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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens eines Arbeitskolbens in einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Erwärmungsvorrichtung. Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens eines Arbeitskolbens in einer Verbrennungskraftmaschine.
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Die Gestaltung und das Verhalten von Arbeitskolben insbesondere unter Last, also im gefeuerten Betrieb, erlangt bei der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen, in welchen diese Arbeitskolben eingesetzt werden, zunehmend an Bedeutung. Dementsprechend ist bei der Auslegung von Arbeitskolben auch ein besonderer Wert auf die Berücksichtigung der Temperaturverteilung sowie beispielsweise der thermisch bedingten Wärmedehnung des betrachteten Arbeitskolbens zu legen. So ist einerseits darauf zu achten, dass der Arbeitskolben im kalten Zustand, also kurz nach dem Motorstart, kein zu großes Spiel im Hinblick auf die Bewegung des Arbeitskolbens in radialer Richtung zur Laufbuchse der Verbrennungskraftmaschine aufweist und andererseits bei Betriebstemperatur beziehungsweise auch im Hochlastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine kein zu kleines Spiel zwischen dem Arbeitskolben und der Laufbuchse auftritt. Des Weiteren gilt es bei der Auslegung derartiger Arbeitskolben, das Entstehen sogenannter Hot-Spots zu unterbinden. Als Hot-Spots sind Bereiche in der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine zu verstehen, welche unter Last der Verbrennungskraftmaschine besonders heiß werden und dadurch als sogenannte Selbstzündquellen wirken können. Bei der Zündung von zündfähigem Gemisch durch diese Selbstzündquellen kommt es in der Regel zur unkontrollierten Entflammung beziehungsweise Explosion des Gemisches, wodurch es zu erheblichen Schäden an der Verbrennungskraftmaschine kommen kann. Neben Auslassventilen und Zündquellen (insbesondere Zündkerzen in Ottomotoren) zählt auch die Oberfläche des Kolbens (z. B. die Omega-Mulde beim Dieselmotor) zu den temperaturkritischen Bereichen, an welchen sehr hohe Temperaturen auftreten können.
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Um den Arbeitskolben einer Verbrennungskraftmaschine derart auslegen zu können, dass die Entstehung von Hot-Spots über den vollständigen Lastbereich der Verbrennungskraftmaschine wirksam unterbunden werden kann, ist eine möglichst umfangreiche Kenntnis über das Verhalten des Arbeitskolbens im verbrennungsmotorischen Betrieb wünschenswert. In Ermangelung an Kenntnis werden derzeit jedoch zur rechnerischen Auslegung von Arbeitskolben meist Literaturwerte herangezogen, welche häufig jedoch nur eine grobe Abschätzung des Verhaltens des Arbeitskolbens unter Last zulassen. Dementsprechend können durch eine derartige Abschätzung kaum zuverlässige thermische Verzugsberechnungen erfolgen, da nur unzureichende Kenntnis von z. B. tatsächlichen Wärmeübergangskoeffizienten und Wärmeströmen besteht.
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Derzeit werden Verbrennungskraftmaschinen, sobald diese als Hardware verfügbar sind als sehr aufwendige und teure Temperaturmessmotoren zu Versuchszwecken aufgebaut, wobei mit diesen speziellen Temperaturmessmotoren u. a. Kolbentemperaturverteilungen bei verschieden befeuerten Betriebspunkten gemessen werden. Der Modellabgleich, also der Vergleich zwischen Simulationen zur Temperaturverteilung und Messungen mittels der Temperaturmessmotoren liefert häufig ungenügende Ergebnisse.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen das Verhalten eines Arbeitskolbens einer Verbrennungskraftmaschine unter Einfluss von an den Arbeitskolben übertragener Wärme besonders exakt und kostengünstig ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens eines Arbeitskolbens in einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Erwärmungsvorrichtung nutzt eine Vorgehensweise, bei welcher eine Wärmeübertragung an wenigstens einen Erwärmungsbereich des Arbeitskolbens mittels eines Energieüberträgers der Erwärmungsvorrichtung erfolgt, der Arbeitskolben im ungefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine relativ zu dem Energieüberträger der Erwärmungsvorrichtung bewegt wird und wenigstens ein die Erwärmung des Arbeitskolbens betreffender Parameter mittels einer Erfassungseinrichtung erfasst wird.
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Die Erwärmungsvorrichtung könnte als Energieüberträger beispielsweise eine Wärmestrahlungsquelle, eine Lichtquelle (z. B. ein Laser) oder eine Induktionsheizung oder Induktionsspule umfassen, wobei in letzterem Fall Energie in Form von einem elektromagnetischen Feld auf den Arbeitskolben übertragen würde. Im Falle der Ausgestaltung des Energieüberträgers als Licht- oder Wärmestrahlungsquelle erfolgt eine Wärmeübertragung in Form von Strahlung auf den Erwärmungsbereich des Arbeitskolbens. Dadurch kann die unter Betriebsbedingungen am Arbeitskolben herrschende Verbrennungswärme besonders einfach simuliert werden, ohne die Verbrennungskraftmaschine gefeuert zu betreiben. Der Erwärmungsbereich ist dementsprechend als der Bereich des Arbeitskolbens zu verstehen, welcher der Energieübertragung durch den Energieüberträger ausgesetzt ist. Der Erwärmungsbereich kann beispielsweise einer Kolbenoberfläche des Arbeitskolbens entsprechen, welcher der Erwärmung durch den Energieüberträger ausgesetzt ist, wobei infolge von Wärmeleitung die übertragene Wärme zumindest teilweise in tiefere Bereiche des Arbeitskolbens vordringt beziehungsweise weitergeleitet wird. Um das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens zu erfassen, kann die Erwärmungsvorrichtung auch einen oder mehrere Sensoren umfassen, welche an dem Arbeitskolben angebracht sind. Bei diesen Sensoren kann es sich beispielsweise um Dehnmessstreifen handeln, mittels welchem die Wärmedehnung des Arbeitskolbens infolge der Energieübertragung durch den Energieüberträger gemessen wird. Mittels der Erfassungseinrichtung der Erwärmungsvorrichtung kann dementsprechend dann beispielsweise die Längenänderung als die Erwärmung des Arbeitskolbens betreffender Parameter festgehalten werden. In Abhängigkeit von der Erwärmung des Arbeitskolbens kann mittels der Erfassungseinrichtung ein Datensatz ermittelt werden, wobei der Datensatz die Änderung des Parameters in Abhängigkeit von der Energieübertragungsintensität beziehungsweise der Einwirkungsdauer der Energieübertragung beinhalten kann. Es ist klar, dass zur Ermittlung des Erwärmungsverhaltens als Sensoren vor allem Temperatursensoren wie beispielsweise Thermoelemente besonders geeignet sind, die sowohl auf der Oberfläche als auch im Inneren des Arbeitskolbens angebracht sein können und mittels welchen die Temperaturen an verschiedenen Stellen des Arbeitskolbens als Parameter erfasst werden können.
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Der Arbeitskolben der Verbrennungskraftmaschine kann zum Zwecke der Untersuchung des Erwärmungsverhaltens relativ zu der Erwärmungsvorrichtung beziehungsweise relativ zu dem Energieüberträger der Erwärmungsvorrichtung stillgehalten und dementsprechend bei der Ermittlung des Erwärmungsverhaltens bewegungslos bleiben. Dadurch kann besonders exakt das Erwärmungsverhalten unter weitgehendem Ausschluss von Konvektionserscheinungen, wie sie beispielsweise beim Bewegen des Kolbens entlang einer den Arbeitskolben führenden Laufbuchse der Verbrennungskraftmaschine auftreten würden, isoliert betrachtet werden. Das Erwärmungsverhalten kann in Form der jeweiligen Datensätze als Parameteränderung (z. B. Temperaturänderung) in Abhängigkeit der Erwärmung durch den Energieüberträger bzw. dessen Einstellgrößen (Energieübertragungsintensität, Einwirkungsort der Energieübertragung, Energieübertragungsdauer) erfasst werden. Anhand der verschiedenen Datensätze könnte dann mittels der Erfassungseinrichtung beispielsweise das Erwärmungsverhalten sämtliche Bereiche des Arbeitskolbens als Parameterverteilung errechnet werden. Diese Parameterverteilung kann beispielsweise einer Temperaturverteilung beziehungsweise einem Temperaturfeld des Arbeitskolbens entsprechen. Somit kann mittels der Erfassungseinrichtung auf besonders einfache Art ein Temperaturprofil des Arbeitskolbens erstellt werden. Bereits beim Entwicklungsstart sind dadurch – anders als aus dem Stand der Technik bekannt – Messdaten bezüglich des Temperaturprofils im Arbeitskolben und damit verbundene thermische Ausdehnungsverhältnisse unter verschiedenen Betriebszuständen (z. B. simuliert durch unterschiedliche Intensität der Energieübertragung) ermittelbar.
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Während derartige statische Untersuchungen zum Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens auch am aus der Verbrennungskraftmaschine ausgebauten Arbeitskolben möglich sind, ist es von besonderem Vorteil, den Energieüberträger der Erwärmungsvorrichtung beispielsweise am Brennraumdach der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen und den Arbeitskolben relativ zu dem Energieüberträger im ungefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu bewegen. Der Arbeitskolben könnte, um dies zu bewerkstelligen, mittels einer Antriebseinrichtung, wie sie eine elektrische Maschine beziehungsweise Synchron- oder Asynchronmaschine darstellt, angetrieben und die Verbrennungskraftmaschine dementsprechend geschleppt werden. Somit können besonders effizient auch Auswirkungen der Kolbenbewegung des Arbeitskolbens und insbesondere Konvektionserscheinungen auf der Kolbenoberfläche und deren Auswirkung auf das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens ermittelt werden. Infolgedessen kann z. B. festgehalten werden, wie lange es dauert, bis der Arbeitskolben nach dem Beenden der Energieübertragung durch den Energieüberträger unter erzwungener Konvektion durch die am entlang der Laufbuchse (entlang der Linerwand) bewegten Arbeitskolben umgelenkte Luft abgekühlt werden kann.
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Durch die Erwärmung des Arbeitskolbens mittels des Energieüberträgers kann somit eine experimentelle Simulation der Verbrennungswärme, welche auf den Arbeitskolben einwirkt, und beispielsweise dadurch bedingter thermischer Verzug beziehungsweise eine Temperaturverteilung ermittelt werden. Es ist klar, dass dabei auch zusätzliche Parameter wie Medientemperaturen (Kühlwassertemperatur, Öltemperatur), Mediendrücke zur Bestimmung der Wärmebilanzen (Wärmestromverteilungen) unter verschiedenen definierten Randbedingungen am Arbeitskolben sowie ein Abgleich mit Berechnungsmodellen erfolgen kann. Das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens kann dabei im eingebauten Zustand des Kolbens und in einem konditionierten Kurbelgehäuse mit besonders exakt einstellbaren und messbaren Medientemperaturen (z. B. Kühlwasser- und Motoröltemperatur) sowie Medienströmen (Massen-, bzw. Volumenstrom) erfolgen. Die üblicherweise am Brennraumdach angeordneten Ladungswechselorgane (Einlass- und Auslassventile), Einspritzdüsen oder Zündquellen können ganz oder teilweise durch den Energieüberträger ersetzt werden, da die Verbrennungskraftmaschine ohnehin geschleppt wird und durch die Energieübertragung die Verbrennungswärme am Arbeitskolben simuliert werden soll. Dementsprechend können im Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine auch Rückschlüsse auf das dynamische Erwärmungsverhalten infolge der Kühlung durch erzwungene Konvektion (z. B. durch Frischluftumwälzung) getroffen werden. Im dynamischen, also geschleppten Motorbetrieb kann dementsprechend auch der Einfluss der Arbeitskolbentemperatur beziehungsweise der Temperaturverteilung auf die Kolbenreibung beziehungsweise Kolbengruppenreibung erfolgen und dementsprechend im Vollmotor verschiedene Einflüsse auf das Erwärmungsverhalten getrennt voneinander betrachtet werden. Im geschleppten Motorbetrieb kann dabei die Verbrennungskraftmaschine in einer bestimmten Strip-Stufe betrieben werden, bei welcher lediglich der Kurbelbetrieb angetrieben wird und die dabei entstehenden Einflüsse auf das Erwärmungsverhalten (z. B. Reibungswärme, und durch Energieübertragung simulierte Verbrennungswärme) einzeln ermittelt werden können. Somit können im Vollmotor erstmals die Einflüsse der Temperatur und der mechanischen Last auf das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens getrennt voneinander erfasst und dementsprechend gewichtet werden. Dies wäre im gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nicht möglich.
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Aufgrund der Erkenntnisse aus dem Ermitteln des Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens infolge der Energieübertragung durch den Energieüberträger kann eine Optimierung des Kolbendesigns abgeleitet werden sowie eine verbesserte rechnerische Auslegung und Reibleistungsoptimierung unter Wärmeeintrag erfolgen. Die Entwicklungsgeschwindigkeit kann zudem stark erhöht werden und basierend aus den Erkenntnissen eine Weiterentwicklung von verwendeten Berechnungs-Tools erfolgen. Somit ergibt sich eine schnelle Optimierung für Neuentwicklungen, insbesondere für neue Konzepte wie zum Beispiel Stahlkolben in Pkws mit LDS-Laufbahnen (LDS: Lichtbogen-Draht-Spritzen). Beim Betrieb von Stahlkolben in LDS-Laufbahnen kommt es zu großen Warmspielen (Spiel zwischen Stahlkolben und LDS-Laufbahn im betriebswarmen Zustand der Verbrennungskraftmaschine) durch die kleine thermische Ausdehnung des Stahlkolbens und gleichzeitig zu einer großen thermischen Ausdehnung der LDS-Laufbahn in einem Aluminium-Kurbelgehäuse. Da derzeit keine Erfahrungswerte für die Kombination aus Stahlkolben und LDS-Laufbahnen vorhanden sind, ist das eben beschriebene Verfahren z. B. zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens bei dessen Kombination mit LDS-Laufbahnen (als Liner) besonders gut zur Auslegung des Arbeitskolbens geeignet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Arbeitskolbens, welcher durch einen Energieüberträger einer Erwärmungsvorrichtung erwärmt wird;
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2 eine Schnittansicht eines Zylinderkurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Arbeitskolben durch einen als Laser ausgebildeten Energieüberträger, welcher an einem Brennraumdach der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, durch ein zylinderförmiges Strahlungsbündel mit Energie beaufschlagt wird;
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3 eine weitere Schnittansicht des Zylinderkurbelgehäuses, wobei der Arbeitskolben mittels eines, durch den am Brennraumdach angeordneten Energieüberträger emittierten, kegelförmigen Strahlungsbündels mit Energie beaufschlagt wird; und in
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4 eine schematische Darstellung eines Verfahrwegs, welchem der Energieüberträger folgen kann, um unterschiedliche Bereiche auf dem Arbeitskolben zu erwärmen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Vorrichtung zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens eines Arbeitskolbens 20 einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine 60. Die Vorrichtung umfasst eine Erwärmungsvorrichtung 10 mit einem Energieüberträger 12, mittels welchem der Arbeitskolben 20 der Verbrennungskraftmaschine 60 unter Wärmeübertragung 14 an wenigstens einen Erwärmungsbereich 22 des Arbeitskolbens 20 erwärmbar ist. Im vorliegenden Fall entspricht dem Erwärmungsbereich 22 diejenige Kolbenfläche des Arbeitskolbens 20, welche einer durch den Energieüberträger 12 emittierten Wärmestrahlung in Form eines kegelförmigen Strahlungsbündels 18 ausgesetzt ist. Als der Energieüberträger 12 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Laser eingesetzt, mittels welchem der Arbeitskolben 20 beziehungsweise der Erwärmungsbereich 22 zur Wärmeübertragung 14 bestrahlt wird. Ein durch den Energieüberträger 12 (Laser) emittierter Laserstrahl 56 wird mittels einer Linse 52 der Erwärmungsvorrichtung 10 an einem Fokuspunkt 54 fokussiert, um dann unter Ausbildung des kegelförmigen Strahlungsbündels 18 mit einem Defokussierdurchmesser DF des Laserstrahls 56 auf den Erwärmungsbereich 22 aufzutreffen. Als Energieüberträger 12 kommt jedoch nicht nur der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzte Laser beziehungsweise ein Infrarot-Laser, sondern auch gegebenenfalls andere Licht- oder Wärmestrahlungsquellen oder alternativ eine Induktionsheizung infrage, mittels welcher der Arbeitskolben 20 beziehungsweise dessen Erwärmungsbereich 22 erwärmt werden kann.
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Des Weiteren ist bei der Vorrichtung zum Ermitteln des Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens 20 eine Erfassungseinrichtung 30 (z. B. ein Rechner beziehungsweise Computer) vorgesehen, mittels welcher wenigstens ein die Erwärmung des Arbeitskolbens 20 betreffender Parameter erfassbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht dieser Parameter der Temperatur beziehungsweise einem Temperaturverlauf über der Zeit an einer bestimmten Stelle des Arbeitskolbens 20. Dieser Parameter (die Temperatur beziehungsweise der Temperaturverlauf über der Zeit) wird im vorliegenden Fall mittels eines Sensors 32, welcher auf dem Arbeitskolben 20 oder alternativ in einer Bohrung des Arbeitskolbens 20 angebracht ist, erfasst und in der mit dem Sensor 32 gekoppelten Erfassungseinrichtung 30 als den wenigstens einen Parameter betreffender Datensatz 34 gespeichert. Zusätzlich zu dem Sensor 32 ist noch ein weiterer Sensor 36 (hier: ein weiterer Temperatursensor, mittels welchem eine weitere Temperatur als weiterer Parameter gemessen wird), an dem Arbeitskolben 20 angebracht, wobei der weitere Sensor 36 ebenfalls mit der Erfassungseinrichtung 30 gekoppelt ist, und wobei zusätzlich zu dem Datensatz 34 mittels der Erfassungseinrichtung 30 wenigstens ein weiterer Datensatz 38 gespeichert wird, welcher wenigstens den einen, die Erwärmung betreffenden, weiteren Parameter, also im vorliegenden Fall die durch den weiteren Sensor 36 ermittelten Temperaturwerte am Einbauort des Sensors 36, betrifft. Es ist klar, dass als die jeweiligen Parameter auch zum Beispiel thermisch bedingte Längenänderungen infolge der Erwärmung durch den Energieüberträger 12 erfasst werden könnten, wobei die Sensoren 32, 36 dann in diesem Fall beispielsweise als Dehnmessstreifen ausgebildet sein könnten. Mittels der Erfassungseinrichtung 30 wird nun der wenigstens eine Datensatz 34 mit dem weiteren Datensatz 38 verglichen und dadurch eine den Arbeitskolben 20 betreffende Parameterverteilung 40 ermittelt. Die Parameterverteilung 40 entspricht im vorliegenden Fall einer Temperaturverteilung in dem Arbeitskolben 20, wobei klar ist, dass zur Ermittlung dieser Temperaturverteilung zusätzlich zu den Sensoren 32, 36 auch noch weitere, hier nicht dargestellte Sensoren verwendet werden können, um beispielsweise eine feinere Auflösung zu erhalten und damit eine genauere Aussage über das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens 20 ableiten zu können.
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Des Weiteren ist klar, dass der Erwärmungsbereich 32 des Arbeitskolbens 20 nicht nur einer Oberfläche, sondern auch einem bestimmten Materialvolumen des Arbeitskolben 20 entsprechen kann, welches infolge der Energieübertragung (Wärmeübertragung 14) mittels des Energieüberträgers 12 erwärmt wird. Wird beispielsweise als der Energieüberträger 12 eine Induktionsspule eingesetzt, so wird durch das mittels der Induktionsspule emittierte elektromagnetische Felde nicht nur die Oberfläche des Arbeitskolbens 20, sondern auch unter der Oberfläche gelegene Bereiche gleichzeitig erwärmt. Bei der Laserbestrahlung hingegen erfolgt eine Erwärmung der bestrahlten Oberfläche und infolge dessen eine Wärmeübertragung 14 von der Oberfläche (hier: Erwärmungsbereich 22) in das Innere des Arbeitskolbens 20 in Form von Wärmeleitung.
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Die in den nachfolgenden Fig. dargestellten Merkmale und Einzelheiten wurden bereits teilweise anhand von 1 erläutert, weshalb im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Während in 1 eine statische Ermittlung des Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens 20 gezeigt ist, bei welcher der Arbeitskolben 20 aus der Verbrennungskraftmaschine 60 ausgebaut ist und sich dementsprechend der Abstand zwischen dem Arbeitskolben 20 und dem Energieüberträger 12 nicht ändert, zeigen die Schnittdarstellungen in 2 und 3 durch ein Zylinderkurbelgehäuse 70 der Verbrennungskraftmaschine 60 den Arbeitskolben 20 im in die Verbrennungskraftmaschine 60 eingebauten Zustand, in welchem der Arbeitskolben 20 relativ zu dem Energieüberträger 12 bewegbar ist. Bei der Zusammenschau der 2 und 3 ist erkennbar, dass die Energieübertragung beziehungsweise Wärmeübertragung 14 nicht nur in Form des auf den Erwärmungsbereich 22 auftreffenden kegelförmigen Strahlungsbündels 18 (siehe 1 und 3) erfolgen kann, sondern auch in Form von parallelen Strahlen, welche ein von dem Energieüberträger 12 emittiertes zylinderförmiges Strahlungsbündel 16 (siehe 2) bilden. Wie insbesondere in 3 erkennbar ist, kann zur Ermittlung des dynamischen Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens 20 der Energieüberträger 12 der Erwärmungsvorrichtung 10 an einem Brennraumdach 72 der Verbrennungskraftmaschine 60 angeordnet sein. Im in 3 gezeigten Beispiel erfolgt eine Aktivierung, also ein Beaufschlagen des Arbeitskolbens 20 mit Energie vorliegend erst kurz vor, bzw. am oberen Totpunkt des Arbeitskolbens 20. Hierdurch kann die sich entwickelnde Verbrennungswärme bei einer für Dieselmotoren üblichen Verdichtungsselbstzündung (im Bereich des oberen Totpunkts) besonders realitätsnah simuliert werden. Es ist klar, dass die Erwärmung jedoch auch im Dauerstrichbetrieb, also bei permanenter Energiebeaufschlagung des Arbeitskolbens 20 durch den Energieüberträger 12 erfolgen kann, um z. B. ein Ausbreiten der Diffusionsflamme bzw. die vollständige Verbrennung von Kraftstoff und eine damit verbundene Wärmeentwicklung zu simulieren. Zur Ermittlung des dynamischen Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens 20 wird die Verbrennungskraftmaschine 60 durch eine hier nicht weiter dargestellte Antriebseinrichtung geschleppt, und dementsprechend der Arbeitskolben 20 im ungefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 60 relativ zu dem Energieüberträger 12 bewegt. Die Antriebseinrichtung (hier nicht dargestellt) kann beispielsweise als E-Maschine, also als Elektromotor, beziehungsweise Synchron- oder Asynchronmaschine ausgestaltet sein. Durch das Schleppen mittels der Antriebseinrichtung kann das Erwärmungsverhalten des Arbeitskolbens 20 besonders realitätsnah ermittelt werden, da ebenso wie im gefeuerten Betrieb auch beim Schleppen der Verbrennungskraftmaschine 60 der Arbeitskolben 20 über einen Kolbenbolzen 66 sowie ein entsprechendes Pleuel 64 mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 60 kinematisch gekoppelt ist, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kurbelwelle lediglich anhand eines Kurbelzapfens 62 der Kurbelwelle erkennbar ist.
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Wie insbesondere anhand von 2 ersichtlich, kommt es durch Reflexion 58 des Laserstrahls 56 an dem im vorliegenden Fall als Omega-Mulde des Arbeitskolbens 20 ausgebildeten Erwärmungsbereich 22 zu einer zumindest teilweisen Reflexion 58 des Laserstrahls 56, wodurch zumindest ein Teil der mittels des Lasers übertragenen Energie an einer Linerwand 68, also auf die Laufbuchse beziehungsweise Laufbuchsenoberfläche der Verbrennungskraftmaschine 60, entlang welcher der Arbeitskolben 20 entlanggleitet, übertragen wird. Somit kann es zu einem Anstieg der Kühlwassertemperatur um einen bestimmten Temperaturwert kommen, welcher ebenfalls mittels der hier nicht dargestellten Erfassungseinrichtung 30 durch geeignete Temperatursensoren erfasst werden kann. Dies ist insbesondere deshalb hilfreich, da mittels der Erfassungseinrichtung 30 auch eine Wärmestrombilanz in Abhängigkeit der an den wenigstens einen Erwärmungsbereich 22 übertragenen Energie und in Abhängigkeit der Erwärmung des Arbeitskolbens 20 ermittelt wird, wobei bei dieser Wärmestrombilanz auch an andere Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 60 (außer dem Arbeitskolben 20) übertragene Energie zu berücksichtigen ist. Bei der Wärmestrombilanz ist dementsprechend natürlich nicht nur die Kühlwassertemperatur, sondern auch beispielsweise ein Anstieg der Öltemperatur oder anderer, durch den Laserstrahl 56 beziehungsweise durch die Erwärmung beeinflusster Komponenten zu berücksichtigen. Mit anderen Worten ist bei der Energieübertragung durch den Laserstrahl 56 oder anderen als alternative Energieüberträger 12 eingesetzten Geräten neben einer zumindest teilweisen Absorption des Laserstrahls 56 beziehungsweise der an den Arbeitskolben 20 übertragenen Energie und deren Transmission, also Wärmeleitung in das Innere des Arbeitskolbens 20 auch die Reflexion 58 und eine damit verbundene Erwärmung anderer Komponenten (z. B. Laufbuchse oder Brennraumdach) zu berücksichtigen. Um eine möglichst exakte Wärmestrombilanz ableiten zu können, ist es sinnvoll, das Zylinderkurbelgehäuse 70 zu konditionieren, also die Kühlmitteltemperaturen und Kühlmittelströme genau zu messen und einzustellen, sowie einen ebenfalls konditionierten, externen Ölkreislauf einzusetzen.
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4 zeigt schematisch in einer Draufsicht auf den Arbeitskolben 20 einen möglichen Verfahrweg 50, welchem der Laserstrahl 56 zur Erwärmung des Arbeitskolbens 20 folgen kann, um eine inhomogene Wärmebeaufschlagung zu simulieren. Im gefeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 60 treten häufig Inhomogenitäten bei der Erwärmung des Arbeitskolbens 20, z. B. bedingt durch die unterschiedliche Ladungsbewegung der im Brennraum eingeschlossenen Luft bei unterschiedlichen Drehzahlen oder bedingt durch die Einspritzstrategie auf, um nur einige zu nennen. Deshalb ist eine inhomogene Wärmebeaufschlagung, z. B. in Form der in 4 dargestellten Form besonders sinnvoll, um auch Betriebsschwankungen der Verbrennungskraftmaschine 60 bei der Auslegung des Arbeitskolbens 20 zu berücksichtigen. Des Weiteren können dadurch Aussagen über das Erwärmungsverhalten unter Berücksichtigung von Bauteiltoleranzen oder Materialinhomogenitäten des Arbeitskolbens getroffen werden. Somit ist klar, dass bei der Erwärmung des Arbeitskolbens 20 nicht nur die Strahlungsleistung beziehungsweise die Übertragungsleistung des eingesetzten Energieüberträgers 12, sowie die Energieübertragungszeit (Dauererwärmung oder z. B. gepulster Betrieb des Energieüberträgers 12) als Freiheitsgrad für die Einstellung der Energieübertragung genutzt werden kann, sondern auch der hier beispielhaft spiralförmig ausgebildete Verfahrweg 50, entlang welchem der Erwärmungsbereich 22 des Arbeitskolbens 20 mittels des Energieüberträgers 12 sukzessive erwärmt werden kann.
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Durch das Ermitteln des Erwärmungsverhaltens des Arbeitskolbens 20 mittels der beschriebenen Vorrichtung können belastbare thermische Verzugsberechnungen abgeleitet werden, wobei Kenntnis über die Temperaturverteilung, die Verzüge und damit die Kolbenwarmspiele in allen Betriebsbereichen simuliert werden können. Dies ist Voraussetzung für die zielgerichtete Auslegung der Kaltspiele (zwischen Arbeitskolben 20 und Linerwand 68), der Kalt-Kolbenformen des Arbeitskolbens 20 und der Kalt-Kolbenkonturen.
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Die Vorrichtung ermöglicht des Weiteren eine besonders sichere Aussage über das Erwärmungsverhalten beim Einsatz von bestimmten Kolbenringen, Zylinderlaufbahnen, deren Beschichtungen, Konturen, Oberflächenrauigkeiten, sowie nicht zuletzt der Betriebsbedingungen in Kombination mit dem zu untersuchenden Arbeitskolben 20, da dieser wie beschrieben im Vollmotor und im dynamischen Betrieb untersucht werden kann.
