AT500902A2 - Messeinrichtung zur detektion von anrissen in thermisch kritischen bereichen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Detektion von Anrissen in thermisch kritischen Bereichen einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Ventilstegen, mittels eines Ultraschallsensors, sowie ein Verfahren zur Detektion von Anrissen in thermisch kritischen Bereichen einer Brennkraftmaschine mittels eines Ultraschallsensors mit einer Messeinrichtung.
Es ist bekannt, dass Risse an Bauteilen mittels Ultraschall detektiert werden können. Um Risse in thermisch hoch belasteten Bereichen, beispielsweise im Bereich der Ventilstege eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine feststellen und messen zu können, sind aber in den meisten Fällen zeitaufwendige Demontagearbeiten erforderlich.

   Risse werden dabei oft nicht rechtzeitig erkannt, so dass diese mitunter sich bis zum Wassermantel wachsen, und zu einem Motorausfall führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Rissmessung von thermisch kritischen Bereichen, insbesondere der Ventilstege, in kurzer Zeit durchführen zu können. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, Risse rechtzeitig festzustellen, bevor diese zu Motorausfällen führen können.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Messeinrichtung eine Sonde aufweist, welche in eine Bohrung, vorzugsweise eine Injektorbohrung eines Zylinderkopfes, eingeführt ist, wobei die Sonde einen vorzugsweise als Hülse ausgebildeten Sensorhalter zur Aufnahme des Ultraschallsensors aufweist, welche mit zumindest einer Messöffnung versehen ist.

   Dabei ist vorgesehen, dass die Sonde in eine Injektorbohrung (Düsenloch) eines Zylinderkopfes eingeführt wird und dass Ultraschallquellen über eine vorzugsweise seitlich im Sensorhalter angeordnetes Messfenster in den thermisch kritischen Bereich ausgestrahlt und empfangen werden, wobei vorzugsweise die Ultraschallwellen mittels einer Umlenkeinrichtung - bezogen auf den Sensorhalter - von axialer Richtung in eine radiale Richtung umgelenkt werden.
Die Messöffnung kann durch ein in der Mantelfläche des Sensorhalters angeordnetes Fenster gebildet sein.
Um die Qualität der Messung zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn der Sensorhalter in einer fest mit dem Zylinderkopf verbundenen Montagehülse axial verschiebbar und/oder verdrehbar eingesetzt ist. Die Montagehülse wird durch eine Klemmeinrichtung mit dem Zylinderkopf verbunden.

   Dadurch, dass der Sensorhalter in der Montagehülse verschieb- und drehbar gelagert ist, kann die Abtastung durch Ultraschall in einem zylindrischen Koordinatensystem erfolgen. Dies verbessert die Aussagequalität wesentlich und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass auch schräg stehende Anrisse entdeckt werden.
Um Messungen in kurzer Zeit durchführen zu können und Fehlerquellen möglichst auszuschliessen, ist es vorteilhaft, die Messung zu automatisieren. Zur Realisierung einer automatisierten Messung kann die Sonde mit zumindest einer Traversiervorrichtung verbunden sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in zumindest zwei Bewegungsachsen der Sonde je eine Traversiervorrichtung vorgesehen ist.
Die Ausführung als in eine in die Injektorbohrung eingeschobene DüsenlochSonde erlaubt die Kontrolle der kritischen Bereiche an der zusammengebauten Brennkraftmaschine.

   Lediglich die Injektoren müssen zur Messung entfernt werden. Der Sensor sendet dabei Ultraschallimpulse aus und detektiert die von Störungen reflektierten Echos. Dadurch lassen sich sehr früh und schnell Risse erkennen, bevor die Risse zum Beispiel sich bis zum Wassermantel ausbreiten können und zu einem Motorausfall führen können. Vor allem bei Serienanlauf können so wertvolle Aussagen über die tatsächliche Zuverlässigkeit der Komponente gewonnen werden.
Um gute und wiederholbare Messergebnisse zu erhalten, wird als Ultraschallsensor ein Eintauchfühler (Immerisionssensor) verwendet. Derartige Ultraschallsensoren sind von einem Koppelmedium, beispielsweise Wasser oder Dieselöl, umgeben. Die Ultraschallwelle läuft dabei zuerst im Koppelmedium und tritt nach Spiegelung der Welle an der Umlenkeinrichtung - in das Messobjekt ein.

   Die Spiegelung kann durch eine Metallfläche der Umlenkeinrichtung erfolgen.
Der Sensorhalter ist zumindest teilweise mit dem Koppelmedium gefüllt. Dadurch, dass der Sensorhalter von der Montagehülse umgeben ist, und beim Herausziehen des Sensorhalters dieser beispielsweise durch einen O-Ring gegenüber der Montagehülse abgedichtet ist, wird vermieden, dass das Koppelmedium in den Brennraum fliesst.
Durch Wahl des Winkels und der Kontur der Spiegelfläche der Umlenkeinrichtung kann die Messeinrichtung an den jeweiligen Einsatzfall und den verwendeten Ultraschallstrahlsensor angepasst werden.
In einer besonders kompakten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ultraschallsensor innerhalb des Sensorhalters angeordnet ist. Diese Ausbildung eignet sich besonders bei Leichtmetalizylinderköpfen.

   Zur Detektion von Rissen in Leichtmetalizylinderköpfen, beispielsweise Aluminium-Zylinderköpfen, genügen schon kleine Schallleistungen. Der Sensor kann in die Sonde integriert sein. Zur Detektion von Rissen in Graugusszylinderköpfen können höhere Schallleistungen mit grösseren Ultraschallsensoren erforderlich sein. In diesem Fall wird der Ultraschallsensor auf dem Sensorhalter angeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemässe Messeinrichtung in einem Längsschnitt und Fig. 2 diese Messeinrichtung in einer Detailansicht.
In einer Injektorbohrung 1 eines Zylinderkopfes 2 einer Brennkraftmaschine ist die Sonde 3 einer Messeinrichtung 4 eingeführt. Die Messeinrichtung 4 weist eine Montagehülse 5 auf, welche als Führung für die Sonde 3 dient.

   Die Montagehülse 5 ist in der Injektorbohrung 1 analog zu einem Injektor befestigt, beispielsweise eingeklemmt.
Innerhalb der Montagehülse 5 ist der Sensorhalter 6 mit dem Ultraschallsensor 10 verschieb- und/oder verdrehbar gelagert. Der Sensorhalter ist zumindest teilweise mit einem Koppelmedium gefüllt, wobei der Ultraschallsensor 10 vom Koppelmedium bedeckt ist. Das Koppelmedium kann beispielsweise Wasser oder Dieselöl sein.

   Der Ultraschallsensor 10 ist innerhalb des Sensorhalters 6 angeordnet oder auf diesen aufgesetzt.
Die Sonde 3 ist mit zumindest einer durch ein Fenster in der Mantelfläche des Sensorhalters 5 gebildeten Messöffnung 7 versehen, durch welche die Ultraschallwellen 8 in den zu messenden Bauteil, im vorliegenden Fall den Zylinderkopf 2, immitiert und wieder empfangen werden.
Mit Bezugszeichen 11 ist in Fig. 2 ein Entlüftungskanal bezeichnet.
Der Entlüftungskanal 11 dient dazu, um Probleme mit der Bildung von Gasblasen zu vermeiden. Durch den Entlüftungskanal 11 kann die Montagehülse 5 über nicht weiter dargestellte Leitungen unter kontrollierten Druck gespült werden. Um das Koppelmedium nicht in den Brennraum zu verlieren, kann der Sensorhalter 6 in die Montagehülse 5 zurückgezogen werden.

   Diese weist dazu den selben Innendurchmesser auf, wie die Injektorbohrung 1.
Der Ultraschallsensor 10 ist als Immersionssensor ausgebildet. Die Ultraschallwelle 8 läuft dabei zuerst in der Koppelflüssigkeit und tritt danach über die Umlenkeinrichtung 9 in das Messobjekt ein.
Die Ultraschallwellen 8 des Ultraschallsensors 10 treten leicht nach unten geneigt aus, um möglichst die Risswurzel des Risses 12 zu treffen. Die Winkel [alpha] zwischen der Mittellinie 8a des Strahles der Ultraschallwellen 8 und der Mittelachse 3a der Sonde 3 ist grösser 0[deg.]. Eine Aussage über die Risstiefe wird eventuell durch Zurückziehen der Sonde 3 möglich.
Um die Messungen in kurzer Zeit durchführen zu können und Fehlerquellen möglichst auszuschliessen, kann diese automatisiert werden.

   Dazu kann die Sonde 3 mit zumindest einer Traversiereinrichtung verbunden werden, welche vorzugsweise eine rotatorische Bewegung der Sonde 3 ausführen kann.

Claims (10)

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Messeinrichtung (4) zur Detektion von Anrissen (12) in thermisch kritischen Bereichen einer Brennkraftmaschine, insbesondere in Ventilstegen, mittels eines Ultraschallsensors (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) eine Sonde (3) aufweist, welche in eine Bohrung, vorzugsweise eine Injektorbohrung (1) eines Zylinderkopfes (2), eingeführt ist, wobei die Sonde (3) einen vorzugsweise als Hülse ausgebildeten Sensorhalter (6) zur Aufnahme des Ultraschallsensors (10) aufweist, und die Sonde (3) mit zumindest einer Messöffnung (7) versehen ist.

2. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkeinrichtung (9) vorzugsweise im Bereich der Messöffnung (7) vorgesehen ist.

3. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messöffnung (7) durch ein in der Mantelfläche der Sonde (3) angeordnetes Fenster gebildet ist.

4. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorhalter (6) in einer fest mit dem Zylinderkopf (2) verbundenen Montagehülse (5) axial verschiebbar und/oder verdrehbar eingesetzt ist.

5. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorhalter (6) zumindest teilweise mit einem Koppelmedium gefüllt ist, wobei der Ultraschallsensor (10) vom Koppelmedium bedeckt ist.

6. Messeinrichtung (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmedium durch Wasser oder Dieselöl gebildet ist.

7. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (10) innerhalb des Sensorhalters (6) angeordnet ist.

8. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallsensor (10) auf den Sensorhalter (6) aufgesetzt ist.

9. Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (3) mit zumindest einer Traversiereinrichtung verbunden ist, wobei vorzugsweise in zumindest zwei Bewegungsachsen der Sonde (3) jeweils eine Traversiereinrichtung vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Detektion von Anrissen in thermisch kritischen Bereichen einer Brennkraftmaschine mittels einer Messeinrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonde (3) mit einem Ultraschallsensor (10) in eine Injektorbohrung (1) eines Zylinderkopfes (2) eingeführt wird und dass Ultraschallwellen (8) über eine vorzugsweise seitlich in der Sonde (3) angeordnetes Messfenster (7) in den thermisch kritischen Bereich ausgestrahlt und empfangen werden, wobei vorzugsweise die Ultraschallwellen (8) mittels einer Umlenkeinrichtung (9) bezogen auf die Sonde (3) - von axialer Richtung in eine radiale Richtung umgelenkt werden.

2005 12 13 Fu/Sc <EMI ID=6.1> Dip-Ing.

A- Wien, N,r!ä i!f.?r Gürte! 39/17 Tel.[Lambda]Hss 1 ) m m 23-C Fax: ( 51) 89289333 e-mail: oatt>rttbsb&l[alpha]k.at <EMI ID=6.1>