DD297246A5

DD297246A5 - Pruefstand zur feststellung der mechanischen ermuedung von motorzylinderkoepfen

Info

Publication number: DD297246A5
Application number: DD90343600A
Authority: DD
Inventors: Daniel Cofflard; Maurice Bouvier; Bernard Engler
Original assignee: K
Priority date: 1989-08-29
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1992-01-02
Also published as: FI101748B; GR3007759T3; IE903115A1; FI904249A0; CA2023844A1; EP0415857B1; ES2040096T3; NO180604B; DE69001469T2; KR950013301B1; DK0415857T3; FR2651319A1; CA2023844C; IE65526B1; EP0415857A1; NO903767L; FI101748B1; ATE88811T1; JPH0392744A; PT95129A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pruefstand zur Feststellung der Ermuedung der Zylinderkoepfe von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen. Dieser Stand umfaszt die folgenden Hauptbestandteile:{Pruefstand; Motorzylinderkoepfe; mechanische Ermuedung; Verbrennungsmotoren; Kraftfahrzeuge}

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand zur Feststellung der mechanischen Ermüdung der Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen.

Der Wettlauf um Kraft und Leistung bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugmotoren führt dazu, daß die Zylinderköpfe immer härteren thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt werden. Diese Belastungen bewirken im Zylinderkopf zwei Arten von Brüchen:

- erstens Brüche thermischen Ursprungs in Form von Rissen im Brennraum;

- zweitens Brüche mechanischen Ursprungs in Form von Rissen In der Wasserkammer.

Dieses zweite Problem wird derzeit nur durch empirische Veränderungen der Form des Zylinderkopfes und der Zusammensetzung der den Zylinderkopf bildenden Legierung gelöst, die den Belastungen erfahrungsgemäß am besten standhalten. Die Wirksamkeit der Formveränderungen muß auf dem Prüfstand nachgewiesen werden. Dieser Vorging ist in seiner Ausführung schwierig, kostenaufwendig und langwierig. Gebraucht wurde also eine Anlage, mit der der Zylinderkopf allein schnell und wiederholbar geprüft werden kann. Der erfindungsgemäße Prüfstand wird diesem Problem gerecht.

Dor Stand umfaßt die folgenden Hauptbestandteile:

- eine mechanische Vorrichtung, mit der der untersuchte Zylinderkopf mittels eines Verbindungsteiles an den hydraulischen Vorrichtungen für die Druckausübung In den Brennräumen und den Umlaufkammern der (oder des) flüssigen Kühlmittel(s) in den Wasserkammern befestigt werden kann;

- eine druckerzeugende Vorrichtung, die so wirklichkeitsnah wie möglich den Druckzyklur in Abhängigkeit vom Arbeitstakt in den Brennräumen auf wiederholbare Weise simuliert;

- ein Umlaufsystem der flüssigen Kühlmittel in den Wasserkammern mit zwei unterschiedlichen Kreisläufen, einer bei Umgebungstemperatur, der andere bei einer höheren Temperatur (die beispielsweise bis zu 18O⁰C betragen kann), wobei beide Kreisläufe entsprechend einem programmierten Zyklus abwechselnd verwendbar sind.

Genauer gesagt wird der betreffende Zylinderkopf auf herkömmliche Art auf einem parallelepipedischen Verbindungsteil

befestigt, das an einer seiner Seiten an den Zylinderkopf passend (Durchmesserabstand der Zylinder, Einlauf und Austritt des

Wasserumlaufs, Aufnahme der Befestigungsschrauben usw.) unH jn seinen anderen Seiten an den Hydraulikbasisblock und an

die Verteilung der Kühlflüssigkeiten passend bearbeitet ist. Die Befestigung erfolgt durch Schrauben, und die Abdichtung wirddurch eine herkömmliche Zylinderkopfdichtung, wie sie beim klassischen Motor Verwendung findet, gewährleistet. Dabei ist zuorwähnen, daß der Zylinderkopf mit seinen Ventilen ausgestattet bleibt, die sich alle in geschlossener Stellung befinden.

Der Hydraulikbasisblock umfaßt eine ebene Fläche zur Anpassung an das Verbindungsteil und eine druckerzeugende

hydraulische Vorrichtung (Einspritzpumpe).

Die Befestigung des Verbindungsteile am Hydraulikbasisblock wird allgemein durch Schrauben gewährleistet und die Abdichtung durch Ringdichtungen erzielt. Die hydra'ilische Vorrichtung umfaßt insbesondere:

- einen Zufuhrbehälter, der mit einer Flüssigkeitsstandsonde versehen ist;

- eine Förderpumpe;

- ein Einlaßventil in der Einspritzpumpe;

- Einspritzpumpen, die jeweils durch einen Nucken bewegt werden, der den Hub des Pumpenkolbens vorgibt;

- Ventile zur Einstellung des maximalen relativen Drucks zwischen 2 und 20MPa und des Druckgradienten bei der Abwärtsbewegung;

- Prüfkammern mit veränderlichem Rauminhalt, der vor dem Versuch eingestellt werden kann, um den Druckanstiegsgradienten zwischen etwa 5 und 10MPa/ms zu prüfen;

- d.'ie Entleerungsvorrichtung in jedem Einspritzkolben, um die Druckminderung in der Phase des abfallenden Drucks zu verbessern;

- eine Verdichtungsflüssigkeit, im allgemeinen öl

Sie wird durch Nebenvorrichtungen ergänzt, z.B. durch

- eine Ablaßöffnung im oberen Teil des Zylinderkopfes, die die anfängliche Entlüftung ermöglicht; dieser Entlüftungskreislauf ist in der Ausgangseinspritzdüse angeordnet (kalibrierter Durchmesser 0,3mm).

Sie bleibt ständig offen, so daß kontinuierlich eine kleine Menge entweicht;

- einen Wärmeaustauscher, der die Kühlung der Verdichtungsflüssigkeit ermöglicht;

- einen Druckmesser, mit dem die Druckveränderung h Abhängigkeit vom Arbeitstakt geprüft werden kann.

Die Steuernocken der Einspritzpumpen (so viele wie Motorzylinder vorhanden sind) sind bezogen auf ihre Achse symmetrisch

und um 45° versetzt, um die herkömmliche Zündfolge der Zylinder (zum Beispiel 1,3,4,2 bei einem Vier-Zylinder-Motor)nachzugestalten.

Die Verteilung der flüssigen Kühlmittel erfolgt in zwei Kreisläufen, die gebildet werden durch

- zwei Behälter für 'lüssige Kühlmittel, der eine für Umgebungstemperatur, der andere mit Mitteln zum Erwärmen und zur Temperaturregulierung ausgestattet;

- Umlaufpumpen;

- eine Verteilervorrichtung, mit der das Verbindungsteil und der Zylinderkopf an den einen oder den anderen Kreislauf angeschlossen werden können;

- Rohrleitungen, die zu dem (den) Behälter(n) zurückführen.

Diese Vorrichtung wird durch Klappen und Pumpenkörbe am unteren Ende in den Behältern, einen Wärmeaustauscher im

„Kalf-Behälter und geeichte Sicherheitsablaßventile ergänzt. Die Verteilervorrichtung besteht zum Beispiel aus

Membranventilen, die ihrerseits von programmierbaren Magnetventilen gesteuert werden. Der Zyklus, dessen Dauer für jeden der Kreisläufe einstellbar ist, ist größer oder gleich 3min (was deutlich dem Erreichen des

thermischen Gleichgewichts des Testzylinderkopfes entspricht).

Die Erfindung wird verständlicher durch die nachfolgende Beschreibung, die mit den Figuren 1-4 illustriert wird Fig. 1: zeigt schematisch die Vorrichtung im Querschnitt. Fig. 2: zeigt schematisch den Kreislauf der Kühlflüssigkeiten. Fip. 3: zeigt einen Axialschnitt zweier Einspritzpumpen mit Kolben davon die eine (links) In oberer, die andere (rechts) in unterer

Position

Fig. 4: zeigt zur Information die Entwicklung des Druckes in Abhängigkeit von den Arbeitstakten in jeder der Brennkammern 1,2,3,4.

Der Testzylinderkopf 1, in dem ein Brennraum 2 schematisch dargestellt ist, wird nit seiner Unterseite auf einem Verbindungsteil 3 befestigt, wobei die Abdichtung durch eine (nicht dargestellte) Zylinderkopfdichtung gewährleistet ist. Das Verbindungsteil 3 durchqueren Kanäle 6, die über den Hydraulikbasisblock 4, ler ebenfalls von Kanälen 7a durchquert wird,

die Verbindung mit den Einspritzpumpen 5 herstellen.

Zu jeder Einspritzpumpe gehört ein Kolben 8, der über eine Rolle 11 von einem symmetrischen Nocken 9, der auf einer Antriebswelle montiert ist, gesteuert wird. Der Kolbenkopf 7 weist eine zentrale i.ylinderbohrung 12 auf, die über vier Kanäle 13 mit einer seitlichen Auskehlung 14 verbunden

ist. Bei Hochstellung des Kolbens steht diese mit den Öffnungen 15 des Mantels 16 und dem Rückflußkreislauf 17 in Verbindung.

Dor Hydraulikblock 4 umfaßt ein Zulaufventil 18 für die Verdlchtungsflüsslgkelt 26 und eine Kammer 19, deren Rauminhalt mit

einem Kolben 20 von angemessener Länge, einer Schraube 21 und einer Arrotlermutter 22 einstellbar ist.

Zu Ihm gehört weiterhin ein Druckbegrenzungsventil 23 bistabilen Typs (sein Schließdruck liegt deutlich unter seinem

öffnungsdruck, wodurch der Druckabfallsgradient (dp/dt) Im Verdichtungszyklus gesteuert werden kann), das zwischen 2 und20MPa einstellbar ist

37 stellt schematisch einen Druckmeßwertgeber dar.

Eine von einem (nicht dargestellten) Elektromotor angetriebene Pumpe 24 befördert die Verdichtungsflüssigkeit 25 mit 0,2MPa

in den hydraulischen Block. Diese Flüssigkeit kehrt dann nach Verdichtung auf den gewünschten Maximalwert In den Behälter 26

über das Rohr 27 nach öffnung des Ventils 23 und über die Rohre 27 und 17 durch den Kolben 8 der Einspritzpumpe 5 zurück.

Zur Vorrichtung gehören außerdem folgende Elemente:

- ein Wärmeaustausch 28 Verdichtungsflüssigkeit/Wasser;

- ein Pumpenkorb 29 und eine Klappe am unteren Ende 30;

- ein Filter 31;

- eine Ablaßöffnung 32 (tatsächlich in der Ausgangseinspritzdüse), die mit dem Rücklaufrohr 33 zum Behälter 26 verbunden ist und die anfängliche Entlüftung ermöglicht;

- ein Niveauregler 34 des Zufuhrbehälters;

- ein Schmierkreis 35,36 für den Fall, daß die Verdichtungsflüssigkeit 25 öl ist (Nocken und Unterteil des Kolbens der Einspritzpumpe arbeiten dann Im Ölbad).

Zum Kühlflüssigkeitenkreislauf gehören:

- zwei Behälter 4OF und 4OC für die Kühlflüssigkeiten 41F und 41C;

- zwei Umlaufpumpen 42F und 42C, die von Elektromotoren 53,54 angetrieben werden;

- Diese Pumpen sind mit dem Verbindungsteil 3 durch die Kanäle 43 F und 43C und ein Einlaß-(44) bzw. Auslaß-(45)steuerventil verbunden, welche den Zufluß der Flüssigkeit 41F oder der Flüssigkeit 41C in den untersuchten Zylinderkopf 1 ermöglic^uen. Die Kühlflüssigkeit kehrt über einen der beiden Kanäle 46F und 46C zu den Behältern zurück.

Der Behälter 4OF, In dem sich die Flüssigkeit mit Umgebungstemperatur befindet, ist mit einem Wärmeaustauscher 47

ausgerüstet.

Der Behälter 4OC mit der warmen Flüssigkeit ist mit Mitteln zur Erwärmung wie den Heizwiderständen 48 sowie (nicht

dargestellten) Vorrichtungen zur Temperaturregulierung ausgestattet.

In den Kreisläufen 43F bzw. 43C befinden sich geeichte Sicherheitsablaßventile 5OF und 5OC. Die Ventile 44 und 45 werden von Magnetventilen 51,52 gesteuert, deren Steuerung wiederum durch einen (nicht dargestellten) Zeitgebur erfolgt. Die Kühlflüssigkeit(en) 41C, 41F kann (können) nach Belieben gewählt werden, z. B. Öl, Wasser mit oder ohne Frostschutzmittel Das Ende des Versuchs wird wie folgt ermittelt:

- einerseits durch Anomalien in den Druckzyklen, z. B. Verringerung des Oruckpreoienten bei der Aufwärtsbewegung;

- andererseits durch ein Absinken des Flüssigkeitsstandes im Zufuhrbehältei, weil dann ein Teil der Verdichtungsflüssigkeit In den Kühlflüsslgkeitenkreislauf übertritt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet in vergleichsweise kurzer Zeit (die wesentlich unter den Zeiten liegt, die für Versuche auf Motorenprüfständen erforderlich sind):

- bei einem gegebenen Zylinderkopftyp die Bestimmung der bestgeeigneten Legierung (oder Legierungen);

- die Entwicklung neuer Legierungszusammensotzungen, die den immer härter werdenden Anforderungen an Kraftfahrzeugzylinderköpfe noch besser gerecht werden;

- das schnelle Testen neuer Zylinderkopfformen;

- vergleichende Untersuchungen zur Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Ermüdung.

Claims

1. Prüfstand zur Feststellung der mechanischen Ermüdung von Zylinderköpfen, bestehend aus:

- einer Vorrichtung zur Befestigung des Testzylinderkopfes (1) auf einem Zwischenverbindungsteil (3), wodurch er mit den hydraulischen Vorrichtungen für die Druckausübung (4,5) in den Brennräumen (2) und den Umlaufkammern der (oder des) flüssigen Kühlmittel(s) (41C, 41 F) verbunden wird;

- einer druckerzeugenden Vorrichtung (5), die so wirklichkeitsnah wie möglich den Druckzyklus in ' Abhängigkeit vom Arbeitstakt in den Brennräumen auf wlederhulbare Weise simuliert;

- ein Umlaufsystem der flüssigen Kühlmittel in den Wasserkammern des Zylinderkopfes (1) mit zwei unterschiedlichen Kreisläufen, einer bei Umgebungstemperatur (F)₁ der andere bei höherer Temperatur (C), die beide abwechselnd mit Hilfe eines einstellbaren Zeitgebers, der den Betrieb des einen wie des anderen Kreislaufes steuert, verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichtungszyklus in jeder Brennkammer durch den Hub einer Einspritzpumpe (5), die durch eine Förderpumpe (24) gespeist wird, durch die Einstellung des Rauminhalts der Prüfkammer (19), durch die Einstellung des von dem bistabilen Druckbegrenzungsventil (23) erreichten Maximaldruckes und das Entleerungssystem (12,13,14) des Kolbens (8) bestimmt wird.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Flüssigkeit des Druckerzeugers (25) um Öl handelt.

3. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Rauminhalts der Prüfkammer (19) durch einen Kolben (20) gewährleistet wird.

4. Prüfstand nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckgradient bei der aufsteigenden Bewegung zwischen 5 und 10 MPa/ms variieren kann.

5. Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Maximaldruck zwischen 2 und 20 MPa einstellbar ist.

6. Prüfstand nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub jedes Kolbens (8) durch einen symmetrischen Nocken (9) vorgegeben wird.

7. Prüfstand nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Entleerungssystem eine axiale Bohrung (12) besitzt, die über Kanäle (13) mit einer seitlichen Auskehlung (14) in Verbindung steht, die sich bei Hochstellung des Kolbens (8) gegenüber den Öffnungen (15) des Mantels (16) befindet.

8. Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlaufsystem des flüssigen Kühlmittels zwei Flüssigkeitsbehälter (4OC, 40F), zwei Umlaufpumpen (42C, 42F)₁ zwei Ventile (44,45) und die Einlauf- und Rücklaufrohre (43 F, 43 C, 46 F und 46C) umfaßt, wobei der eine der Kreisläufe (F) Umgebungstemperatur, der andere (C) eine höhere Temperatur hat.

9. Prüfstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (44,45) durch Magnetventile (51,52) gesteuert werden, deren Steuerung wiederum durch einen einstellbaren Zeitgeber erfolgt.

10. Prüfstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Zeitgeber vorgegebene Zyklusdauer größer oder gleich 3 min ist.

11. Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen , Kühlmittel (41F, 41 C) Öl oder Wasser mit oder ohne Zusatz von Frostschutzmitteln sind.