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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Minderung des Verzuges mindestens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
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Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und der damit verbundene Schadstoffausstoß ist derzeitig ein vielbeachtetes Feld im Bereich des Kraftfahrzeugbaus.
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Hierbei stellt unter anderem der Bereich der innermotorischen Reibung, vor allem zwischen Zylinderlauffläche und Kolbenbaugruppe, ein Gebiet dar, bei welchem ein Einsparpotential bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und Schadstoffausstoßes in hohem Maße vorhanden ist.
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Als altgewohnter Stand der Technik lässt sich die Bearbeitung der Zylinder mittels Honverfahren beschreiben, bei der die Zylinder unter Verwendung von Honahlen so bearbeitet werden, dass sie eine hohe Formgenauigkeit bezüglich der Zylinderform sowie geringe Toleranzen und Rauheitswerte aufweisen. Zusätzlich entsteht durch die translatorische sowie rotatorische Schleifbearbeitung eine Mikrostruktur auf der Oberfläche der Zylinderlauffläche, in der ein Schmierstoff wie Motoröl anhaften kann.
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Bei der Montage sowie dem Betrieb des Motors können jedoch Verzüge der Zylinder entstehen, die sich basierend auf ihrer Ursache in kaltstatische, thermische sowie dynamische Verzüge unterteilen lassen. Hierbei entstehen kaltstatische Verzüge z.B. bei der Montage des Zylinderkopfes, thermische Verzüge aufgrund der entstehenden Verbrennungs- sowie Reibwärme, dynamische Verzüge beispielsweise durch den entstehenden Verbrennungsdruck.
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Die kaltstatischen Verzüge bilden hierbei in der Regel Verzugsformen der vierten Ordnung oder auch Kleeblattverzüge genannt. Die thermisch bedingten Verzüge hingegen resultieren im Wesentlichen in Verzugsformen der zweiten Ordnung, was einer Ovalisierung der Zylinder entspricht. Hierbei erfolgt die Ausdehnung bzw. Ovalisierung in einer Vorzugsrichtung, welche quer zu einer beispielsweise Reihenanordnung mehrerer Zylinder verläuft. Zugleich findet diese Ausdehnung der Zylinder in dem oberen Bereich dieser statt, wodurch eine Änderung der Konizität der Zylinder auftritt. Betreffend der dynamischen Verzüge lässt sich aussagen, dass diese sich in der Regel in komplexen Formen ausprägen, welche zeitlich veränderlich auftreten können. Die thermischen Verzüge können anteilig das drei- bis vierfache der kaltstatischen Verzüge am Gesamtverzug annehmen, die dynamischen Verzüge stellen den geringsten Anteil dar.
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Diese mechanischen und insbesondere thermischen Zylinderverzüge bedingen somit im Motorbetrieb eine Formabweichung der Zylinder von der ursprünglich gefertigten Zylinderform, wodurch die Tangentialkraft der Kolbenringe erhöht werden muss, um eine Leckage der Verbrennungsgase und des Öls zu verhindern (Blow By bzw. Reverse Blow By). Die Erhöhung der Tangentialkraft der Kolbenringe hat zur Folge, dass die Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderlauffläche erhöht wird. Vor allem innere Zylinder, beispielsweise bei Reihendreizylinder-Motoren, sind betroffen, wobei vor allem Verzüge der zweiten Ordnung Zylinderdeformationen mit im Vergleich hohen Ausdehnungen bis zu mehreren zehn Mikrometern verursachen.
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Um diese Zylinderverzüge nach der Montage bzw. im Betrieb zu minimieren werden vor allem Ansätze zur Erzeugung von Vorhaltekonturen mit veränderten Honverfahren verfolgt, wobei dies dazu dient eine möglichst hohe Zylinderformgenauigkeit während des Betriebes zu gewährleisten.
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Zur Reduzierung der kaltstatischen Montageverzüge kann beispielsweise eine sogenannte Honbrille eingesetzt werden, welche den mechanischen Verzug durch die Montage des Zylinderkopfes beim Honen imitiert.
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Neuere Entwicklungen zeigen für den Bereich der thermischen Zylinderverzüge das Erzeugen von Vorhaltekonturen der Zylinder mittels Formhonverfahren, über welche eine gewünschte Kontur mit der Zylinderkontur überlagert werden kann. Diese Kontur wird mittels Honahlen, die über gesteuert zustellbare Honleisten verfügen, erzeugt. Hierbei erfolgt die Optimierung dieser Kontur auf einen Betriebspunkt, beispielsweise einer bestimmten Temperatur eines Motors so, dass der Zylinder in diesem einen Betriebspunkt eine möglichst hohe Formgenauigkeit aufweist. Durch die Festlegung der Optimierung auf einen Betriebspunkt können jedoch in anderen Betriebspunkten wiederum Nachteile, wie z.B. erhöhte Reibkräfte zwischen Zylinderlaufbahn und Kolben erfolgen. Weiterhin können die Rauheitskennwerte bei diesen Formhonverfahren höhere Werte annehmen, als bei Standardhonverfahren, was wiederum zu einer Erhöhung der bereits genannten Reibkräfte beiträgt.
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Die
DE 10 2008 064 592 A1 beschreibt hierzu eine Honahle mit verstellbaren Honleisten, welche zur Bearbeitung von Bohrungen, mit dem Ziel der Erzeugung einer nicht zylindrischen Innenfläche dieser Bohrung, angedacht ist. Hierfür können die Honleisten der Honahle über ein zweigeteiltes Zustellsystem radial mit einer unterschiedlichen Zustellung beaufschlagt werden. Das Zustellsystem verfügt über piezoelektrische Aktoren sowie eine Hydraulik, wobei die piezoelektrischen Aktoren auf die Hydraulik einwirken, wodurch geringe Stellwege der Aktoren auf eine höhere Zustellung der Honleisten übersetzt werden.
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Die dargestellten kaltstatischen sowie thermischen Verzüge sind statischer bzw., bedingt durch die langsame Verzugsänderung, quasistatischer Natur. Die Minimierung der dynamischen Verzüge kommt jedoch einer aktiven Schwingungsdämpfung der Zylinder gleich.
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Diesbezüglich beschreibt beispielhaft die
EP 1 819 513 B1 eine Anordnung einer Walze einer Druckmaschine zur Schwingungsreduktion der Walze. Hierbei sind die zur Schwingungsreduzierung gedachten Aktoren in einem linear bewegbaren Lagerbock der Druckwalzen integriert und mit diesem Lagerbock beweglich ausgeführt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung und das Verfahren der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass der durch eine, z.B. statische, thermische, dynamische oder sonstige, Belastung des Zylinders entstehende Verzug eines oder mehrerer Zylinder, in einem beliebigen Betriebspunkt über den gesamten Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine zumindest teilweise ausgeglichen werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Minderung des Verzuges mindestens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine vorgesehen, bei der innerhalb dieser Brennkraftmaschine mindestens ein Stellglied im Bereich des mindestens einen Zylinders außenseitig des Zylinders so angeordnet ist, dass dieses Stellglied direkt oder indirekt eine Kraft auf die Wandung des Zylinders ausübt. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Kraft auf die Wandung des Zylinders aufzubringen, die der Deformation des Zylinders entgegenwirkt. Eine quasi beliebige Belastung, die diese Deformation verursacht, kann unter Umständen durch den Betrieb der Brennkraftmaschine oder weiterer Einflüsse bedingt sein. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, das mindestens eine Stellglied im Bereich der höchsten Deformation anzuordnen. Dabei kann es sinnvoll sein, dass das Stellglied oder mehrere Stellglieder z.B. in einem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Die Anordnung kann weiterhin z.B. nicht nur im Bereich eines Zylinders der Brennkraftmaschine erfolgen, sondern überdies an mehreren oder allen Zylindern dieser Brennkraftmaschine, um entsprechend die Verzüge dieser Zylinder zu mindern.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens zwei Stellglieder in einem oberen Bereich des mindestens einen Zylinders außenseitig des Zylinders angeordnet und diese zwei Stellglieder befinden sich in einer radialen Vorzugsrichtung der Ausdehnung des Zylinders, welche durch eine thermische Belastung bedingt ist, gegenüber und üben in dieser radialen Vorzugsrichtung eine gegensinnig gerichtete, radial nach innen beaufschlagte Kraft direkt oder indirekt auf die Wandung des Zylinders aus. Durch diese besonders vorteilhafte Anordnung besteht die Möglichkeit z.B. die thermischen Verzüge, d.h. vor allem Verzüge zweiter Ordnung zu minimieren, da diese in der Regel den höchsten Anteil am Gesamtverzug eines Zylinders darstellen. Vor allem die Festlegung der Stellglieder auf gegenüberliegenden Seiten, in einem oberen Bereich des Zylinders und in Richtung der bevorzugten Ausdehnung, d.h. in den Bereichen der höchsten Deformation des Zylinders, bewirkt beispielsweise bei der Einleitung einer gegensinnig, in die Richtung dieser höchsten Deformation des Zylinders, gerichteten Kraft durch die beiden Stellglieder eine Minimierung des Verzuges dieses Zylinders.
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Als überaus zweckdienlich stellt sich weiterhin dar, wenn mehr als zwei Stellglieder entlang einer Zylinderlängsachse des Zylinders sowie in Umfangsrichtung beabstandet, außenseitig des Zylinders angeordnet sind und diese direkt oder indirekt eine Kraftwirkung auf die Wandung des Zylinders ausüben. Durch eine solche Ausführungsform der Vorrichtung lässt sich quasi ein beliebiger Verzug durch eine beliebige Belastung des Zylinders minimieren, wobei diese Belastung statisch, thermisch, dynamisch, d.h. in Höhe und/oder zeitlich variierend oder sonstartig geartet sein kann. Somit können unter anderem auch Zylinderverzüge höherer Ordnungen, z.B. der vierten Ordnung oder beliebig geartet, minimiert werden.
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Die Kennzeichnung einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist darin bestimmt, dass die Stellglieder piezoelektrische oder thermomechanische Aktuatoren sind. Die Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren, insbesondere piezoelektrische Stapelaktuatoren, oder thermomechanischen Aktuatoren als Stellglied ist beispielsweise vor allem aus dem Grund von Vorteil, da durch diese, die relativ geringen, notwendigen Stellwege abgedeckt werden und diese zugleich hohe Stellkräfte sowie einen hohen Dynamikbereich aufweisen.
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Zudem ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn ein Bereich eines Gegenlagers, an dem das Stellglied innerhalb der Brennkraftmaschine angeordnet ist, eine diesen Bereich verstärkende Stützstruktur aufweist. Ist das Stellglied innerhalb der Brennkraftmaschine beispielsweise im Zylinderkurbelgehäuse angeordnet, so kann es von Vorteil sein, wenn im Bereich des Lagers bzw. der Fixierung des Stellgliedes, aufgrund der zu erwartenden hohen Stellkräfte, eine z.B. als Verstärkungsrippe ausgebildete Stützstruktur vorgesehen ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die durch das Stellglied aufgebrachte Kraft auf die Wandung des Zylinders wirkt und eine Verformung des Zylinders und nicht des Fixierungsbereiches des Stellgliedes hervorruft.
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Ist zwischen dem Stellglied und einer äußeren Mantelfläche der Wandung des Zylinders eine Lastverteilerstruktur angeordnet und eine, dieser Mantelfläche zugewandte, stirnseitige Außenkontur der Lastverteilerstruktur zumindest teilweise entsprechend der Kontur der Mantelfläche ausgeformt, so ist dies als äußerst vorteilhaft anzusehen. Mittels dieser Lastverteilerstruktur ist es z.B. möglich, eine, durch die Ausformung dieser, flächenhafte Last auf die Wandung des Zylinders aufzubringen. Durch diese flächenhaft, anstelle einer punktförmig, aufgebrachten Last kann lediglich eine geringe Wahrscheinlichkeit bestehen, dass anstelle einer Minderung des Zylinderverzuges, beispielsweise der zweiten Ordnung, ein Verzug höherer Ordnung angeregt wird. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die stirnseitige, an die Wandung des Zylinder anschließende Fläche der Lastverteilerstruktur eine Form aufweist, die zumindest teilweise gleich der Kontur der Wandung geformt ist. Es ist denkbar, dass die Lastverteilerstruktur beispielsweise ein- oder mehrteilig, in einer volumenhaften Form oder auch aus einzelnen Stützelementen zusammengesetzt ausgeführt sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist innerhalb der Brennkraftmaschine mindestens ein Messaufnehmer im Bereich des mindestens einen Zylinders an der äußeren Mantelfläche dieses Zylinders oder zu dem Zylinder beabstandet, so angeordnet, dass dieser Messaufnehmer die belastungsbedingte Konturänderung dieses Zylinders bestimmt. Dieser Messaufnehmer kann beispielhaft als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein, der auf der Mantelfläche angebracht werden kann. Weiterhin bestehen z.B. ebenso Möglichkeiten, optische Messverfahren sowie Temperatursensoren einzusetzen oder ein Stellglied, beispielsweise ein als piezoelektrischer Aktor ausgebildetes Stellglied selbst, als Messaufnehmer zu verwenden.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zur Minderung des Verzuges mindestens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei mittels mindestens eines Stellgliedes eine Kraft auf die Wandung des mindestens einen Zylinders der Brennkraftmaschine ausgeübt wird und die Höhe dieser Kraft in Abhängigkeit der, auf den Zylinder wirkenden Belastung bestimmt ist. Mittels dieser Vorgehensweise ist es beispielsweise möglich, die Kraft auf die Wandung des Zylinders in Abhängigkeit der z.B. in einem Momentanzustand auf den Zylinder wirkenden Belastung anzupassen und somit den Verzug des Zylinders, z.B. in Bezug auf einen momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu minimieren, wobei dies mittels diesen Verfahrens über den gesamten Betriebsbereich dieser Brennkraftmaschine ermöglicht werden kann. Besonders vorteilhaft kann sich dieses Verfahren beispielsweise in Kombination mit formgebenden Fertigungsverfahren, insbesondere dem Honen mit einer Honbrille, darstellen, da hierdurch durch die Montage bedingte kaltstatische Verzüge des Zylinders bereits ausgeglichen werden können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Höhe der durch das Stellglied auf den Zylinder ausgeübten Kraft aus der sich durch die Belastung des Zylinders ergebenden Konturänderung der Wandung des Zylinders mittels des im Bereich des Zylinders angeordneten Messaufnehmers, oder in oder an der Brennkraftmaschine und/oder eines Kraftfahrzeuges mit einer solchen Brennkraftmaschine bereits vorhandenen Messelementen bestimmt. Hierdurch kann es ermöglicht werden, dass die auf die Wandung des Zylinders aufgebrachte Kraft direkt abhängig vom momentan vorherrschenden Verzug dieses Zylinders ist, wobei dieser Verzug mittels des zusätzlich angeordneten Messaufnehmers oder über bereits vorhandene Messelemente ermittelt werden kann. Die in diesem Fall beispielsweise von einem oder mehreren vorhandenen Messelementen generierte Messgröße oder Messgrößen können z.B. mittels eines in einer datenverarbeitenden Einheit, z.B. einem Steuergerät, implementierten, numerischen respektive physikalischen Modells zur Bestimmung der Stellgröße, exemplarisch der Kraft, des Stellgliedes verwendet werden. Diese Messelemente können beispielshalber als Temperatur- oder Drehzahlsensoren oder andere ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft stellt sich bezüglich des Verfahrens weiterhin dar, wenn die, auf die Wandung des mindestens einen Zylinders der Brennkraftmaschine, mittels des mindestens einen Stellgliedes, ausgeübte Kraft sich zeitlich und/oder in Höhe ändert und diese Änderung in Abhängigkeit einer, durch eine dynamische Belastung des Zylinders bedingte, dynamische Konturänderung des Zylinders bestimmt wird. Mittels dieser Ausführungsform ist es vorstellbar, dass z.B. eine beliebige, zeitlich variable Konturänderung bzw. ein Verzug, beispielsweise durch eine Schwingung oder Vibrationen des Zylinders hervorgerufen, minimiert wird und somit mehr oder minder eine Schwingungsdämpfung oder -tilgung des Zylinders realisiert werden kann.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine Darstellung der Brennkraftmaschine mit drei Zylindern;
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2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine Detaildarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Minderung des Verzuges mindestens eines Zylinders 1 mit einer Zylinderlängsachse 7 einer Brennkraftmaschine 2. Hierbei ist innerhalb dieser Brennkraftmaschine 2 ein Stellglied 3 in einer radialen Vorzugsrichtung der Ausdehnung 6 des Zylinders 1 im Bereich 4 des mindestens einen Zylinders 1 der Brennkraftmaschine 2 außenseitig des Zylinders 1 so angeordnet, dass dieses Stellglied 3 indirekt über eine Lastverteilerstruktur 11 in der radialen Vorzugsrichtung 6 eine radial nach innen gerichtete Kraft F auf eine Wandung 5 des Zylinders 1 ausübt. Weiterhin ist innerhalb der Brennkraftmaschine 2 mindestens ein Messaufnehmer 13 im Bereich des mindestens einen Zylinders 1 angeordnet, sodass dieser Messaufnehmer 13 die belastungsbedingte Konturänderung des Zylinders 1 bestimmt. In dem Bereich eines Gegenlagers 8, an dem das Stellglied 3 innerhalb der Brennkraftmaschine 2 angeordnet ist, weist die Brennkraftmaschine 2 in dieser Ausführungsform eine diesen Bereich 8 verstärkende Stützstruktur 9 auf.
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In der 2 sind drei Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine 2 dargestellt, wobei an einem der Zylinder 1 mittels zweier Stellglieder 3 in einer radialen Vorzugsrichtung der Ausdehnung 6 des Zylinders 1 jeweils eine gegensinnig gerichtete, radial nach innen beaufschlagte Kraft F auf die Wandung 5 des mindestens einen Zylinders 1 der Brennkraftmaschine 2 ausgeübt wird. Die Höhe dieser Kraft F ist dabei in Abhängigkeit der, auf den Zylinder 1 wirkenden Belastung bestimmt. Die Stellglieder liegen sich in der, durch eine thermische Belastung, bedingten radialen Vorzugsrichtung der Ausdehnung 6 des Zylinders 1 gegenüber und mindern den durch diese Ausdehnung verursachten Verzug des Zylinders 1.
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Die in 3 dargestellte Detaildarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Minderung des Verzuges eines Zylinders 1 zeigt ein Stellglied 3, welches indirekt eine Kraft F auf die Wandung 5 des Zylinders 1 ausübt. Zwischen dem Stellglied 3 und einer äußeren Mantelfläche 10 der Wandung 5 des Zylinders 1 ist eine Lastverteilerstruktur 11 angeordnet, wobei eine, dieser Mantelfläche 10 zugewandte, stirnseitige Außenkontur 12 der Lastverteilerstruktur 11 zumindest teilweise entsprechend der Kontur der Mantelfläche 10 ausgeformt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Stellglied
- 4
- Bereich Zylinder
- 5
- Wandung
- 6
- Vorzugsrichtung Ausdehnung (2. Ordnung)
- 7
- Zylinderlängsachse
- 8
- Bereich Gegenlager
- 9
- Stützstruktur
- 10
- Mantelfläche Wandung
- 11
- Lastverteilerstruktur
- 12
- Außenkontur
- 13
- Messaufnehmer
- F
- Kraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064592 A1 [0011]
- EP 1819513 B1 [0013]
