Motorbremse
Als Motorbremse bezeichnet man die Bremswirkung, die entsteht, wenn ein Fahrzeug durch den eigenen Antriebsmotor statt durch die normalen Radbremsen verlangsamt wird. Wenn die Kraftstoffzufuhr gedrosselt oder ganz abgeschaltet wird, durch z. B. den Fuß vom Gaspedal nehmen, das Fahrzeug aber rollt, treiben die Räder nun den Motor an. Der Motor muss dabei gegen seine eigene innere Reibung und beim Verbrenner den Druck der Luft arbeiten (Verdichtung und Pumpverluste). Dieser mechanische Widerstand bremst das Fahrzeug ab. Die Motorbremse kommt vor allem bei Bergabfahrten zum Einsatz. Sie hat den Vorteil, dass die normalen Bremsen (Scheiben- oder Trommelbremsen) geschont werden und nicht überhitzen oder ihre Wirkung verlieren (sogenanntes Bremsfading). Bei großen Nutzfahrzeugen wie Lastkraftwagen wird die Bremswirkung zusätzlich durch spezielle Techniken wie die Motorstaubremse oder Dekompressionsbremsen verstärkt.
Techniker sagen auch kurz: Als Motorbremse wird der mechanische Widerstand bezeichnet, den ein Motor einem von außen aufgezwungenen Drehmoment entgegensetzt.
Zweck
Zweck der Motorbremse ist das Abführen von Bewegungsenergie des rotierenden Motors, was durch andere Energieformen erfolgt; insbesondere durch entgegenwirkende Kräfte, die üblicherweise als Kompression oder Reibung eingesetzt werden, was auch „verzögern“ genannt wird. Diese Energie ist je nach Form nutzbar; insbesondere kann der innere Widerstand der mitlaufenden Antriebsmaschine für die Abbremsung eines Fahrzeugs genutzt werden (siehe Schleppleistung).
Ausführungen
Einfache Anwendungen
Die Bremswirkung beruht einzig auf der Wegnahme der Treibenergie.
Verbrennungsmotoren
Die Bremswirkung entsteht beim Ottomotor durch saugseitige Ladungsdrosselung (durch Schließen von Drosselklappe oder Gasschieber) und Kraftstoff-Nullförderung (also Ausbleiben der Treibstoffzufuhr), beim einfachen Dieselmotor mangels Drosselorgan nur durch Kraftstoff-Nullförderung (Ausnahme: siehe Abschnitt „Wirkungsgesteigerte Ausführungen“ unten).
Bei heutigen Kraftfahrzeugen mit Einspritz-Ottomotoren wird die Motorbremse durch das Vermindern bzw. vollständige Unterbinden der Kraftstoffeinspritzung (Schubabschaltung) in ihrer Wirkung gegenüber den früher üblichen Vergasermotoren verbessert, deren Kraftstoffzufuhr auch bei vollständig geschlossenem Stellorgan (Drosselklappe, Gasschieber) z. B. durch Leerlaufbohrungen und -düsen nie gänzlich unterbunden werden konnte. Damit wird der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch ebenfalls verringert. Fällt die Drehzahl unter einen gewissen Wert, so wird wieder eingespritzt. Das Bremsmoment der Motorbremse nimmt mit höherer Drehzahl zu, weshalb ein Herunterschalten auf einen kleineren Gang die Geschwindigkeit weiter drosselt und ggf. die Betriebsbremse bei langen Abfahrten stärker entlastet.
Dampfmaschinen
Die Bremswirkung entsteht grundsätzlich durch Absperren der Dampfzufuhr. Ferner kann bei Dampflokomotiven durch Umsteuern und erneutes Öffnen der Dampfzufuhr der Effekt der Gegendampfbremse ausgenutzt werden, wobei das normale krafterzeugende Funktionsprinzip der Kolbendampfmaschine entgegen der Fahrtrichtung wirkt. Die Gegendruckbremse, die bei Dampflokomotiven für Bergstrecken eingebaut wird, kommt ohne Frischdampfzufuhr aus, ist regelbar und ermöglicht das Befahren von langen Gefällestrecken ohne zusätzlichen Bremssohlenverschleiß.
Elektromotor
Das einfache Abschalten der Energiezufuhr alleine führt bei Elektromotoren nicht zu einer nennenswerten Bremswirkung. Während Drehstromasynchronmotoren völlig frei drehen, gibt es bei Kollektormotoren eine geringe Bremswirkung durch die Reibung der Bürsten. Bei einem möglichen Generatorbetrieb wird die kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt und entweder über einen elektrischen Widerstand als Wärme abgeführt (Widerstandsbremse. engl. rheostatic brake) oder in das Fahrstromnetz oder in die Antriebsbatterie zurückgespeist (Nutzbremse, Rekuperation, engl. regeneration). Der Begriff Motorbremse ist bei elektrischen Fahrmotoren allerdings unüblich, man spricht in diesem Zusammenhang von einer elektrodynamischen Bremse.
Ein Asynchronmotor kann gebremst werden (Wirbelstrombremsung), indem er mit Gleichstrom erregt wird.
Wirkungsgesteigerte Ausführungen
Die Bremswirkung durch innere Reibung ist im Vergleich zu den nachfolgend beschriebenen Arten der Umwandlung kinetischer Energie vergleichsweise gering, bei denen die Wirkung der Motorbremse durch weitere Maßnahmen gesteigert wird.
Motorstaubremse
Speziell bei den Dieselmotoren bei Lastkraftwagen und Autobussen gibt es das System Motorstaubremse (auch Auspuffklappenbremse genannt), bei dem die Bremsleistung in Verdichtungsarbeit ohne anschließende Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung umgesetzt wird. Während bei der Motorbremse ein Wegnehmen des Fußes vom Gaspedal genügt, muss die Motorstaubremse extra betätigt werden. Einmal angeschaltet, ist es besonders im dichten Verkehr sehr praktisch für den Fahrer, da er den Fuß nicht immer zwischen Gaspedal und Bremse hin und her wechseln muss, sondern bereits ein starker Bremseffekt durch bloße Wegnahme des Fußes vom Gas einsetzt. Beim Betätigen wird die Einspritzpumpe auf Nullförderung zurückgenommen und eine Klappe im Auspuff geschlossen. Die Bremsleistung kann über ein Ventil im Abgasstrang geregelt werden. Diese Form der Bremse wird vor allem bei Bergabfahrten verwendet. Es verringert die Belastung der konventionellen Bremsen, reduziert deren Erwärmung und verringert die Gefahr von Bremsfading.
Bei neu zugelassenen Nutzfahrzeugen ist es nicht mehr zulässig, die Motorstaubremse so auszulegen, dass die Auspuffklappen unabhängig vom Fahrzustand komplett geschlossen werden und die Treibstoffzufuhr auf Null reduziert wird, da es sonst bei zu langem Betätigen dieser Bremse zum Stillstand des Motors kommt, wobei alle Zusatzaggregate wie Servolenkung ausfallen und das Fahrzeug sehr schwer manövrierbar wird. Früher war der Stillstand des Motors ein gewünschter Nebeneffekt, weil so die Motoren abgestellt wurden. Bei modernen LKW-Motoren wird die Motorstaubremse elektro-pneumatisch betätigt, was ebenfalls den Stillstand des Motors durch Bremsbetätigung verhindert. So wird z. B. bei einem Hersteller unterhalb einer Motordrehzahl von ca. 800 Umdrehungen pro Minute die Auspuffklappe automatisch geöffnet und die Einspritzpumpe auf Leerlauffördermenge gebracht.
Mittlerweile gibt es Systeme, bei denen die Klappen nur bei einem der vier Motortakte öffnen. Dies bewirkt einen ähnlichen Bremseffekt, jedoch wird dabei der Geräuschpegel spürbar gesenkt.
Bei dieselmechanisch angetriebenen Eisenbahnfahrzeugen wird die Motorstaubremse als Zusatzbremse für den Steilstreckenbetrieb verwendet. Bekanntestes Beispiel hierfür sind die Schienenbusse der deutschen Baureihe 798.
Dekompressionsbremse
Eine weitere Möglichkeit, das Bremsmoment des Motors zu erhöhen, besteht darin, die vom Motor im Verdichtungstakt geleistete Arbeit für den folgenden Takt ungenutzt zu lassen. Hierfür werden am Ende des Verdichtungstakts die Auslassventile oder ein zusätzlich eingebautes Ventil geöffnet und damit der Druck im Zylinder abgebaut (dekomprimiert). Dadurch kann im Expansionstakt keine Arbeit mehr an die Kurbelwelle abgegeben werden, da die für die Kompression aufgewendete Energie durch das Entspannen bereits abgeführt wurde.
Das Verfahren, die komprimierte Luft über die Auslassventile zu entspannen, ist in Nordamerika weit verbreitet und dort unter dem Namen „Jake Brake“ oder „Jacobs Brake“ bekannt. Sie wurde von Clessie Lyle Cummins (1888–1968; Cummins Engine Co.) entwickelt, seit 1961 vom namensgebenden US-Unternehmen Jacobs Vehicle Systems vermarktet und im Jahr 1962 zum Patent angemeldet. Im Frankokanadischen heißt dieses Bremssystem „freins jacob“. Das schlagartige Entspannen der komprimierten Luft führt zu einer sehr hohen Lärmbelästigung und übersteigt ohne zusätzliche Schalldämpfer den Lärmpegel von Presslufthämmern problemlos. An vielen Ortseingängen in Québec wird daher darauf hingewiesen, dass die Benutzung solcher Bremsen wegen der starken Lärmentwicklung nicht erlaubt ist, ebenso in vielen Orten der USA („No jake braking“, „No engine brakes“, „Engine brake mufflers required“).
Bei Einsatz der Konstantdrossel wird ein zusätzliches Ventil mit kleinem Querschnitt parallel zu den Auslassventilen nicht nur am Ende des Kompressionstaktes, sondern während des gesamten Motorbremsbetriebs geöffnet. Die Dekompression erfolgt so kontinuierlich, aber aufgrund des kleinen Querschnitts bei weiterhin hohem Gegendruck. Auch in der folgenden Expansionsphase ist eine hohe Motorbremswirkung vorhanden, da die Luft wieder gegen den Widerstand der Konstantdrossel in den Zylinder einströmt.
Kombination von Motorstaubremse und Dekompressionsbremse
Die Bremswirkung des Motors kann weiter verbessert werden, indem man Motorstaubremse und Dekompressionsbremse kombiniert (z. B. EVB / Exhaust Valve Brake).
Der Viertaktprozess im Schiebebetrieb (Motorbremse)
Rollt ein Fahrzeug mit eingelegtem Gang, ohne dass Gas gegeben wird (Schiebebetrieb), kehren sich die Energieflüsse am Motor um: Nicht mehr das verbrennende Gas treibt den Kolben an, sondern die kinetische Energie des Fahrzeugs treibt über Räder, Getriebe und Kurbelwelle den Motor an. Der Motor arbeitet dann als Luftpumpe und Verdichter, der mechanische Energie in Strömungs-, Reibungs- und Wärmeverluste umwandelt (Motorbremse).
Der entscheidende thermodynamische Unterschied zum normalen Arbeitsspiel ist die Schubabschaltung: Es wird kein Kraftstoff eingespritzt, die Wärmezufuhr im 3. Abschnitt entfällt vollständig.
Zustandspunkte
Im p-V-Diagramm werden folgende Zustandspunkte unterschieden:
- Punkt 1: Unterer Totpunkt (UT) nach dem Ansaugen, Volumen
- Punkt 2: Oberer Totpunkt (OT) nach der Verdichtung, Volumen (Kompressionsvolumen)
- Punkt 3: OT zu Beginn der Expansion (ohne Zündung leicht unterhalb von Punkt 2)
- Punkt 4: UT am Ende der Expansion, vor dem Öffnen des Auslassventils
Die sechs Abschnitte des Kreisprozesses
Die sechs Abschnitte des Viertakt-Kreisprozesses bei der Motorbremse (der 3. und der 5. Abschnitt sind keine eigenen Takte, sondern Zustandsänderungen an den Totpunkten):
| Abschnitt | Takt | Normalbetrieb | Schiebebetrieb (Motorbremse) |
|---|---|---|---|
| 1 | 1. Takt: Ansaugen | Frisches Gemisch strömt näherungsweise isobar ein. | Die Drosselklappe ist (fast) geschlossen, im Zylinder herrscht Unterdruck (z. B. ca. 0,3 bar absolut). |
| 2 | 2. Takt: Verdichten | Näherungsweise isentrope (real polytrope) Verdichtung des Frischgases. | Die stark verdünnte Ladung wird verdichtet, allerdings auf deutlich niedrigerem Druckniveau. |
| 3 | (OT) | Isochore Wärmezufuhr durch Zündung und Verbrennung, Druckanstieg auf . | Entfällt (Schubabschaltung). Es gibt keinen Druckanstieg; der Druck sinkt wegen Wandwärmeverlusten und Leckage (Blow-by) sogar leicht. |
| 4 | 3. Takt: Expandieren | Das heiße Verbrennungsgas dehnt sich aus und verrichtet Arbeit an der Kurbelwelle (). | Die verdichtete Luft dehnt sich wieder aus. Die Expansionskurve verläuft wegen der Verluste etwas unterhalb der Kompressionskurve; netto wird keine Arbeit abgegeben. |
| 5 | (UT) | Schlagartiger Druckabbau des Restdrucks bei (Auslass öffnet). | Der Zylinderdruck liegt unter dem Abgasdruck. Beim Öffnen des Auslassventils strömt Abgas zurück in den Zylinder; der Druck steigt isochor auf an. |
| 6 | 4. Takt: Ausstoßen | Der Kolben schiebt das Abgas näherungsweise isobar aus. | Der Kolben schiebt die Zylinderfüllung gegen den Abgasgegendruck aus. Dies kostet deutlich mehr Arbeit, als beim Ansaugen zurückgewonnen wird. |
Am OT muss im Schiebebetrieb der Druck zusätzlich isochor von auf den niedrigen Saugrohrdruck abfallen, bevor der nächste Ansaugtakt beginnt. Im Normalbetrieb ist dieser Übergang vernachlässigbar, da beide Drücke nahezu gleich sind.
Pumpverluste
Die Gaswechselarbeit (Pumpverlust) entsteht aus dem Zusammenspiel beider Gaswechseltakte: Beim Ansaugen unter Unterdruck wird nur wenig Arbeit an den Kolben zurückgegeben, beim Ausschieben gegen den Abgasgegendruck muss dagegen viel Arbeit aufgewendet werden. Die Verlustarbeit je Arbeitsspiel beträgt näherungsweise
mit dem Hubvolumen eines Zylinders. Beim Ottomotor sind die Pumpverluste durch die Drosselklappe die Hauptursache der Bremswirkung.
Staudruck-Motorbremse und Dieselmotor
Ein Dieselmotor besitzt keine Drosselklappe. Er saugt im Schiebebetrieb ungedrosselt Luft an, die Pumpverluste und damit die Bremswirkung sind gering. Bei Lkw und Nutzfahrzeugen wird deshalb der Auslasskanal gezielt mit einer Abgasklappe gedrosselt (Staudruck-Motorbremse) oder eine Dekompressionsbremse eingesetzt. Durch den erhöhten Abgasgegendruck wächst die Gaswechselschleife stark an, und die Bremswirkung steigt erheblich.
Darstellung im p-V-Diagramm
Im regulären Motorbetrieb ergibt das p-V-Diagramm eine positive Arbeitsfläche (der Motor liefert Antriebsenergie), wobei die Hochdruckschleife (Abschnitte 2 bis 4) im Uhrzeigersinn durchlaufen wird und überwiegt.
Im Schiebebetrieb fällt die Hochdruckschleife nahezu zu einer Linie zusammen, da Verdichtung und Expansion annähernd gleich verlaufen und nur durch die Verluste eine kleine, gegen den Uhrzeigersinn orientierte Fläche entsteht. Die Gaswechselschleife (Abschnitte 1, 5 und 6) wird ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn durchlaufen und ist groß. Die Summe ergibt eine negative Nettoarbeit, die Bremsarbeit.
Diese Verlustarbeit wird der kinetischen Energie des Fahrzeugs entzogen. Sie wird durch Drosselung beim Gaswechsel, Reibung, Wandwärmeverluste und Leckage in Wärme umgewandelt (Dissipation) und über Kühlsystem und Abgasstrom an die Umgebung abgegeben. Die Kompressionswärme selbst geht dabei nur zum Teil verloren, da sie bei der Expansion größtenteils wieder in Arbeit zurückgewandelt wird.
Siehe auch
Weblinks
- How a Jake Brake Works - Jacobs Vehicle Systems auf YouTube (englisch)
Einzelnachweise
- ↑ Elektronische Motorbremse bis 16A. Zum Abbremsen von Drehstrom- sowie Wechselstrommotoren. Klinger & Born, abgerufen am 18. März 2026.
- ↑ https://www.tripus.de/de/Elektronische-Motorbremse-news-5424-7737-11612-143.html Elektronische Bremse bei Fa. Tripus systems GmbH, abgerufen am 21. März 2018.
- ↑ Motorbrems- und Ventiltriebtechnik. Cummins, abgerufen am 18. März 2026.
- ↑ Steffen Dominsky: Jake break - 60 Jahre Knatterbremse. KFZ-Betrieb, 4. Mai 2021, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am 21. Februar 2023; abgerufen am 21. Februar 2023: „Sie ist laut, aber hochwirksam: die Motorbremse, die das US-Unternehmen Jacobs Vehicle Systems ab 1961 produzierte. Inzwischen kommt die von Clessie Cummins entwickelte Dekrompressionsbremse auch hierzulande zum Einsatz.“
- ↑ Jake Bremse. AT-RS Bremstechnik, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am 8. März 2021; abgerufen am 8. März 2021.
- ↑ Patent US3220392A: Vehicle engine braking and fuel control systeml. Angemeldet am 4. Juni 1962, veröffentlicht am 30. November 1965, Erfinder: Clessie L. Cummins.