DE102008046551B4 - Method for testing the tightness of a cooling channel in a cast component, in particular a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kühlkanals für Kühlflüssigkeit, wobei der Kanal benachbart einem Brennraum oder Zylinderraum angeordnet ist, mit folgenden Merkmalen:- Gasdichtes Abdichten des Kühlkanals und Einleiten von Formiergas in den Kühlkanal,- Ermitteln mittels eines Sensors, ob sich im Brennraum oder Zylinderraum Formiergas befindet.Method for testing the tightness of at least one cooling duct for coolant arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, the duct being arranged adjacent to a combustion chamber or cylinder chamber, with the following features: - gas-tight sealing of the cooling duct and introduction of forming gas into the cooling duct, - determination using a sensor to determine whether there is forming gas in the combustion chamber or in the cylinder chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit eines Kühlkanals bei einem Gussbauteil.The invention relates to a method for testing the tightness of a cooling channel in a cast component.

Nach der spanenden Bearbeitung eines Gussbauteils, insbesondere eines Zylinderkopfes oder eines Motorblocks einer Verbrennungskraftmaschine, ist es erforderlich, dieses Gussbauteil auf Mikrogussfehler zu prüfen. Dies gilt insbesondere für den Bereich des Kühlsystems, konkret des jeweiligen Kühlkanals für Kühlflüssigkeit. Ist die Dichtheit des Gussbauteils im Bereich des Kühlkanals nicht gegeben, tritt Kühlflüssigkeit in den Brennraum oder Zylinderraum von Zylinderkopf bzw. Motorblock über und es ist somit im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die Gefahr deren Zerstörung gegeben.After machining a cast component, in particular a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, it is necessary to check this cast component for micro-casting defects. This applies in particular to the area of the cooling system, specifically the respective cooling channel for coolant. If the cast component is not tight in the area of the cooling duct, coolant will escape into the combustion chamber or cylinder chamber of the cylinder head or engine block and there is therefore a risk of destruction during operation of the internal combustion engine.

Ein grundsätzliches Problem bei einer konventionellen Dichtprüfung ist, dass die Bauteile mit Mikrogussfehlern bei Umgebungstemperatur mit Luft oder Stickstoff nicht detektiert werden können, da die Strömungsquerschnitte nur im Betrieb unter Einfluss der Betriebstemperatur entstehen bzw. größer werden. Das führt, abhängig von dem betroffenen Bauteil, zu Funktionsstörungen im Fahrzeug. Meistens sind diese Komponenten große Gussbauteile am Motor, wie Zylinderkopf und Kurbelgehäuse. In diesem Fall ist die Instandsetzung des Motors mit sehr großem Aufwand und Kosten verbunden.A fundamental problem with a conventional leak test is that the components with micro-casting defects cannot be detected with air or nitrogen at ambient temperature, since the flow cross-sections only arise or become larger during operation under the influence of the operating temperature. Depending on the affected component, this leads to malfunctions in the vehicle. Most often, these components are large cast parts on the engine, such as the cylinder head and crankcase. In this case, the repair of the engine is associated with a great deal of effort and expense.

Die konventionellen Dichtheitsprüfmethoden wie Druckmessung (Differenzdruckverfahren) oder Durchflussmessung (Volumendurchflussverfahren) sind in solchen Fällen mit großen Streuungen der Messwerte verbunden. Daraus resultiert, dass jedes Bauteil nach der spanenden Bearbeitung auf mindestens 90°C erwärmt werden muss, um eindeutige Ergebnisse wie im Betrieb liefern zu können. Ebenso muss die Dichtigkeit der angepassten Vorrichtung sichergestellt sein, da sonst die Vergleichbarkeit nicht gewährleistet ist.In such cases, the conventional leak testing methods such as pressure measurement (differential pressure method) or flow measurement (volume flow method) are associated with large scattering of the measured values. As a result, each component must be heated to at least 90°C after machining in order to be able to deliver clear results as in operation. The tightness of the adapted device must also be ensured, otherwise comparability cannot be guaranteed.

In der DE 101 40 222 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit eines Motorblocks oder eines Zylinderkopfes einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Dort wird der kolbenlose Zylinderraum oder der Brennraum des vom Motorblock entfernten Zylinderkopfes gasdicht abgedichtet. In mindestens einen Kühlkanal des Motorblocks bzw. des Zylinderkopfes wird Heliumgas eingeleitet. Mit Hilfe einer Vakuumpumpe wird im abgedichteten Raum ein Unterdruck erzeugt. Mittels eines an den Ansaugweg angeschlossenen Heliumsensors wird festgestellt, ob sich im Ansaugweg Helium befindet. Darüber hinaus sind auch aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2006 017 958 A1 , DE 10 2005 027 023 A1 und der DE 10 2004 028 875 A1 Verfahren zur Dichtheitsprüfung von Prüfobjekten bekannt.In the DE 101 40 222 A1 describes a method for testing the tightness of an engine block or a cylinder head of an internal combustion engine. There, the piston-free cylinder chamber or the combustion chamber of the cylinder head removed from the engine block is sealed gas-tight. Helium gas is introduced into at least one cooling channel of the engine block or cylinder head. A vacuum is created in the sealed room with the help of a vacuum pump. A helium sensor connected to the intake path is used to determine whether there is helium in the intake path. In addition are also from the German disclosure documents DE 10 2006 017 958 A1 , DE 10 2005 027 023 A1 and the DE 10 2004 028 875 A1 Method for leak testing of test objects known.

Die Verbindungsleitung zum Heliumsensor ist über eine Dichtplatte nach außen geführt. Mit Hilfe einer Dichtplatte werden die freiliegenden Kanalabschnitte der Kühlkanäle im Motorblock bzw. im Zylinderkopf gleichermaßen abgedichtet.The connection line to the helium sensor is routed to the outside via a sealing plate. The exposed passage sections of the cooling passages in the engine block and in the cylinder head are equally sealed with the aid of a sealing plate.

Das Gas Helium ist grundsätzlich für die Dichtigkeitsprüfung geeignet. Nachteilig ist bei der Verwendung von Helium allerdings, dass dieses Gas eine relativ hohe Viskosität aufweist. Bei einem Gas relativ hoher Viskosität strömt weniger Gas durch ein Leck gegebener Geometrie als dies bei einem Gas niedrigerer Viskosität der Fall wäre.The gas helium is basically suitable for leak testing. The disadvantage of using helium, however, is that this gas has a relatively high viscosity. With a relatively high viscosity gas, less gas will flow through a leak of a given geometry than would a lower viscosity gas.

Nachgewiesen wird das Gas zur Dichtheitsprüfung im sogenannten Schnüffeltest. Bei diesem wird der Prüfgegenstand mit einem Prüfgas befüllt. Das durch Leckagen austretende Prüfgas wird durch eine manuell geführte oder fest installierte Schnüffelsonde nachgewiesen und einem Detektor zugeführt. Die dominierenden Detektor-Typen sind Sektorfeld-Massenspektrometer oder Halbleitersensoren.The gas for leak testing is verified in the so-called sniffing test. In this case, the test object is filled with a test gas. The test gas escaping through leaks is detected by a manually operated or permanently installed sniffer probe and fed to a detector. The dominant detector types are sector field mass spectrometers or semiconductor sensors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kanals für Kühlflüssigkeiten, Kraftstoffe, Öle und dergleichen anzugeben, mit dem eine Undichtigkeit des Kanals besonders genau erfasst werden kann.The object of the present invention is to specify a method for testing the tightness of at least one duct for coolants, fuels, oils and the like arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, with which a leak in the duct can be detected particularly precisely.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe schlägt ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kühlkanals für Kühlflüssigkeit vor:

  • - Gasdichtes Abdichten des Kanals und Einleiten von Formiergas in den Kanal,
  • - Ermitteln mittels eines Sensors, ob sich im Brennraum oder Zylinderraum Formiergas befindet.
A first solution to this problem proposes a method for testing the tightness of at least one cooling channel for coolant arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine:
  • - Gas-tight sealing of the channel and introduction of forming gas into the channel,
  • - Using a sensor to determine whether there is forming gas in the combustion chamber or cylinder chamber.

Das besonders Vorteilhafte dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass es sich um ein realitätsnahes Verfahren handelt, da der Druck, wie im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, über das Prüfgas, konkret das Formiergas, im Kühlkanal aufgebracht wird, somit entsprechend dem Aufbringen des Drucks im Kühlkanal im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine über den Wasserkreislauf. Tritt Formiergas, ausgehend vom Kühlkanal, durch den Gusskörper des Zylinderkopfs bzw. Motorblocks hindurch nach außen, kann das Formiergas dort detektiert werden, beispielsweise mittels des beschriebenen Schnüffeltests bzw. des in diesem Zusammenhang Verwendung findenden Detektors. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit das Gussbauteil präzise auf Mikrogussfehler geprüft werden.The particular advantage of this method can be seen in the fact that it is a realistic method, since the pressure, as in the operation of the internal combustion engine, is applied via the test gas, specifically the forming gas, in the cooling channel, thus corresponding to the application of the pressure in the cooling channel during operation of the internal combustion engine via the water cycle. If forming gas, starting from the cooling duct, exits through the cast body of the cylinder head or engine block, the forming gas can be detected there, for example by means of the sniffing test described or the combination thereof hang used detector. With the method according to the invention, the cast component can thus be checked precisely for micro-casting defects.

Formiergas ist ein Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff. Es besitzt gegenüber Helium eine geringere Viskosität; diese ist etwa 10 % niedriger als die von Helium. Dadurch strömt durch ein Leck gegebene Geometrie mehr Formiergas als Helium. Eine Undichtigkeit des Kühlsystems bzw. des Kühlkanals kann demzufolge mittels Formiergas besonders genau erfasst werden.Forming gas is a gas mixture of nitrogen and hydrogen. It has a lower viscosity than helium; this is about 10% lower than that of helium. As a result, more forming gas than helium flows through a given geometry of a leak. A leak in the cooling system or in the cooling channel can therefore be detected particularly precisely by means of forming gas.

Vorzugsweise weist das Formiergas ein Gemisch aus Stickstoff und weniger als 5,5 % Wasserstoff auf. Bis zu diesem Wasserstoffanteil sind Formiergase ungiftig. Insbesondere beträgt der Wasserstoffanteil 5 %.The forming gas preferably comprises a mixture of nitrogen and less than 5.5% hydrogen. Up to this hydrogen content, forming gases are non-toxic. In particular, the hydrogen content is 5%.

Der Prüfdruck des Formiergases beträgt mindestens 2 bar. Allerdings kann auch ein deutlich höherer Abdichtdruck gewählt werden, der sich am maximalen Druck der Kühlflüssigkeit, konkret des Kühlwassers im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, orientiert. Der Druck kann insbesondere 7 bar betragen.The test pressure of the forming gas is at least 2 bar. However, a significantly higher sealing pressure can also be selected, which is based on the maximum pressure of the cooling liquid, specifically the cooling water, during operation of the internal combustion engine. The pressure can be in particular 7 bar.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gemäß einer zweiten Lösung durch ein Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kühlkanals für Kühlflüssigkeit, wobei der Kühlkanal benachbart einem Brennraum oder Zylinderraum angeordnet ist, gelöst, mit folgenden Merkmalen:

  • - Gasdichtes Abdichten des Brennraums oder des Zylinderraums und Einleiten von Formiergas in den Brennraum oder den Zylinderraum,
  • - Ermitteln mittels eines Sensors, ob sich im Kühlkanal Formiergas befindet.
The object on which the invention is based is achieved according to a second solution by a method for testing the tightness of at least one cooling channel for coolant arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, the cooling channel being arranged adjacent to a combustion chamber or cylinder chamber, with the following features:
  • - Gas-tight sealing of the combustion chamber or the cylinder chamber and introduction of forming gas into the combustion chamber or the cylinder chamber,
  • - Using a sensor to determine whether there is forming gas in the cooling channel.

Die genannte zweite Lösung unterscheidet sich von der genannten ersten Lösung dadurch, dass bei der zweiten Lösung die Strömungsrichtung des Formiergases bei einer Undichtigkeit des Gussbauteils, somit des Zylinderkopfes bzw. Motorblocks entgegengesetzt der Strömungsrichtung des Formiergases bei der ersten Lösung ist. Bei der zweiten Lösung wird demzufolge der Brennraum oder der Zylinderraum gasdicht abgedichtet, so dass dann, wenn Formiergas in den Brennraum oder den Zylinderraum eingeleitet wird und eine Undichtigkeit des Gussbauteils in der Wandung des Kühlkanals vorhanden ist, das Formiergas in den Kühlkanal hineinströmt; im Unterschied zu der ersten Lösung, bei dem bei Undichtigkeit das Formiergas aus dem Kühlkanal durch die undichte Kühlkanalwandung ausströmt.Said second solution differs from said first solution in that in the second solution the direction of flow of the forming gas is opposite to the direction of flow of the forming gas in the case of a leak in the cast component, i.e. the cylinder head or engine block. In the second solution, the combustion chamber or the cylinder chamber is therefore sealed gas-tight, so that when forming gas is introduced into the combustion chamber or the cylinder chamber and there is a leak in the cast component in the wall of the cooling duct, the forming gas flows into the cooling duct; in contrast to the first solution, in which the forming gas flows out of the cooling channel through the leaky cooling channel wall in the event of a leak.

Abgesehen von diesem grundsätzlichen Unterschied der beiden aufgezeigten Lösungen gelten die vorbeschriebenen Weiterbildungen der ersten Lösung entsprechend für die zweite Lösung.Apart from this fundamental difference between the two solutions shown, the developments described above for the first solution apply accordingly to the second solution.

In der Praxis werden Zylinderkopf und Motorblock einzeln auf Dichtigkeit des jeweiligen Gussbauteils bezüglich Mikrogussfehler nach der spanenden Bearbeitung geprüft. Da sowohl der Zylinderkopf als auch der Motorblock auf den einander zugewandten Seiten Austrittsbereiche der Kühlkanäle des Kühlsystems besitzen, ist gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der jeweilige Austrittsbereich mittels einer mit dem Zylinderkopf oder dem Motorblock verschraubten Dichtplatte gasdicht abgedichtet wird.In practice, the cylinder head and engine block are individually checked for leaks in the respective cast component with regard to micro-casting defects after machining. Since both the cylinder head and the engine block have outlet areas of the cooling ducts of the cooling system on the sides facing one another, a further development of the method provides that the respective outlet area is sealed gas-tight by means of a sealing plate screwed to the cylinder head or the engine block.

Bei der ersten Lösung, bei der sich Formiergas unter Druck im Kühlkanal befindet, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Formiergas durch eine Entlüftungsbohrung des Kühlkanals eingeleitet wird. Bei der zweiten Lösung, unter dem Aspekt des Zylinderkopfes, bei der sich Formiergas unter Druck im Brennraum des Zylinderkopfes befindet, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mit dem Brennraum ein Zündkerzenschacht des Zylinderkopfes in Verbindung steht, und das Formiergas durch den Zündkerzenschacht in den Brennraum eingeleitet wird.In the first solution, in which the forming gas is under pressure in the cooling channel, it is considered advantageous if the forming gas is introduced through a vent hole in the cooling channel. In the second solution, from the point of view of the cylinder head, in which the forming gas is under pressure in the combustion chamber of the cylinder head, it is considered advantageous if a spark plug well of the cylinder head is connected to the combustion chamber and the forming gas flows through the spark plug well into the combustion chamber is initiated.

Ob sich in Folge Undichtigkeit im Brennraum oder im Kühlkanal Formiergas befindet, wird insbesondere durch einen Sensor ermittelt, der an dem mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Zündkerzenschacht des Zylinderkopfs oder in die Entlüftungsbohrung des Kühlkanals angebracht ist.Whether there is a leak in the combustion chamber or in the cooling channel is determined in particular by a sensor that is attached to the spark plug shaft of the cylinder head that is connected to the combustion chamber or in the ventilation bore of the cooling channel.

Bevorzugt wird somit Formiergas in den Kühlkreislauf - Wasserkreislauf - des Zylinderkopfes eingebracht und mit dem sogenannten Schnüffler der Zündkerzenschacht bzw. die Zündkerzenschächte des Zylinderkopfes auf Austreten des Formiergases abgesucht. Alternativ wird in den jeweiligen Zündkerzenschacht und damit den zugeordneten Brennraum Formiergas eingebracht und mit dem Schnüffler der jeweilige Kühlkanal auf Austreten des Formiergas abgesucht. Die Leckagen werden durch die Formiergasprüfung in [ppm] erfasst. Bei den beiden aufgezeigten Lösungen ändert sich nur die Richtung des Drucks, nicht aber das Prinzip.Forming gas is thus preferably introduced into the cooling circuit—water circuit—of the cylinder head and the spark plug well or the spark plug wells of the cylinder head are searched for the escape of forming gas with the so-called sniffer. Alternatively, forming gas is introduced into the respective spark plug shaft and thus the associated combustion chamber and the respective cooling channel is searched for the escape of forming gas with the sniffer. The leaks are recorded by the forming gas test in [ppm]. With the two solutions shown, only the direction of the pressure changes, but not the principle.

Claims (7)

Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kühlkanals für Kühlflüssigkeit, wobei der Kanal benachbart einem Brennraum oder Zylinderraum angeordnet ist, mit folgenden Merkmalen: - Gasdichtes Abdichten des Kühlkanals und Einleiten von Formiergas in den Kühlkanal, - Ermitteln mittels eines Sensors, ob sich im Brennraum oder Zylinderraum Formiergas befindet.Method for testing the tightness of at least one cooling duct for coolant arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, the duct being arranged adjacent to a combustion chamber or cylinder chamber, with the following features: gas-tight sealing of the cooling duct and inlet th of forming gas into the cooling channel, - Determining by means of a sensor whether there is forming gas in the combustion chamber or cylinder chamber. Verfahren zur Prüfung der Dichtheit mindestens eines in einem Zylinderkopf oder einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Kühlkanals für Kühlflüssigkeit, wobei der Kühlkanal benachbart einem Brennraum oder Zylinderraum angeordnet ist, mit folgenden Merkmalen: - Gasdichtes Abdichten des Brennraumes oder des Zylinderraums und Einleiten von Formiergas in den Brennraum oder den Zylinderraum, - Ermitteln mittels eines Sensors, ob sich im Kühlkanal Formiergas befindet.Method for testing the tightness of at least one cooling channel for coolant arranged in a cylinder head or an engine block of an internal combustion engine, the cooling channel being arranged adjacent to a combustion chamber or cylinder chamber, having the following features: - Gas-tight sealing of the combustion chamber or the cylinder chamber and introduction of forming gas into the combustion chamber or the cylinder chamber, - Using a sensor to determine whether there is forming gas in the cooling channel. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein motorblockseitiger Austrittsbereich des Kühlkanals des Zylinderkopfes oder ein zylinderkopfseitiger Austrittsbereich des Kühlkanals des Motorblocks mittels einer mit dem Zylinderkopf oder Motorblock verschraubten Dichtplatte gasdicht abgedichtet wird.procedure after claim 1 or 2 An outlet area of the cooling channel of the cylinder head on the engine block side or an outlet area of the cooling channel of the engine block on the cylinder head side is sealed gas-tight by means of a sealing plate screwed to the cylinder head or engine block. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Formiergas durch eine Entlüftungsbohrung des Kühlkanals oder einen mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Zündkerzenschacht des Zylinderkopfs eingeleitet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , wherein the forming gas is introduced through a ventilation hole in the cooling channel or through a spark plug shaft in the cylinder head that is connected to the combustion chamber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ermitteln, ob sich in Folge Undichtigkeit im Brennraum oder im Kühlkanal Formiergas befindet, durch einen Sensor erfolgt, der in einen mit dem Brennraum in Verbindung stehenden Zündkerzenschacht des Zylinderkopfs oder in eine Entlüftungsbohrung des Kühlkanals eingeschraubt ist.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , the determination of whether there is a leak in the combustion chamber or in the cooling duct forming gas being carried out by a sensor which is screwed into a spark plug shaft in the cylinder head which is connected to the combustion chamber or into a ventilation hole in the cooling duct. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abdichtdruck des Formiergases abhängig von dem Strömungsquerschnitt ausgewählt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , wherein the sealing pressure of the forming gas is selected depending on the flow cross section. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Formiergas ein Gemisch aus Stickstoff und weniger als 5,5 % Wasserstoff aufweist.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the forming gas comprises a mixture of nitrogen and less than 5.5% hydrogen.
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