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
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]