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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit in dem Zylinderkopf angeordneten Gaswechselventilen, wobei jedes Gaswechselventil einen Ventilschaft aufweist, der in einer im Zylinderkopf angeordneten Ventilschaftführung geführt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen von physikalischen Parametern eines Schmierfilmes sowie zum Darstellen einer Schmierfilmbewegung eines Schmierfilms zwischen einer Ventilschaftführung und einem Ventilschaft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
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Der Zweck einer Ventilschaftführung für ein Gaswechselventil in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist, das oszillierende Ventil so zu führen, dass dieses im geschlossenen Zustand immer perfekt in dem Dichtsitz des Ventilsitzringes positioniert ist. Das tribologische System umfasst den Ventilschaft und die Ventilschaftführung. Die Schmierung erfolgt mittels des Motoröles, welches in Form einer Ölleckströmung von der Ventilschaftdichtung ausgehend zwischen Ventilschaft und Ventilschaftführung geführt wird. Die Menge an vorhandenem Schmiermittel ist unter anderem abhängig von der Ausgestaltung der Ventilschaftdichtung, dem Freiraum zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung (Ventilführungsspiel genannt), den Druckbedingungen im Bereich der Ventilschaftführung, der Schwerkraft, den Eigenschaften des verwendeten Öles, der Kinematik des Ventiltriebs (Federkraft; Querkraft, die über die Ventilbetätigung in das System gebracht wird) sowie von den Einflüssen des Verbrennungsprozesses (beispielsweise Schwingungen des Ventiltriebes, Verbrennungstemperatur, Verbrennungsdruck). Als Werkstoff für die Ventilschaftführung wird Gusseisen, Messing oder pulvermetallurgischer (PM-)Werkstoff verwendet.
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Aufgrund der oszillierenden und rotierenden Bewegung des Ventils bildet sich ein hydrodynamischer Schmierfilm in der Ventilschaftführung und es wird ein Druck in dem Ölfilm aufgebaut. Zwischen den Oberflächen ist sowohl eine Mischreibung als auch eine Fluidreibung vorhanden.
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Die Abnutzung bzw. der Verschleiß an dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung muss bei hohen Laufzeiten möglichst gering sein, um eine sichere Funktion sicher zu stellen und die Emissionen der Brennkraftmaschine niedrig zu halten.
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Aus dem Artikel ”Optical Ways to Improve the Tribology of Valve Guides”, Uwe Todson et al. 2005 SAE World Congress, Detroit, Michigan, April 11–14, 2005 ist es bekannt, mittels eines Modells einer Einzylinder-Brennkraftmaschine im Maßstab 7:1 mit einem Glaszylinder die Schmierverhältnisse in dem gläsernen Zylinder in geschlepptem Betrieb, also unbefeuert, darzustellen. Hierzu wird einerseits ein Streulichtverfahren und andererseits ein Fluoreszenzverfahren verwendet. Eine Ventilschaftführung ist aus Glas gefertigt, um das Verhalten des Ventils unter bewegten Bedingungen zu untersuchen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2005 004 248 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung mindestens einer Position eines bewegten Bauteils eines Antriebsaggregats, wie Verbrennungsmotor, Getriebe oder dergleichen bekannt. Hierbei wird ein bewegtes Bauteil, dessen Position ermittelt werden soll, angeleuchtet oder Licht ausgesetzt und es wird der Lichtdurchtritt zwischen dem bewegten Bauteil und einem damit korrespondierenden Bauteil ermittelt. Während der Bewegung des Bauteils ändert sich der Lichtdurchtritt oder kann kurzfristig auch unterbrochen werden. Dadurch lassen sich Aussagen über die momentane Stellung des betreffenden Bauteils treffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf, eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine Untersuchung des Schmierfilms in dem tribologischen System Ventilschaft/Ventilschaftführung unter möglichst realistischen Bedingungen erlauben, so dass auch Einflüsse auf die Schmierfilmqualität in verschiedenen Betriebszuständen aufgrund von Veränderungen in dem tribologischen System untersucht und auf deren Eignung zur Verschleißminimierung beurteilt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zylinderkopf der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen, durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 7 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Brennkraftmaschine der o. g. Art mit den in Anspruch 14 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu ist es bei einem Zylinderkopf der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Zylinderkopf eine erste Bohrung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese einen durchgehenden Kanal von einer ersten Öffnung an einer Außenseite des Zylinderkopfes bis zu einer zweiten Öffnung an einer Innenseite des Zylinderkopfes, welche an eine erste Ventilschaftführung angrenzt, ausbildet, wobei in dem Zylinderkopf eine zweite Bohrung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese einen durchgehenden Kanal von einer dritten Öffnung, welche von der ersten Öffnung beabstandet ist, an der Außenseite des Zylinderkopfes bis zu einer vierten Öffnung, welche von der zweiten Öffnung beabstandet ist oder mit dieser teilweise überlappt, an einer Innenseite des Zylinderkopfes, welche an die erste Ventilschaftführung angrenzt, ausbildet, wobei die erste Ventilschaftführung aus einem Werkstoff hergestellt ist, welcher für ein vorbestimmtes Wellenlängenspektrum oder eine vorbestimmte Wellenlänge von elektromagnetischen Wellen transparent ist.
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Dies hat den Vorteil, dass eine voll funktionsfähige Brennkraftmaschine für einen Prüfstand zur Verfügung steht, mit der man auch im realistischen, befeuerten Betrieb mittels Analyse bzw. Beobachtung durch die beiden Bohrungen mittels geeigneter elektromagnetischer Wellen, für die die Ventilschaftführung transparent ist, das Verhalten eines Schmierfilmes zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung für verschiedenen Betriebszustände beobachten und so kritische Betriebszustände, in denen der Schmierfilm keine ausreichende Schmierung gewährleistet und ein erhöhter Verschließ vorliegt, erkennen und Gegenmaßnahmen erproben kann. Diese Gegenmaßnahmen beinhalten beispielsweise Variationen in einer Mikro-Oberflächentopographie des Ventilschaftes und/oder Einarbeiten von Ölhaltetaschen in horizontal eingearbeitete Rillen des Ventilschaftes und/oder gezielte Beölung des tribologischen Systems Ventilschaft/Ventilschaftführung in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
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Besonders gute geometrische Bedingungen für eine spektroskopische Analyse mit einem minimierte Bereich, in dem eine unerwünschte Totalreflexion auftritt, erzielt man dadurch, dass die beiden Bohrungen derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sich jeweilige Mittellängsachsen der Bohrungen auf einer Mittellängsachse der ersten Ventilschaftführung schneiden.
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Eine in den wesentlichen physikalischen Eigenschaften, wie Oberflächenbeschaffenheit, Wärmeleitfähigkeit, Oberflächen-Benetzungseigenschaften und Festigkeit, einer herkömmlichen Ventilschaftführung, beispielsweise aus Messing, sehr ähnliche Ventilschaftführung mit dementsprechend dem Betrieb außerhalb des Prüfstandes sehr nahekommenden Bedingungen erzielt man dadurch, dass die erste Ventilschaftführung aus dem Werkstoff Saphir hergestellt ist.
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Optimale Verhältnisse für eine funktionssichere spektroskopische Beobachtung des Schmierfilms über die beiden Bohrungen erzielt man dadurch, dass ein Winkel zwischen einer Mittelachse der ersten Bohrung und einer Mittelachse der zweiten Bohrung einen Wert von 30° bis 50°, insbesondere 40°, aufweist.
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Um einen Wassermantel in dem Zylinderkopf zum Kühlen der Ventilschaftführungen in seiner Funktionsfähigkeit durch die erste und zweite Bohrung nicht zu beeinträchtigen ist es vorgesehen dass ein in dem Zylinderkopf ausgebildeter Wassermantel die erste Ventilschaftführung nur teilweise umgibt und einen Umfangsbereich um die erste Ventilschaftführung, in dem sich die erste und zweite Bohrung erstrecken, frei lässt.
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Für optimale Bedingungen für eine spektroskopische Analyse des Schmierfilms im Bereich der Ventilschaftführung beträgt ein Durchmesser der ersten und/oder zweiten Bohrung 10 mm bis 20 mm, insbesondere 15 mm.
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Ferner ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, welcher gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, auf einem Prüfstand betrieben wird, wobei über die erste Bohrung elektromagnetische Wellen einer vorbestimmten Wellenlänge oder einem vorbestimmten Wellenlängenspektrum, für die die Ventilschaftführung transparent ist, ausgehend von der ersten (Öffnung in Richtung der zweiten Öffnung eingestrahlt wird, wobei in der zweiten Bohrung von der vierten Öffnung kommende elektromagnetische Wellen einer vorbestimmten Wellenlänge oder eines vorbestimmten Wellenlängenspektrums, für die die erste Ventilschaftführung transparent ist, detektiert werden, wobei durch Auswertung der von der vierten Öffnung kommenden elektromagnetischen Wellen einer vorbestimmten Wellenlänge oder eines vorbestimmten Wellenlängenspektrums mindestens ein physikalischer Parameter des Schmierfilmes zwischen dem Ventilschaft und mindestens der ersten Ventilschaftführung bestimmt wird.
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Dies hat den Vorteil, dass im realistischen, befeuerten Betrieb mittels Analyse bzw. Beobachtung durch die beiden Bohrungen mittels geeigneter elektromagnetischer Wellen, für die die Ventilschaftführung transparent ist, das Verhalten eines Schmierfilmes zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung für verschiedenen Betriebszustände beobachtet und so kritische Betriebszustände, in denen der Schmierfilm keine ausreichende Schmierung gewährleistet und ein erhöhter Verschließ vorliegt, erkannt werden kann. Zusätzlich können sofort Gegenmaßnahmen erprobt werden. Diese Gegenmaßnahmen beinhalten beispielsweise Variationen in einer Mikro-Oberflächentopographie des Ventilschaftes und/oder Einarbeiten von Ölhaltetaschen in horizontal eingearbeitete Rillen des Ventilschaftes und/oder gezielte Beölung des tribologischen Systems Ventilschaft/Ventilschaftführung in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine.
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Eine besonders effiziente und kostengünstige Bestimmung von physikalischen Parametern des Schmierfilms erzielt man dadurch, dass die vorbestimmte Wellenlänge oder das vorbestimmte Wellenlängenspektrum, für die die erste Ventilschaftführung transparent ist, im Infrarot-(IR)-Bereich liegt und die Auswertung eine IR-Spektroskopie ist.
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Eine besonders genaue Bestimmung von physikalischen Parametern des Schmierfilms erzielt man dadurch, dass dem Motoröl ein oder mehrere aufeinander abgestimmte fluoreszierender Tracer beigemischt wird und die Auswertung eine Fluoreszenzspektroskopie, insbesondere eine laserinduzierte Fluoreszenz-Spektroskopie (LIF), ist. Um ein Überstrahlen der Fluoreszenzstrahlung durch eine Anregungsstrahlung für den fluoreszierender Tracer aus der ersten Bohrung zu verhindern, wird in der zweiten Bohrung eine über die erste Bohrung eingestrahlte Anregungsstrahlung für den fluoreszierender Tracer ausgefiltert. Es ist auch möglich, eine Weißlichtspektroskopie durchzuführen, wobei helles weißes Licht über die erste Bohrung eingestrahlt wird. Der Betrieb wird dann über die zweite Bohrung gefilmt und die Filmaufnahme nachträglich ausgewertet.
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Eine besonders gute Analyse mit zuverlässiger Erkennung von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen eine Schmierung durch den Schmierfilm zwischen Ventilschaft und Ventilschaftführung nicht ausreichend ist, erzielt man dadurch, dass der mindestens ein physikalische Parameter des Schmierfilmes zwischen dem Ventilschaft und der ersten Ventilschaftführung eine Schmierfilmdicke, eine Schmierfilmtemperatur und/oder ein Schmierfilmdruck ist. Alternativ oder zusätzlich wird die Schmierfilmbewegung selbst dargestellt.
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Eine besonders realitätsnahe Analyse des Schmierfilms für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine sowie im Vergleich mit verschiedenen Kraftstoffarten, wie beispielsweise Benzin und Gas im Vergleich, erzielt man dadurch, dass der mindestens eine physikalische Parameter des Schmierfilmes während eines befeuerten Betriebs der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
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Eine besonders kostengünstige und einfach auszuführende Analyse des Schmierfilms für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine mit reduzierten Einflussfaktoren, welche sich sonst aus dem befeuerten Betrieb ergeben, wie beispielsweise Druckimpulse, thermische Belastung, thermische Ströme aufgrund von Kraftstoff-Luftgemisch-Strömen oder Benetzung der Gaswechselventile mit Kraftstoff, erzielt man dadurch, dass der mindestens eine physikalische Parameter des Schmierfilmes während eines geschleppten Betriebs der Brennkraftmaschine bestimmt wird.
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Ferner ist es bei einer Brennkraftmaschine der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zylinderkopf wie voranstehend beschrieben ausgebildet ist.
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Dies hat den Vorteil, dass eine voll funktionsfähige Brennkraftmaschine für einen Prüfstand zur Verfügung steht, welche zum realitätsnahen Untersuchen des Schmierfilms im tribologischen System Ventilschaft/Ventilschaftführung mit dem Verfahren, wie zuvor beschrieben, verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1 eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes für eine Brennkraftmaschine in Seitenansicht,
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2 eine Detailansicht des Bereiches II von 1,
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3 den Zylinderkopf gemäß 1 in einer Schnittansicht,
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4 den Zylinderkopf gemäß 1 in einer Schnittansicht,
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5 den Zylinderkopf gemäß 1 in einer Ansicht von oben,
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6 den Zylinderkopf gemäß 1 in einer perspektivischen Seitenansicht und
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7 eine schematische Darstellung der Anordnung von Ventilschaft, Ventilschaftführung und Bohrungen in dem Zylinderkopf sowie eine schematische Darstellung einer Strahlführung für eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die in 1 und 3 bis 6 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes 10 umfasst einen Kühlwasserflansch 12 an dem Anschlüsse 14, 16 zum Zu- bzw. Abführen von Kühlwasser an einen bzw. von einem in dem Zylinderkopf 10 ausgebildeten Wassermantel angeordnet sind. In dem Zylinderkopf 10 sind Gaswechselventile angeordnet, deren jeweiliger Ventilschaft 18 in einer Ventilschaftführung 20 geführt ist.
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Erfindungsgemäß sind zusätzlich auf dieser Seite des Zylinderkopfes 10 mit dem Kühlwasserflansch 12 eine erste Bohrung 22 und eine zweite Bohrung 24 angeordnet. Die erste Bohrung 22 dient als Lichtzugangsbohrung und die zweite Bohrung 24 dient als Beobachtungsbohrung, wie später noch im Detail erläutert werden wird. Die erste Bohrung 22 endet an einer Außenseite des Zylinderkopfes im Bereich des Kühlwasserflansches 12 mit einer ersten Öffnung 26 und die zweite Bohrung 24 endet an der Außenseite des Zylinderkopfes in einem Bereich benachbart zum Kühlwasserflansch 12 mit einer dritten Öffnung 28. Hierbei schließen die Mittelachse 30 der ersten Bohrung 22 und die Mittelachse 32 der zweiten Bohrung 24 einen vorbestimmten Winkel 34 von beispielsweise 40° ein.
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7 veranschaulicht die Anordnung der Bohrungen 22, 24 in Relation zu der Ventilschaftführung 20. Die erste Bohrung 22 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass diese einen durchgehenden Kanal 36 von der ersten Öffnung 26 an einer Außenseite des Zylinderkopfes 10 bis zu einer zweiten Öffnung 38 an einer Innenseite des Zylinderkopfes 10, welche an die Ventilschaftführung 20 angrenzt, ausbildet. Die zweite Bohrung 24 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass diese einen durchgehenden Kanal 40 von der dritten Öffnung 28, welche von der ersten Öffnung 26 beabstandet ist, an der Außenseite des Zylinderkopfes 10 bis zu einer vierten Öffnung 42, welche mit der zweiten Öffnung 38 teilweise überlappt, an einer Innenseite des Zylinderkopfes 10, welche an die Ventilschaftführung 20 angrenzt, ausbildet.
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Wie zusätzlich aus 7 ersichtlich ist, bilden der Ventilschaft 18 und die Ventilschaftführung 20 ein tribologisches System mit einem Spalt, in dem ein Schmierfilm 44 eines Schmiermittels vorhanden ist.
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Die Ventilschaftführung 20 ist aus einem Werkstoff hergestellt, welcher für ein vorbestimmtes Wellenlängenspektrum oder eine vorbestimmte Wellenlänge von elektromagnetischen Wellen transparent ist. Beispielsweise ist die Ventilschaftführung 20 aus Saphir hergestellt, welches für sichtbares Licht im Wellenlängenspektrum 400 nm bis 700 nm transparent ist.
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Durch die Anordnung der Bohrungen 22, 24 und die Transparenz der Ventilschaftführung 20 ist das tribologische System aus Ventilschaft 18 und Ventilschaftführung 20 mit dem Schmierfilm 44 durch die zweite Bohrung 24 sichtbar, wie zusätzlich aus 2 ersichtlich ist. Diese 2 zeigt einen Blick durch den Kanal 40 der zweiten Bohrung von außen, also ausgehend von der dritten Öffnung 28 in den Zylinderkopf 10 hinein.
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Wie aus den 3, 5 und 6 ersichtlich, ist an der ersten Bohrung 22 (Lichtzugangsbohrung) eine Strahlungsquelle (Lichtquelle) 46 angeordnet, welche elektromagnetische Strahlung (insbesondere Licht) durch den Kanal 36 der ersten Bohrung 22 in Richtung des tribologischen Systems aus Ventilschaft 18 und Ventilschaftführung 20 abstrahlt. Diese Strahlungsquelle 46 ist so gewählt, dass diese elektromagnetische Strahlung (insbesondere Licht) in einem vorbestimmten Wellenlängenspektrum oder einer vorbestimmten Wellenlänge ausstrahlt, für das bzw. die Ventilschaftführung 20 transparent ist. In dem vorliegenden, bevorzugten Beispiel ist die Strahlungsquelle 46 eine Lichtquelle für sichtbares Licht, welche Licht aus dem Wellenlängenspektrum 400 nm bis 700 nm abstrahlt. Hierbei kann die Strahlungsquelle 46 Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge aus diesem Wellenlängenspektrum oder Licht mit mehreren Wellenlängen oder einem Wellenlängenbereich aus diesem Wellenlängenspektrum abstrahlen. Hierbei kann der Anteil der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich sein. Weiterhin ist ein Detektor 48 an der zweiten Bohrung (Beobachtungsbohrung) 24 angeordnet. Dieser ist derart ausgebildet, dass er entweder die von der Strahlungsquelle 46 abgestrahlte und von dem tribologischen System Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 reflektierte elektromagnetischen Wellen detektiert oder eine andere Wellenlänge bzw. Wellenlängen von elektromagnetischer Wellen, die von dem tribologischen System Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 aufgrund von einer Anregung durch die elektromagnetischen Wellen aus der Strahlungsquelle 46 angeregt werden, wie beispielsweise aufgrund von Fluoreszenz. Hierbei wird beispielsweise dem Schmierfilm ein entsprechender, fluoreszierender Werkstoff oder mehrere, aufeinander abgestimmte fluoreszierende Werkstoffe beigemischt.
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4 veranschaulicht den tatsächlichen Beobachtungsausschnitt für das tribologische System Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20. Aufgrund des begrenzten Durchmessers der zweiten Bohrung 24 von beispielsweise 15 mm ist das tribologische System Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 nicht in seiner vollen Länge sichtbar, sondern nur ein Teilbereich, wie mit der Scheibe 50 in 4 angedeutet.
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Eine Besonderheit ergibt sich bei Zylinderköpfen mit Wasserkühlung. Diese beinhalten, wie aus 3 und 4 ersichtlich, einen Wassermantel 52, der unter anderem die Ventilschaftführung 18 zur Kühlung umgibt. Um mit der ersten und zweiten Bohrung 22, 24 nicht durch diesen Wassermantel 52 hindurch zu müssen, ist dieser bei dem Zylinderkopf 10 im Vergleich zu einem Serienzustand dieses Zylinderkopfes 10 so abgewandelt, dass sich im Verlauf der beiden Bohrungen 22, 24 kein Wassermantel befindet. Wie sich aus 3 ergibt, weist der Kanal 40 der zweiten Bohrung 24 einen Abstand 54 vom Wassermantel 52 für die Ventilschaftführung (in 3 nicht dargestellt) auf.
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7 veranschaulicht zusätzlich eine Lichtführung für eine spektroskopische Analyse des tribologischen Systems Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20. Über den Kanal 36 der ersten Bohrung 22 wird von der Strahlungsquelle 46 (in 7 nicht dargestellt) Licht 56 eingestrahlt, so dass dieses durch die transparente Ventilschaftführung 20 aus Saphir und den Schmierfilm 44 auf den Ventilschaft 18 fällt und dort reflektiert wird oder dort eine Fluoreszenzstrahlung auslöst. Strichpunktierte Linien 66 veranschaulichen den Lichtdurchtritt durch die Ventilschaftführung 18, wobei das einfallende und das reflektierte Licht bzw. das Fluoreszenzlicht diesen Linien 66 folgt. Hierbei erfolgt eine Brechung des Lichts 56 einmal beim Eintritt in die transparente Ventilschaftführung 20 und ein weiteres Mal beim Austritt aus der transparenten Ventilschaftführung 20, so dass von dem tribologischen System Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 abgestrahltes Licht 58 über den Kanal 40 der zweiten Bohrung 24 mittels des Detektors 48 (in 7 nicht dargestellt) detektiert und entsprechend ausgewertet werden kann.
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Eine Besonderheit ergibt sich im Bereich 60 der Oberfläche der Ventilschaftführung 20. Hier erfolgt eine an sich unerwünschte Totalreflexion des eingestrahlten Lichtes 56 in Richtung des Detektors 48, wie mit Pfeil 62 angedeutet. Dies führt dazu, dass das eigentlich interessante, reflektierte Licht 58 an dieser Stelle von dem Licht der Totalreflexion überstrahlt wird, so dass reflektiertes Licht, welches durch diesen Bereich 60 in den Kanal 40 der zweiten Bohrung 24 austritt (wie mit Pfeil 64 angedeutet) nicht vom Detektor 48 erfasst werden kann, so dass in einem bestimmten Bereich keine Analyse des tribologischen Systems Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 erfolgen kann. Daher ist es vorgesehen, dass die Winkel 34 derart gewählt wird, dass der Bereich 60 möglichst klein ist.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Brennkraftmaschine mit dem zuvor beschriebenen Zylinderkopf 10 auf einem Prüfstand betrieben. Hierbei wird die Brennkraftmaschine passiv geschleppt, oder aktiv befeuert in verschiedenen Betriebszuständen betrieben, wobei eine Schmierung des tribologischen Systems Ventilschaft 18/Schmierfilm 44/Ventilschaftführung 20 erfolgt. Während des Betriebs wird beispielsweise mittels Spektroskopie über die beiden Bohrungen 22, 24 die Qualität des Schmierfilms beurteilt, um so Betriebstzustände oder Übergänge von einem Betriebszustand zu einem anderen Betriebszustand zu ermitteln, in denen eine Schmierung durch den Schmierfilm 44 nicht ausreicht es zu unerwünschtem, erhöhtem Verschleiß zwischen dem Ventilschaft und der Ventilschaftführung kommt. Beispiele für solche Betriebszustände sind der Übergang von einem Betrieb mit einer Kraftstoffart, beispielsweise Benzin, zu einer anderen Kraftstoffart, beispielsweise Gas, oder umgekehrt. Jedoch auch andere Betriebszustände, ohne Wechsel der Kraftstoffart, können zu einer Reduzierung der Effektivität des Schmierfilms 44 führen. Solche problematischen Betriebszustände können mit dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf und dem erfindungsgemäßen Verfahren nun im realitätsnahen Betrieb der Brennkraftmaschine und noch im Stadium der Konzeption der Brennkraftmaschine erkannt werden.
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Ist ein solcher problematischer Betriebszustand erkannt, kann aufgrund der Analyse des Schmierfilms 44 eine Gegenmaßnahme gesucht und direkt am Prüfstand getestet werden. Solch eine Gegenmaßnahme können beispielsweise Veränderungen einer Mikro-Oberflächentopographie von Ventilschaft und Ventilführung oder sowie eine gezielte Beölung des tribologischen Systems sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dann nicht nur getestet werden, ob die Gegenmaßnahme das Problem in dem zuvor aufgefundenen Betriebszustand löst, sondern es kann darüber hinaus auch sofort geprüft werden, ob diese Gegenmaßnahme ggf. in anderen Betriebszuständen vorher nicht vorhandene Probleme erzeugt.
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Zur Beurteilung der Effektivität des Schmierfilms 44 werden beispielsweise mindestens ein physikalischer Parameter des Schmierfilms 44 und/oder eine Bewegung des Schmierfilms 44 selbst bestimmt, wie beispielsweise eine Dicke des Schmierfilms 44, eine Temperatur des Schmierfilms 44 und/oder ein Druck des Schmierfilms 44. Beispielsweise gibt eine zu geringe Dicke des Schmierfilms 44 unterhalb eines zuvor ermittelten, vorbestimmten Mindestdicke, einen unmittelbaren Hinweise darauf, dass eine ausreichende Schmierung nicht mehr gegeben ist und es zu unerwünschtem Verschleiß kommt. Hierbei muss nicht erst zeitraubend darauf gewartet werden, bis die nicht mehr effektive Schmierung Spuren an den Oberflächen von Ventilschaft bzw. Ventilschaftführung hinterlässt, die nachträglich ausgewertet werden müssen, sondern durch die unmittelbare Analyse des Schmierfilms 44 ist dies schon vor dem tatsächlichen Verschleiß, welcher sich ggf. erst nach vielen Betriebsstunden der Brennkraftmaschine auf dem Prüfstand ergäbe, ersichtlich.
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Beispielsweise wird die tribologische Schmierfilmbewegung im Tribosystem Ventilschaftführung 20/Ventilschaft 18 mit Hilfe von laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopien (LIF) und IR Spektroskopie am befeuerten Motor im Maßstab 1:1 real dargestellt. Es werden dann z. B. die Modi Otto- und Gasbetrieb (CNG-Gas) miteinander verglichen und die Ergebnisse für zukünftige Motorenkonzepte und Motorenprojekte verwendet, um mögliche, tribologisch ungünstige Betriebszustände zu erkennen und zu deuten. Mit Hilfe von LIF, IR oder Weißlicht Spektroskopien werden Unterschiede zwischen Otto- und Gasbetrieb dargestellt: Sowohl in der Schmierfilmbewegung, als auch in der Schmierfilmdickenbestimmung als auch in chemischen Ölanalysen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem modifizierten Serien-Zylinderkopf vorgenommen. Um aus der Wasserseite sowohl die Licht- als auch die Endoskop-Beobachtungsbohrungen 22, 24 fräsen zu können, wird am Serien-Zylinderkopf der Öl- und der Wasserkern verändert. Die Ventilschaftführung beispielsweise des Auslassventils wird durch eine entsprechend den Konstruktionszeichnungen der Serienmessingführung hergestellte Saphirführung ersetzt. Um die Saphirführung von außen sichtbar zu machen, sind die zwei Zugangsbohrungen 22, 24 auf der Stirn-Wasserseite des Zylinderkopfes 10 bis auf einen axialen Mittelpunkt 68 (7) der Ventilschaftführung 20 gefräst.
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Die Benetzung wird über den Kontaktwinkel (Funktion von Oberflächenenergie der Oberfläche (polare und apolare Anteile) sowie der Oberflächentopographie bestimmt. Ziel ist es, dass beide Oberflächen bei einer Benetzung mit dem Motoröl denselben Kontaktwinkel bei unterschiedlichen Temperaturen ausprägen.
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Die Strahlenführung der Messoptik ist in 7 dargestellt. Die dortige Ausrichtung und der Winkel der Zugangsbohrungen 22, 24 zueinander sind derart gewählt, dass die sich einstellenden Reflexionen auf ein Minimum reduziert sind. Um den Schmierfilm 44 sichtbar zu machen wird das Motoröl mit einem Tracer versehen, der bei einer bestimmten Wellenlänge des Lasers zu fluoreszieren beginnt.
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Auch die IR Spektroskopie wird verwendet um Veränderungen in der Ölzusammensetzung zwischen Otto und CNG Betrieb zu erkennen. Dies geschieht durch einen Abgleich der Absorptionsspektren mit vorhandenen Absorptionsbibliotheken.
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Es werden folgende Parametervariationen durchgeführt:
- – Saphirführungen unterschiedlicher Rauigkeit
- – Variation der Ventilschaftabdichtungen (mit Gaslip, ohne Gaslip, Gaslip mit unterschiedlichen Radialkräften
- – Veränderung des Ventilführungsspiels
- – Variation Öltemperaturen
- – Variation Ölsorten unterschiedliche Viskositätsklassen
- – Veränderung der Ventilgeometrie (konischer Schaft, Veränderung von Oberflächenprofilometrie und Rauigkeiten der Ventilschaftoberfläche)
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Es soll gezeigt werden, welche Parameter Einfluss auf das tribologische System haben und welche Faktoren für die Auslegung zukünftiger Motorenkonzepte zu beachten sind.
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Die Erfindung schafft eine reale Umgebungsbedingung mit der das tribologische System Ventilführung/Ventilschaft an einem realen Motor im Maßstab 1:1 dargestellt und untersucht wird. Die Erfindung ermöglicht ein entwicklungsbegleitendes Werkzeug um zukünftige Motorenkonzepte im Hinblick auf Reibung und Verschleiß noch vor Serienbeginn untersuchen zu können.
