik z zaworami odprężającymi, stosowany jest
równocześnie zawór dławiący na kolektorze wydechowym. Hamulec silnikowy
w tym układzie włączany jest dwustopniowo. W pierwszym stopniu otwarty
jest jedynie zawór odprężający, a w drugim dodatkowo przymknięta zostaje
przepustnica na wydechu. Przy włączeniu drugiego stopnia, najpierw
zostaje otwarty zawór odprężający a dopiero po chwili zamyka się
przepustnica. Wyłączanie hamulca odbywa się w odwrotnej kolejności
(wpierw otwiera się przepustnica a następnie zamyka zawór odpreżający).
Takie stopniowanie włączania i wyłączania hamulca pozwala uniknąć
uszkodzeń silnika. Zawór odprężający otwiera się pod wpływem ciśnienia
powietrza sterującego, zamyka natomiast pod działaniem sprężyny.
Napowietrzaniem i odpowietrzaniem tłoków zaworów oraz siłownika
przepustnicy wydechu steruje układ elektroniczny. Sterowanie układu „Konstantdrossel”
połączone jest z układem sterowania ABS. Gdy układ ABS zaczyna działać,
hamulec silnikowy automatycznie się wyłącza.
Na rys. 3.17 przed-stawiona została głowica silnika z zaworem
odprężającym. Układ „Konstant-drossel” pozwala uzyskać maksymalny
moment hamowania ok. 1200 Nm.
 |
|
Rys. 3.17 Zawór
odprężający w głowicy silnika M-B [10] |
rozdział 3.2 >>> |