DE102009008272A1 - Tribometer test rig for measuring friction and wear between cylinder carrier segment and e.g. fixed piston ring of internal-combustion engine, has heating element for heating cylinder carrier segment to defined surface temperature - Google Patents

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Abstract

The rig has a carriage (1) to which a cylinder carrier segment (4) is fastened. The carriage is movable back and forth between two reversal points with a defined stroke in an oscillating and translatory manner to move the cylinder carrier segment relative to a fixed piston ring or a piston ring segment. A heating element i.e. aluminum block, heats the carrier segment to a defined surface temperature. A heat insulating component is arranged between a base plate (2) of the carriage and the heating element. A support (3) is exactly positionable on the base plate by a fixed stop (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen Tribometerprüfstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a tribometer according to the preamble of claim 1

Durch Reibung wird ein beträchtlicher Anteil der dem Motor über den Kraftstoff zugeführten chemischen Energie auf dem Weg bis zur nutzbaren mechanischen Energie an der Kurbelwelle in Wärme umgewandelt. Diese Reibungsverluste betragen bei heutigen Verbrennungsmotoren bis zu 30% der zugeführten Energie. Derzeitig kann dieser Wärmeanteil nicht wieder zurück gewonnen werden und geht somit ungenutzt an die Umgebung verloren. Energiedissipation durch Reibung an den Laufbahnen wirkt sich direkt auf die Höhe des Kraftstoffverbrauchs und folglich auch auf den Ausstoß an Kohlendioxid aus. Die Reduzierung dieser hohen Reibungsverluste setzt innovative Ansätze voraus, um den CO2-Ausstoß der Fahrzeuge zu senken und damit den Motorwirkungsgrad zu erhöhen.By friction, a significant portion of the chemical energy supplied to the engine via the fuel is converted to heat on the way to usable mechanical energy at the crankshaft. These friction losses are up to 30% of the energy supplied in today's internal combustion engines. Currently, this amount of heat can not be recovered back and is thus lost to the environment unused. Energy dissipation due to friction on the raceways has a direct effect on the level of fuel consumption and consequently also on the emission of carbon dioxide. Reducing these high friction losses requires innovative approaches to reduce the CO 2 emissions of vehicles and thus increase engine efficiency.

Eine tribologische Optimierung der Reibstellen des kompletten Antriebsstrangs, insbesondere der Zylinderlaufbahnen, Zahnräder und Gleitlager, bietet demnach noch enorme Potenziale. Bis zu 50% der entstehenden Motorreibverluste werden im System „Kolbengruppe/Zylinderlaufbahn” verursacht. Die Kolbengruppe beinhaltet dabei den Kolben inklusive der Kolbenringe, den Kolbenbolzen und die Pleuelstange. Der Kolben überträgt in den verschiedenen Arbeitsspielen die Kräfte vom und auf das Arbeitsgas, führt die durch den Verbrennungsprozess und die Reibung entstandene Wärme ab, dichtet den Arbeitsraum ab und unterstützt die Ladungswechsel. Die Kolbenringe sind ein weiterer Bestandteil der Kolbengruppe. Sie haben die Aufgabe den Brenn- und den Kurbelraum gegeneinander abzudichten, den Schmierölhaushalt des Kolbens zu steuern und die durch den Verbrennungsprozess entstehende Wärme auf die Zylinderlaufbahn zu übertragen. Viertakt-Verbrennungsmotoren besitzen im Allgemeinen drei Kolbenringe, die sowohl abdichtende als auch ölabstreifende Funktionen übernehmen. Die Zylinderlaufbahn muss ein gewisses Ölrückhaltevolumen bereitstellen, einen geringen Reibungswiderstand bei der oszillierenden Kolbenbewegung gewährleisten, den Kolben führen und die entstandene Energie ableiten. Im System „Kolbengruppe/Zylinderlaufbahn” ist die Zylinderlaufbahn der Kontaktpartner der Kolbengruppe.A tribological optimization of the friction points of the complete drive train, in particular the cylinder liners, gears and bearings, offers therefore still enormous potential. Up to 50% of the resulting engine friction losses are caused in the system "piston group / cylinder bore". The Piston group contains the piston including the piston rings, the piston pin and the connecting rod. The piston transfers in the various working games the forces of and on the working gas, which leads through the combustion process and the friction generated heat seals the working space and supports the charge changes. The piston rings are another component of the piston group. You have the task to seal the combustion chamber and the crankcase against each other, the lubricating oil balance to control the piston and the resulting from the combustion process Transfer heat to the cylinder liner. Four-stroke internal combustion engines generally have three piston rings, which take over both sealing and Ölabstreifende functions. The cylinder liner must provide a certain volume of oil retention, a low frictional resistance in the oscillating piston movement ensure the piston and the resulting Derive energy. In the system "piston group / cylinder bore" is the cylinder bore of the contact partner of the piston group.

Bei einem aus der EP 0 959 340 A2 bekannten Tribometerprüfstand werden unter praxisnahen Bedingungen zwei Reibpartner getestet. Die Vorteile der Tribometeruntersuchungen liegen in der Erfassung der genauen Randbedingungen und im geringen Kostenaufwand der Versuchsdurchführung.At one of the EP 0 959 340 A2 known Tribometer test stand are tested under practical conditions two friction partners. The advantages of tribometer investigations are the detection of the exact boundary conditions and the low cost of the experiment.

Aufgabe der Erfindung ist es, den bekannten Tribometerprüfstand zu verbessern.task The invention is the well-known Tribometerprüfstand to improve.

Diese Aufgabe wird mit einem Tribometerprüfstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is with a Tribometer test with the features of claim 1.

Der erfindungsgemäße Tribometerprüfstand dient zum Messen von Reibung und Verschleiß zwischen einem Zylinderlaufbahnsegment und einem Kolbenring oder einem Kolbenringsegment einer Brennkraftmaschine. Dazu ist das Zylinderlaufbahnsegment auf einem Verfahrschlitten befestigt, der translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten mit einem definierten Hub oszillierend hin und her bewegbar ist, sodass sich das Zylinderlaufbahnsegment relativ zu dem feststehenden Kolbenring oder Kolbenringsegment bewegt. Das Zylinderlaufbahnsegment wird dabei über ein Heizelement geheizt, sodass es eine definierte Oberflächentemperatur aufweist. Damit werden auf dem Tribometerprüfstand zumindest teilweise die Bedingungen simuliert, die in einer Brennkraftmaschine herrschen. Die Zylinderlaufbahn weist aufgrund des Verbrennungsprozesses normalerweise stets eine erhöhte Temperatur auf. Diese erhöhte Temperatur kann nun über das Heizelement nachgestellt werden, sodass der Einfluss der Temperatur auf die Reibung und den Verschleiß zwischen dem Zylinderlaufbahnsegment und dem Kolbenring bei der tribometrischen Untersuchung erfasst wird.Of the tribometer according to the invention serves for measuring friction and wear between a cylinder track segment and a piston ring or a piston ring segment of an internal combustion engine. For this purpose, the cylinder path segment is on a carriage attached, translatorily between two reversal points with one defined stroke oscillating back and forth, so that the cylinder raceway segment relative to the fixed piston ring or piston ring segment moves. The cylinder path segment is heated by a heating element, so that it has a defined Surface temperature has. This will be on the tribometer test at least partially simulates the conditions in an internal combustion engine to rule. The cylinder bore is due to the combustion process usually always at an elevated temperature. These increased temperature can now be adjusted via the heating element so that the influence of temperature on the friction and the Wear between the cylinder raceway segment and the Piston ring is detected in the tribometric examination.

Der erfindungsgemäße Tribometerprüfstand stellt für die Entwicklung optimierter Laufbahntechnologien, -materialien und -beschichtungen aus der Sicht des Kosten- und Zeitaufwands die optimale Lösung dar. Allerdings sind die Versuchsergebnisse nicht 1:1 auf den realen und befeuerten Verbrennungsmotor übertragbar. Der Einfluss des Verbrennungsdrucks, der beispielsweise den Kolbenring während der Kolbenbewegung in seiner Lage verdreht sowie die Temperatur des zugeführten Schmiermittels werden im vorhandenen Prüfstand vernachlässigt. Eine Veränderung des vorliegenden Tribosystems tritt auch bei der Verwendung von Segmenten der Zylinderlaufbahn und des Kolbenrings anstatt der unzerspanten Originalbauteile, beispielsweise durch die veränderte Wärmeableitung, ein.Of the Tribometer according to the invention provides for the development of optimized career technologies, materials and coatings from the perspective of the cost and time required the optimal solution. However, the test results are not 1: 1 transferable to the real and fired internal combustion engine. The influence of combustion pressure, for example, the piston ring during the piston movement is twisted in position as well as the temperature of the supplied lubricant are neglected in the existing test stand. A change of the present tribosystem also occurs when using segments of the cylinder liner and the piston ring instead the undisguised original components, for example, by the changed Heat dissipation, a.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.Further advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellungsweise eine perspektivische Ansicht eines Verfahrschlittens eines Tribometerprüfstands.In The drawing is an embodiment of the invention illustrated, with reference to which the invention in more detail below is described. The single figure shows a schematic representation of a Perspective view of a carriage of a tribometer test bench.

In der Figur ist ein Verfahrschlitten 1 eines Tribometerprüfstands zum Messen von Reibung und Verschleiß zwischen einem Zylinderlaufbahnsegment 4 und einem Kolbenring einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Verfahrschlitten 1 weist eine Grundplatte 2 auf, auf der eine Aufnahme 3 gehalten ist. Das Zylinderlaufbahnsegment 4 ist auf die Aufnahme 3 aufgeklebt. Der Verfahrschlitten 1 mit dem Zylinderlaufbahnsegment 4 kann translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten mit einem definierten Hub oszillieren. Der Kolbenring befindet sich fest mit dem Prüfstand verbunden in einer definierten Lage dazu. Grundsätzlich ist bei der Durchführung zu erwarten, dass sich die gegenseitig beeinflussenden Gleitflächen während der Versuchsdauer bei konstantem Beanspruchungskollektiv vergrößern.In the figure is a carriage 1 a tribometer test bench for measuring friction and wear between a cylinder liner ment 4 and a piston ring of an internal combustion engine. The carriage 1 has a base plate 2 on, on the one shot 3 is held. The cylinder path segment 4 is on the recording 3 glued. The carriage 1 with the cylinder raceway segment 4 can translate between two reversal points with a defined stroke. The piston ring is firmly connected to the test stand in a defined position to it. In principle, during the implementation, it is to be expected that the interacting sliding surfaces increase during the test duration with a constant load collective.

Als Basis für den Prüfstand dient ein steifer und massiver Präzisionstisch, auf dem die Versuchsaufbauten befestigt werden. Zur Aufnahme des Kolbenrings dient ein massiver Halter. Der Halter selbst hat einerseits die Aufgabe, den Kolbenring aufzunehmen und andererseits die Kolbenringnormalkraft aufzubringen. Die Erzeugung dieser Kraft wird über verschiedene Gewichte realisiert.When Basis for the test bench serves a stiffer and massive precision table on which the experimental setups be attached. To accommodate the piston ring is a solid Holder. The holder itself has on the one hand the task of the piston ring and on the other hand apply the piston ring normal force. The generation of this force is over different weights realized.

Das Zylinderlaufbahnsegment 4 befindet sich auf dem Verfahrschlitten 1, welcher durch ein Verbindungsgelenk mit dem Hydropulszylinder (Antrieb) verbunden ist. Über eine Kugelbüchsenführung, welche die Aufgabe hat, alle Freiheitsgrade des Verfahrschlittens 1 bis auf die Bewegung in x-Richtung zu fixieren, wird die definierte translatorische Bewegung des Zylinderlaufbahnsegments 4 ermöglicht.The cylinder path segment 4 is on the carriage 1 , which is connected by a connecting joint with the hydropulse cylinder (drive). About a ball bushing, which has the task, all degrees of freedom of the carriage 1 is fixed to the movement in the x direction, the defined translational movement of the cylinder liner segment 4 allows.

Um das vorhandene System an das Tribosystem einer Brennkraftmaschine soweit wie möglich anzugleichen, wird die Oberfläche des Zylinderlaufbahnsegments 4 auf eine definierte Oberflächentemperatur erwärmt. Dazu befindet sich im Inneren der Grundplatte 2 ein Heizelement. Als Heizelement dient ein Aluminiumblock, der erwärmt wird. Es wird mittels federbelasteten und in der Höhe einstellbaren Druckstücken von unten an die Unterseite der Aufnahme 3 gedrückt. Somit kann ein optimaler Wärmeübergang vom Heizelement zum Zylinderlaufbahnsegment 4 erfolgen. Des Weiteren kann über ein Thermoelement die Temperatur des Aluminiumblocks erfasst werden. Zwischen dem Heizelement und den drei symmetrisch angeordneten Druckstücken befindet sich eine Isolierplatte, die die Erwärmung der Grundplatte 2 vermindern soll.In order to match the existing system to the tribosystem of an internal combustion engine as much as possible, the surface of the cylinder liner segment becomes 4 heated to a defined surface temperature. This is located inside the base plate 2 a heating element. The heating element is an aluminum block, which is heated. It is spring-loaded and adjustable in height pressure pieces from below to the bottom of the recording 3 pressed. Thus, an optimal heat transfer from the heating element to the cylinder raceway segment 4 respectively. Furthermore, the temperature of the aluminum block can be detected via a thermocouple. Between the heating element and the three symmetrically arranged pressure pieces is an insulating plate, which is the heating of the base plate 2 should diminish.

Zur Positionierung der Aufnahme 3 auf der Grundplatte 2 ist auf dieser eine Prismaförmige Leiste 6 montiert, gegen die die Aufnahme 3 über ein Spanneisen 7 gedrückt wird. Die Aufnahme 3 ist dabei an der Seite, mit der sie gegen die Leiste 6 gedrückt wird, ebenfalls Prisma-förmig gestaltet, sodass eine sehr genaue Positionierbarkeit gewährleistet ist. In der Bewegungsrichtung des Verfahrschlittens 1 wird die Aufnahme 3 durch einen Anschlag 8 auf der Grundplatte 2 positioniert. Dieser Anschlag 8 steht in direkter Verbindung zur einzigen definierten Fläche des Zylinderlaufbahnsegments 4. Dies ist die plane Dichtfläche des Zylinderkurbelgehäuses zum Zylinderkopf in der Brennkraftmaschine. Dem Anschlag 8 gegenüberliegend ist ein Exzenter 9 auf der Grundplatte 2 angeordnet. Der Exzenter 9 überträgt keine Spannkräfte. Er wird nach erfolgtem Spannprozess der Aufnahme 3 nur zum Anliegen gebracht und fixiert. Der Exzenter 9 dient lediglich als Sicherungsmaßnahme aufgrund der im Versuch auftretenden oszillierenden Bewegung.For positioning the recording 3 on the base plate 2 is on this a prismatic bar 6 mounted, against which the recording 3 over a span iron 7 is pressed. The recording 3 is at the side, with which she is against the bar 6 is pressed, also designed prism-shaped, so that a very accurate positioning is guaranteed. In the direction of movement of the carriage 1 will the recording 3 through a stop 8th on the base plate 2 positioned. This stop 8th is in direct connection with the single defined surface of the cylinder liner segment 4 , This is the plane sealing surface of the cylinder crankcase to the cylinder head in the internal combustion engine. The stop 8th Opposite is an eccentric 9 on the base plate 2 arranged. The eccentric 9 does not transfer tension forces. He will after recording process of the recording 3 just brought to concern and fixed. The eccentric 9 serves only as a security measure due to the oscillating motion occurring in the experiment.

Die Verbindung des Zylinderlaufbahnsegments 4 auf der Aufnahme 3 wird mittels einer Klebstoffschicht 10 realisiert. Diese fixiert das Zylinderlaufbahnsegment 4 auf der Aufnahme 3 und ermöglicht die bisher fehlende hochgenaue Ausrichtung des Zylinderlaufbahnsegments 4. Auch Ungenauigkeiten der Klebefläche des Zylinderlaufbahnsegments 4 können beim Verkleben ausgeglichen werden, sodass dieses exakt auf der Aufnahme exakt positioniert ist.The connection of the cylinder liner segment 4 on the recording 3 is by means of an adhesive layer 10 realized. This fixes the cylinder barrel segment 4 on the recording 3 and allows the previously missing high-precision alignment of the cylinder liner segment 4 , Also inaccuracies of the adhesive surface of the cylinder liner segment 4 can be compensated during bonding, so that it is exactly positioned exactly on the receptacle.

Der Klebstoff muss dabei temperaturbeständig sein und auch die nötige Dauerfestigkeit gegenüber den Belastungen aus Bewegung und Kraftbeaufschlagung verfügen. Des Weiteren können dadurch unterschiedliche Materialkombinationen miteinander verbunden werden, und es treten keine Zerstörung oder thermisch bedingte Strukturänderung des Grundwerkstoffs auf.Of the Adhesive must be temperature resistant and also the necessary fatigue strength against the loads from exercise and force. Furthermore This allows different combinations of materials to be connected be, and there is no destruction or thermal Structure change of the base material.

Der Umstand, dass das Zylinderlaufbahnsegment 4 mittels spanender Bearbeitung aus einem Zylinderkurbelgehäuse gewonnen wurde, wirkt sich problematisch auf die Fixiermöglichkeiten aus. Weitere spanende Bearbeitungsschritte nach dem Austrennen des Zylinderlaufbahnsegments 4 kommen bis auf ein grobes Überfräsen der Grundfläche aus Kosten- und Zeitgründen nicht in Betracht. Somit geht aus diesem Punkt hervor, dass die für eine Positionierung nutzbaren und in Abhängigkeit zueinander stehenden Flächen lediglich die Zylinderlaufbahnfläche selbst und die Dichtfläche zum Zylinderkopf sind. Die erfindungsgemäße Aufnahme ermöglicht dennoch auf einfache Weise eine genaue Positionierung und Fixierung des Zylinderlaufbahnsegments 4.The fact that the cylinder liner segment 4 obtained by machining from a cylinder crankcase, has a problematic on the fixing options. Further machining steps after the removal of the cylinder liner segment 4 Apart from a coarse overcutting of the base area for cost and time reasons are not considered. Thus, it can be seen from this point that the usable for a positioning and depending on each other only surfaces are the cylinder surface itself and the sealing surface to the cylinder head. The recording according to the invention still allows a simple way of accurate positioning and fixing of the cylinder liner segment 4 ,

Eine Veränderung des vorliegenden Tribosystems tritt auch bei der Verwendung von Zylinderlaufbahnsegmenten und Kolbenringsegmenten anstatt der unzerspanten Originalbauteile, beispielsweise durch die veränderte Wärmeableitung, ein. Für die Entwicklung optimierter Laufbahntechnologien, -materialien und -beschichtungen stellt der Tribometerprüfstand jedoch aus der Sicht des Kosten- und Zeitaufwands die optimale Lösung dar.A Alteration of the present tribosystem also occurs the use of cylinder raceway segments and piston ring segments instead of the original, undecorated components, for example through the changed heat dissipation, a. For the development of optimized career technologies, materials and however, the tribometer test bench issues The view of the cost and time required the optimal solution represents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0959340 A2 [0004] EP 0959340 A2 [0004]

Claims (7)

Tribometerprüfstand zum Messen von Reibung und Verschleiß zwischen einem Zylinderlaufbahnsegment (4) und einem Kolbenring oder einem Kolbenringsegment einer Brennkraftmaschine, wobei das Zylinderlaufbahnsegment (4) auf einem Verfahrschlitten (1) befestigt ist, der translatorisch zwischen zwei Umkehrpunkten mit einem definierten Hub oszillierend hin und her bewegbar ist, sodass sich das Zylinderlaufbahnsegment (4) relativ zu dem feststehenden Kolbenring oder Kolbenringsegment bewegt, wobei das Zylinderlaufbahnsegment (4) über ein Heizelement eine definierte Oberflächentemperatur aufweist.Tribometer test bench for measuring friction and wear between a cylinder track segment ( 4 ) and a piston ring or a piston ring segment of an internal combustion engine, wherein the cylinder liner segment ( 4 ) on a carriage ( 1 ) which is translationally reciprocally movable between two reversal points with a defined stroke, so that the cylinder path segment (FIG. 4 ) relative to the fixed piston ring or piston ring segment moves, wherein the cylinder liner segment ( 4 ) has a defined surface temperature via a heating element. Tribometerprüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einer Grundplatte (2) des Verfahrschlittens (1) und dem Heizelement ein wärmeisolierendes Bauteil angeordnet ist.Tribometer test rig according to claim 1, characterized in that between a base plate ( 2 ) of the carriage ( 1 ) and the heating element, a heat-insulating component is arranged. Tribometerprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderlaufbahnsegment (4) mit einer Aufnahme (3) verklebt ist, die mit der Grundplatte (2) verbunden ist.Tribometer test rig according to one of the preceding claims, characterized in that the cylinder raceway segment ( 4 ) with a recording ( 3 ) glued to the base plate ( 2 ) connected is. Tribometerprüfstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (3) über feste Anschläge (6, 8) genau auf der Grundplatte (2) positionierbar ist.Tribometer test rig according to claim 3, characterized in that the receptacle ( 3 ) about fixed stops ( 6 . 8th ) exactly on the base plate ( 2 ) is positionable. Tribometerprüfstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement durch zumindest ein Federelement gegen die Aufnahme (3) gedrückt wird.Tribometer test stand according to claim 4, characterized in that the heating element by at least one spring element against the receptacle ( 3 ) is pressed. Tribometerprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrschlitten (1) eine Prismenführung aufweist.Tribometer test rig according to one of the preceding claims, characterized in that the carriage ( 1 ) has a prism guide. Tribometerprüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring oder das Kolbenringsegment über einen Halter mit dem Prüfstand verbunden ist, wobei der Halter zugleich eine Kolbenringnormalkraft aufbringt, mit der der Kolbenring gegen das Zylinderlaufbahnsegment (4) gedrückt wird.Tribometer test rig according to one of the preceding claims, characterized in that the piston ring or the piston ring segment is connected via a holder to the test stand, wherein the holder at the same time applies a piston ring normal force with which the piston ring against the cylinder liner segment ( 4 ) is pressed.
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