DE69623695T2

DE69623695T2 - Schnelles Ermüdungsprüfsystem für Motorblocke

Info

Publication number: DE69623695T2
Application number: DE69623695T
Authority: DE
Inventors: John E. Brevick; Gary D. Liimatta
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford Motor Co Ltd; Ford Motor Co
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: EP0747687B1; EP0747687A3; JPH095214A; DE69623695D1; US5585549A; EP0747687A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für eine Schnelltestung, um die strukturelle Integrität von Zylinderblöcken in Verbrennungsmotoren zu bestimmen.
Diese Testung verwendet hydraulischen Druck anstatt mechanischer Belastung, um die Kräfte von Verbrennungsgasen auf den Zylinderblock - und wenn gewünscht den Zylinderkopf - zu simulieren.
Reihentestung von Verbrennungsmotor-Baugruppen hat allgemein die Form einer mechanischen Testung angenommen, wie es in U.S. 3,690,162 (Stecher) gezeigt ist, in welchem Kolben und Kolbenringe durch mechanische Anregungssysteme starken Schwingungskräften ausgesetzt werden. Es war auch bekannt Zylinderblöcke mechanischen, durch pressenartige Mechanismen auferlegten Kräften auszusetzen, welche den Motorblock in einer Art und Weise belasten, von der geglaubt wird daß sie - obgleich sehr ungenau - Kräfte simuliert, die dem Block auferlegt werden wenn der Motor zündet. U.S. 5,054,314 (Cofflard et al.) offenbart ein System zur Benutzung einer Einspritzpumpe, um einen Motor-Zylinderkopf zu testen indem der Zylinderkopf hydraulischem Druck ausgesetzt wird. Unglücklicherweise enthält das System des '314er-Patents weder etwas den Zylinderblock betreffendes, noch scheint es eine schnelle Testung mehrerer Zylinder in einem Motor zuzulassen, um so den Effekt von Zündungsbelastungen auf den Motor genauer zu simulieren. Obwohl es bekannt ist, mehr als einen Zylinder eines Motors mit einem hydraulischen Drucktest zu prüfen, ist es nicht bekannt ein System zu verwenden in welchem mehrere Zylinder mit einer geringeren Anzahl von Servoventilen betätigt wird als die maximal getestete Zylinderanzahl, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Zylinder durch ein einzelnes Servoventil mit Hydrauliköl versorgt werden.
Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt eine schnelle Lebenszyklus- Testung von Motor-Zylinderblöcken in einer Art und Weise, welche die durch Verbrennungsgase auf den Zylinderblock - und wenn gewünscht auf den Zylinderblock - auferlegten Belastungen nahe simuliert. Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird der Zylinderblock gemäß der Zündfolge des Motors beansprucht, mit dem Ergebnis daß die dem Block durch die Hydraulikflüssigkeit auferlegte Belastung jene in einem zündenden Motor auftretenden Belastungen enger simulieren kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit um einen Zylinderblock eines Verbrennungsmotor gemäß den Ansprüchen hydrostatisch zu testen. Als ein Ergebnis kann das vorliegende System verwendet werden um einen Motor einschließlich des Zylinderblocks - und wenn gewünscht den Zylinderkopf - in viel kürzerer Zeit zu testen als es mit herkömmlichen Systemen der Fall war.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 eine teilweise schematische Darstellung ist, die ein schnelles Lebensdauer-Testsystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Abb. 2 ein perspektivische Ansicht eines Motorblocks ist, welcher für eine Testung gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung instrumentiert wurde;
Abb. 3 eine graphische Darstellung ist, die eine typische, von einem System gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Zeit-Druck-Historie veranschaulicht;
Abb. 4 einen Leitungstyp von Hochgeschwindigkeitsventil veranschaulicht, das zum Gebrauch mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Abb. 5 einen Hochgeschwindigkeits-Drehschieber veranschaulicht, der zum Gebrauch mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Abb. 6 eine Zentralwelle veranschaulicht, die zur Verwendung in einem gemäß der vorliegenden Erfindung getesteten Motor geeignet ist;
Abb. 7 eine Kolben- und Zylinder-Anordnung veranschaulicht, die zum Gebrauch mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und
Abb. 8 und 9 einen Zylinderkopf für einen Motor veranschaulichen, der gemäß der vorliegenden Erfindung getestet wird.
Wie in Abb. 1 gezeigt, ist Motor-Zylinderblock 10 für eine Testung gemäß der vorliegenden Erfindung in Zusammenschaltung mit einem hydraulischen Drucksystem aufgebaut, welches die elektronische Steuerung 14 einschließt, welche in diesem Fall eine Anzahl hydraulischer Steuerventile 16 betätigt. Das hydraulische Steuerventil 16A ist ein Servoventil, das einen daran angebrachten Druckschlauch 18A aufweist. Die Servoventile 16a-16C und die Druckschläuche 18A-18C sind in Abb. 2 genauer gezeigt.
Das Hydraulik-Steuerventil 16A und Druckschlauch 18A leiten Hochdruck- Hydraulikflüssigkeit in Zylinder 1 und 5 von Motorblock 10. Obwohl Motorblock 10 ein Sechszylinder-Block vom V-Typ ist, werden die Fachleute mit Blick auf diese Offenlegung erkennen daß ein System gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur mit 6-Zylinder-Blöcken verwendet werden kann, sondern auch mit Blöcken vom V-Typ, die jegliche Anzahl von Zylindern besitzen; und aus diesem Grund für Zylinderblöcke mit gegenüberliegender oder Reihen-Konfiguration. Das hydraulische Steuerventil 16B und sein begleitender Druckschlauch 18B leiten Hochdruck-Hydraulikflüssigkeit zu den Zylindern 3 und 4 von Motorblock 10. Schließlich leiten Steuerventil 16C und Druckschlauch 18C Hydraulikflüssigkeit unter Druck zu den Zylindern 2 und 6. Man bemerke daß die durch jeden der Druckschläuche bedienten Zylinder getrennt sind und nicht benachbart; als ein Ergebnis heben die innerhalb von Motorblock 10 erzeugten Kräfte einander nicht auf. Dies ist wichtig, weil es der Testleistung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt die Drücke und resultierenden Belastungen genauer zu simulieren, speziell Trennwandbelastungen der Zylinderblock-Hauptlager, die innerhalb des Motorblocks erzeugt werden wenn der Motor zündet.
Kehrt man zu Abb. 1 zurück und bewegt man sich durch ein hydraulisches System gemäß der vorliegenden Erfindung, so wird von Zylinderblock 10 zurückkehrende Flüssigkeit durch einen kleinen Akkumulator 42 verarbeitet, dann durch einen Flüssigkeitsspeicher 44 und Filter 46. Die Flüssigkeit wird dann mittels einer Hydraulikpumpe 48 und ihrem Antriebsmotor 50 auf einen hohen Druck gebracht. Danach empfangen ein kleiner Akkumulator 52 und ein großer Akkumulator 54 die Flüssigkeit. Der Zweck dieser Akkumulatoren ist es unerwünschte Druckpulsationen in den Flüssigkeits-Druckleitungen oder -schläuchen abzudämpfen. Nachdem es durch Akkumulator 54 passiert, bewegt sich die Flüssigkeit zu jedem der Hydraulik- Steuerventile 16. Jedes der Ventile 16A-C wird durch eine elektronische Steuerung 14 betätigt.
Abb. 3 veranschaulicht eine Druckauftragung, welche gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann. Man bemerke daß der maximale Druck in dem zündenden Motor ungefähr 6,89 MPa (1 000 PSI) beträgt, wohingegen der gewählte Testdruck wie mit dem hydraulischen Lebensdauer-Testsystem ungefähr 12,4 MPa (1 800 PSI) betrug. Und die Testung kann bei viel höheren Drücken vorgenommen werden, die womöglich 20,7 MPa (3 000 PSI) übersteigen. Als ein Ergebnis kann ein System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden um die Testung eines Motors einschließlich des Zylinderblocks - und wenn gewünscht des Zylinderkopfes - zu beschleunigen; um so schneller Ausfälle zu erzeugen, welche für sehr ausgedehnte, sehr harte Motortestungen repräsentativ sind. Die Fachleute werden mit Blick auf diese Offenlegung überdies erkennen daß Testung mit dem vorliegenden System - wegen des Fehlens der Notwendigkeit, den Motor tatsächlich auf einem Motor-Dynamometer laufen zu lassen - weniger teuer sein sollte als Motortests des echten Zündungstyps. Ein anderer Hauptvorteil eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Tatsache, daß eine neue Zylinderkopf-Konstruktion ohne die Notwendigkeit für andere Prototyp-Hardware - wie etwa Kolben, Verbindungsstäbe und Kurbelwellen - gründlich getestet werden kann. Das bedeutet daß die Prüfung an den grundlegenden Zylinderblock- und Zylinderkopf-Konstruktionen abgeschlossen werden kann, ohne das Risiko daß andere Prototyp-Bauteile - wie etwa Kolben und Verbindungsstäbe - versagen können und möglicherweise einen Zylinderblock zerstören, und die zum Abschluß des Tests benötigte Zeit stark verlängern. Abb. 1 zeigt daß Motorblock 10 und die andere direkt mit Motorblock 10 in Zusammenhang stehende Hardware innerhalb von Umgebungskammer 13 montiert werden kann, welche es erlaubt daß die Temperatur von Block 10 auf Niveaus angehoben oder abgesenkt wird, welche die während des tatsächlichen Motorbetriebs erfahrenen Temperaturen annähern. Ein Zylinderblock kann zum Beispiel in einem Zyklus von -18ºC (0ºF) bis 121ºC (250ºF) betrieben werden. Dies ist möglich weil Kammer 13 mit Ausrüstung (nicht gezeigt) bereitgestellt werden kann, um Zylinderblock 10 sowohl Wärme zuzuführen als auch abzuziehen. Derartige Ausrüstung ist in der Technik der Motortestung wohlbekannt und geht über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinaus.
Abb. 6-9 veranschaulichen verschiedene Bauteile eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Abb. 6 veranschaulicht Zentralwelle 26, welche die herkömmliche Motor-Kurbelwelle ersetzt. Zentralwelle 26 ist konstruiert um eine sehr gute Dauerfestigkeit zu besitzen, aber um Biegecharakteristika aufzuweisen welche die Charakteristika der tatsächlichen Kurbelwelle des Motors nachahmen, um so genauer die während der Motorzündung am unteren Ende des Zylinderblockes 10 erzeugten Belastungen zu simulieren. Abb. 7 zeigt Kolben 20 und Verbindungsstange 24 als innerhalb von Zylinder 12 von Motorblock 10 gelegen. Zylinderkopf 28 ist auch mit Einlaßkanal 22 und Auslaßkanal 34 gezeigt. Druckgeber 40 ist in Zylinderkopf 28 angeordnet. Der in Abb. 7 gezeigte Zylinderkopf 28 könnte ein tatsächlicher, zum Gebrauch mit einem Test gemäß der vorliegenden Erfindung modifizierter Zylinderkopf sein. In dieser Hinsicht wird Schlauch 56 zur Leitung von Hydraulikflüssigkeit in Zylinder 12 hinein bereitgestellt. Und die Öffnung von Auslaßkanal 34 wird durch Platte 58 verschlossen. Abb. 7 veranschaulicht außerdem Spezialkolben 20, welcher - zusammen mit Verbindungsstange 24 - an Stelle von Standardkolben und - verbindungsstange verwendet wird. Kolben 20 besitzt den verstärkten Kopf 20A, welcher einen Dichtring (nicht gezeigt) direkt unterhalb des Kopfes des Kolbens zurückhält. Der Dichtring, welcher zum Beispiel aus einem geeigneten Elastomer gebildet sein kann, ist beabsichtigt extrem hohen hydraulischen Drücken mit minimaler Leckage zu wiederstehen.
Während der Testung wird Druck innerhalb von Zylinder 12 durch eine Mehrzahl von Druckgebern 36 (siehe Abb. 2) überwacht. Jeder der Geber 36 ist mit der elektronischen Steuerung 14 verbunden, und jeder Geber erzeugt ein Drucksignal, welches mit der Größe des hydraulischen Drucks innerhalb des speziellen, gemessenen Zylinders in Beziehung steht. Steuerung 14 verwendet den Wert des gemessenen Drucks in der Rückkopplungsschleife, um jedes der Ventile 16A-C zu steuern, um sicherzustellen daß die arbeitenden Zylinder im Wesentlichen gleichen hydraulischen Drücken ausgesetzt sind. Steuerung 14 öffnet und schließt Ventil 16A-C mit einer Frequenz, welche es den innerhalb der Zylinder erzeugten Druckpulsationen erlaubt die auf Zylinder 12 Gasdruck-Belastungen zu simulieren, die ausgeübt werden wenn der Motor zündet. Steuerung des Drucks innerhalb des Zylinders wird durch eine Mehrzahl von Nadelventilen 38 unterstützt, welche auch in Abb. 2 gezeigt sind. Jeder der arbeitenden Zylinder besitzt ein zugehöriges Nadelventil 38, welches es Hydraulikflüssigkeit erlaubt aus einem der Zylinder 12 auszutreten; wobei Ventil 38 eingestellt wird um es dem Druck in Zylinder 12 zu erlauben mit einer Rate abzufallen, welche geeignet ist um die in Abb. 3 veranschaulichte Druck-Wellenform zu erzeugen. Wenn gewünscht können die Nadelventile 38 entweder magnetbetätigt oder durch andere Arten von Magnetventilen ersetzt werden, die in jedem Fall durch Steuerung 14 betätigt sind. In der richtigen Größe bereitgestellt, werden es schaltmagnetbetätigte Ventile 38 erlauben daß Druck mit einer höheren Rate gesteigert wird, ebenso wie sie dem Druck erlauben mit einer höheren Rate abzufallen; um so den Druckanstieg und -abfall in einem zündenden Motor genauer zu simulieren. Ungeachtet der Art von Ventil 38 wird es Flüssigkeit erlaubt durch das System zu zirkulieren, um so einen unzulässigen Anstieg der Temperatur innerhalb der Zylinder 12 zu vermeiden.
Abb. 8 und 9 veranschaulichen einen Test-Zylinderkopf zur Verwendung mit einem System gemäß der vorliegenden Erfindung. Zylinderkopf 28 besitzt eine Mehrzahl von Einlaßkanälen 30 und eine Mehrzahl von Auslaßkanälen 32. Wird diese Art von Zylinderkopf verwendet, so werden die Druckschläuche 18 an den Einlaßkanälen 30 angebracht oder angeschlossen; Nadelventile 38 werden mit den Auslaßkanälen 32 verbunden werden. Schließlich wird Druckaufnehmer 40 an den Aufnehmeranschlüssen 39 angebracht werden.
Abb. 4 und 5 veranschaulichen hydraulische Steuerventile gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung. Steuerventil 60 in Abb. 4 ist ein Leitungsventil, welches durch eine Kraftquelle 66 angetrieben wird, welche zum Beispiel einen hydraulischen oder elektrischen Motor oder eine andere Drehkraft- Quelle umfassen kann. Ventil 40 wird mittels Riemenscheibe 64 angetrieben. Eine Reihe von Entladungsöffnungen 62, in der Anzahl gleich mit den arbeitenden Zylindern des Motors, steht über eine Mehrzahl von Druckschläuchen 18 (nicht gezeigt) mit jedem der arbeitenden Zylinder des Motorblocks in Verbindung. Obwohl Ventil 60 lediglich ein Ventilmechanismus sein kann um eine Hochdruckflüssigkeit zu leiten, die an Anschluß 61 in Ventil 61 ein- und über Auslaßkanal 62 zu den arbeitenden Zylindern hin austritt, werden die Fachleute mit Blick auf die vorliegende Erfindung erkennen daß Ventil 60 außerdem einen Verstärkungseffekt in der Art einer Pumpe bereitstellen könnte. Innere Details von Ventil 60 gehen über den Umfang dieser Erfindung hinaus und können aus einer Vielzahl von Ventiltypen ausgewählt werden, welche mittels einer innerhalb eines Ventils enthaltenen und durch eine Riemenscheibe oder eines Getriebes angetriebenen Nockenwelle in der Art und Weise einer Kraftstoff-Einspritzpumpe zu betätigen sind.
Abb. 5 veranschaulicht ein durch Riemenscheibe 72 und Kraftquelle 66 angetriebenes Verteilerventil. Ventil 68 besitzt eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen 70, welche über Druckschläuche 18 (nicht gezeigt) an jeden der arbeitenden Zylinder des Motors angeschlossen sind. Wie zuvor wird Ventil 68 an Anschluß 61 mit Hydraulikflüssigkeit versehen, und kann aus jedem der Verteiler- oder Drehschieber ausgewählt werden, wie sie den Fachleuten bekannt sind und von dieser Erfindung vorgeschlagen werden. Überdies kann Ventil 68 auch eine Pumpen- oder Verstärkerfunktion ähnlich jener Kraftstoffpumpe des Rotationstyps haben, wie sie mit Dieselmotoren verwendet wird. Wieder liegen die genauen Details von Ventil 68 außerhalb des Umfangs dieser Erfindung.
Während die Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird den Fachleuten auf den betreffenden Gebieten klar sein daß daran viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Als nur ein Beispiel kann die elektronische Steuerung 14 - um einen Lebenszyklus-Test noch weiter zu beschleunigen - die hydraulischen Steuerventile derart betätigen, daß eine hydraulische Druckbeanspruchung in überlappender Art und Weise an den arbeitenden Zylindern angelegt wird; mit dem Ergebnis daß zwei oder mehr arbeitende Zylinder gleichzeitig dem hydraulischen Druck ausgesetzt werden. Es wurde bestimmt daß ein solches Belastungsmuster den durch das vorliegende System im Zylinderblock ausgelösten Ermüdungsprozeß stark beschleunigen wird. ·

Claims

1. Ein System zur hydrostatischen Testung eines Zylinderblocks für einen Verbrennungsmotor durch Simulieren jener Gasbelastungen, die dem Zylinderblock auferlegt werden wenn der Motor arbeitet, wobei dieses System umfaßt:

einen Motor-Zylinderblock (10), der eine Mehrzahl arbeitender Zylinder aufweist;

eine elektronische Steuerung (14);

eine Quelle hydraulischen Drucks (44, 48, 50); eine Mehrzahl von arbeitend mit dieser Quelle hydraulischen Drucks verbundenen Hydraulik-Steuerventilen (16A-16C), wobei diese Ventile außerdem mit dieser elektronischen Steuerung verbunden und von ihr gesteuert sind;

eine Mehrzahl sich von diesen Hydraulik-Steuerventilen (16A-16C) zu den arbeitenden Zylindern erstreckender Druckschläuche (18A-18C); derart, daß Hydraulikflüssigkeit - bei Drücken und Frequenzen, welche die Größe und Frequenz der Gasdruck- Belastung annähern, die den arbeitenden Zylindern auferlegt werden wenn der Motor zündet - von jedem der Hydraulik-Steuerventile in mindestens zwei Zylinder des Motors geleitet wird, und worin diese elektronische Steuerung (14) diese Hydraulik- Steuerventile (16A-16C) derart betätigt, daß hydraulische Druckbelastung an den arbeitenden Zylindern in überlappender Art und Weise angelegt wird; derart, daß zwei oder mehr arbeitende Zylinder gleichzeitig dem hydraulischen Druck ausgesetzt werden.

2. Ein System gemäß Anspruch 1, in dem diese Flüssigkeit diesen arbeitenden Zylindern bei einem variablen Druck zugeführt wird.

3. Ein System gemäß Anspruch 1, in dem diese Hydraulikflüssigkeit diesen arbeitenden Zylindern bei einem Druck zugeführt wird, welcher mit der Zeit variiert wird; um den Druck zu simulieren, der den arbeitenden Zylindern auferlegt wird wenn der Motor zündet.

4. Ein System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem die mindestens zwei Motorzylinder, die durch jeden dieser Druckschläuche bedient werden, derart getrennt sind daß die durch den hydraulischen Druck innerhalb des Zylinderblocks erzeugten Kräfte einander nicht aufheben; derart, daß verschiedene Bereiche des Zylinderblocks gleichzeitig beansprucht werden.

5. Ein System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem diese Steuerung diese Hydraulik-Steuerventile darin leitet Öl unter Druck derart zu diesen arbeitenden Zylindern zu liefern, daß jener den Motorzylindern auferlegte Druck der Zündfolge des Motors folgt.

6. Ein System gemäß Anspruch 1, in dem hydraulische Steuerventile Drehschieber umfassen, von denen jeder eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen mit mindestens einer Auslaßöffnung für jeden der arbeitenden Zylinder besitzt; wobei jeder Drehschieber durch eine Drehkraft-Quelle bei einer Drehzahl angetrieben wird, welche die Zündfrequenz des Motors simuliert; und wobei die Auslaßöffnungen derart mit den Druckschläuchen verbunden sind, daß die arbeitenden Zylinder der hydraulischen Druckbelastung in der gleichen Folge ausgesetzt werden wie in der Zündfolge des Motors.

7. Ein System gemäß Anspruch 1, in dem diese hydraulischen Steuerventile Verteilerventile umfassen, die jedes eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen mit mindestens einer Auslaßöffnung für jeden der arbeitenden Zylinder des Motors aufweisen, wobei dieses Verteilerventil durch eine Drehkraft-Quelle angetrieben wird.