DE69929437T2

DE69929437T2 - Teststand zur untersuchung der thermischen ermüdung von zylinderköpfen von verbrennungsmotoren und dazugehörendes verfahren

Info

Publication number: DE69929437T2
Application number: DE69929437T
Authority: DE
Inventors: Philippe Meyer; Frωdωric GUIMBAL; Arnauld Dupain
Original assignee: Montupet SA
Current assignee: Montupet SA
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: WO2000000807A1; ATE315778T1; CZ299500B6; EP1090278A1; SK19942000A3; US6571615B1; PL344983A1; EP1090278B1; HUP0103310A2; CA2336175A1; CZ20004815A3; DE69929437D1; PL194026B1; FR2780505A1; ES2255755T3; AU4375699A; HUP0103310A3; FR2780505B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand für die thermische Ermüdung, insbesondere von Zylinderköpfen aus Leichtmetallegierungen (typischerweise Aluminiumlegierungen) für Verbrennungsmotoren, sowie ein Prüfverfahren für die Ermüdung solcher Zylinderköpfe.
Heutzutage schließt die Entwicklung eines neuen Zylinderkopfes Testphasen auf einem Motorprüfstand ein. Die typische Dauer einer herkömmlichen Prüfung auf dem Prüfstand liegt in der Größenordnung von 800 Stunden.
Gleichzeitig entwerten die Konstrukteure heutzutage Motoren, insbesondere Dieselmotoren, an deren Zylinderköpfe zunehmende Ansprüche gestellt werden, insbesondere durch die Haltbarkeit, die sie in Bezug auf wiederholtes Anlassen und Stoppen haben müssen, und dies in der Kälte genauso wie in der Hitze, und durch die immer größere Leistung, die die Motoren haben sollen.
So werden die Prüfversuche, die diese Arbeitsbedingungen simulieren sollen, immer länger, wohingegen die Konstrukteure heutzutage immer kürzere Entwicklungszeiten für Zylinderköpfe fordern.
Heutzutage existieren spezielle Prüfstände für die thermische Ermüdung von Zylinderköpfen, die darauf abzielen die Prüfzeiten einzuschränken, indem sie die Anwendung von Prüfungen auf Motorprüfständen verringern. Das Prinzip dieser Prüfstände ist es, bestimmte Zonen des Zylinderkopfs, die den Verbrennungskammern des Motors ausgesetzt werden sollen, so zu erhitzen, daß man eine Simulation des Verhaltens des Zylinderkopfs gegenüber den gewünschten Temperaturverläufen, die ähnlich der im realen Betrieb vorgefundenen sind, erhält, jedoch ohne diese auf dem Motorprüfstand messen zu müssen.
So sind verschiedene Techniken bekannt, die beispielsweise wärmeübertragende Fluide (siehe insbesondere FR-A-2 651 319) oder Gase (siehe insbesondere SU-A-1 193 492) einsetzen, um bestimmte Zonen des Zylinderkopfs zu erhitzen, mit dem Ziel die Dauer der Prüfungen der thermischen Ermüdung zu verringern.
Gemäß einer weiteren bekannten Technik, die dem Anmelder jedoch nicht durch eine offizielle Publikation bekannt ist, wird ein Prüfstand dafür ausgelegt, eine lokalisierte Zone des Zylinderkopfs, der der Verbrennung ausgesetzt ist, und genauer die Zonen der Zwischensitz-Stege (zwischen den Sitzen benachbarter Ventile), lokal zu erhitzen, derart, daß an diesen Stellen Temperaturen erreicht werden, die nahe an den Betriebstemperaturen des Motors sind. Die verwendeten Brenner sind Tetren-Sauerstoff-Brenner.
Dieser Versuchstyp wird jedoch mit einem thermischen Kennfeld auf dem ganzen Zylinderkopf durchgeführt, das sehr verschieden von demjenigen ist, das im realen Betrieb angetroffen wird, und die erzielten Ergebnisse sind daher nicht ausreichend repräsentativ. In der Anwendung gestattet es ein solcher Prüfstand, effizient verschiedene Metallwerkstoffe zu vergleichen (Legierungen, Kornfeinheit, ...), jedoch nicht die verschiedenen Geometrien (insbesondere die Position des Wasserkerns, der an der Kühlung der getesteten Zone beteiligt ist, und die allgemeine Zylinderkopfgeometrie).
Ein weiterer bekannter Prüfstand besitzt Brenner, die dafür vorgesehen sind, im Bereich der Zonen des Zylinderkopfs, die der Verbrennung ausgesetzt sind, Temperaturen zu erzeugen, die im wesentlichen gleichwertig zu denen sind, die auf einem Motorprüfstand erhalten werden. Die Regelung dieser Temperaturen geschieht mittels eines Thermoelements pro Zone, das die am Zylinderkopf erreichte Temperatur bestimmt. Jedoch gestattet es dieses Regelungsverfahren des Erhitzens auf die Temperatur prinzipiell nicht, verschiedene Zylinderkopfgeometrien zu vergleichen. Tatsächlich, wenn beispielsweise die Position des Wasserkerns so verändert wird, daß sich die Kühlung der erhitzten Oberflächen verbessert, dann wurde beobachtet, daß die Regelung durch Thermoelemente zu einer Erhöhung der Heizleistung geführt hat, um von neuem die Temperatursollwerte zu erreichen, was nicht mehr repräsentativ für die Bedingungen des realen Motorbetriebs ist.
Schließlich liegt ein Nachteil dieses bekannten Prüfstands darin, daß er nicht dazu geeignet ist, die Temperaturunterschiede zwischen bestimmten Zylinderkopfzonen und anderen gut einzuhalten, was die Repräsentativität der Versuchsresultate beträchtlich beeinträchtigen kann.
Schließlich sind weitere Prüfstände bekannt, bei denen die Erhitzung des Zylinderkopfs durch Induktion im Bereich der Ventilsitzeinsätze ausgeführt wird. Es ist ersichtlich, daß dieser Prüfstandtyp es nicht gestattet, eine thermische Karte zu erhalten, die repräsentativ für die auf einem Motorprüfstand erhaltene ist.
Somit gestattet keiner der bekannten Prüfstände für die thermische Ermüdung die Beschleunigung der Zylinderkopfentwicklung ohne sehr regelmäßig auf einen Motorprüfstand zu gehen. Genauer gilt, daß wenn auch diese bekannten Prüfstände es gestatten, die metallwerkstofflichen Lösungen korrekt zu prüfen, nur der Wechsel auf einen Motorprüfstand es gestattet, geometrische Lösungen effizient zu testen, wohingegen es gerade die geometrischen Lösungen sind, die heutzutage am gefragtesten sind, da sie die bedeutendsten Fortschritte in Bezug auf eine Verbesserung der Lebensdauer von Zylinderköpfen gestatten.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Einschränkungen des Stands der Technik zu beseitigen und einen Prüfstand vorzuschlagen, der die Durchführung beschleunigter Versuche zur thermischen Ermüdung von Zylinderköpfen gestattet, indem Ergebnisse von sehr gutem repräsentativen Charakter erreicht werden (hauptsächlich die Detektion von thermischen Ermüdungsrissen in der Zone der Zwischensitz-Stege), und dies in Zeitdauern, die im Vergleich zu Lösungen des bisherigen Stands der Technik wesentlich verringert sind (typischerweise in 40 bis 200 Stunden im Gegensatz zu 800 Stunden).
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prüfstand zur thermischen Ermüdung vorzuschlagen, der es gestattet, ein thermische Karte der den Verbrennungskammern ausgesetzten Zonen zu erhalten, die sehr ähnlich der auf einem Motorprüfstand erhaltenen ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, Zylinderköpfe vergleichen zu können, die nicht nur verschiedene metallwerkstoffliche Eigenschaften haben, sondern auch verschiedene Geometrien, insbesondere in Bezug auf die Positionierung der Wasserkerne.
Somit schlägt die vorliegende Erfindung einen Prüfstand zur thermischen Ermüdung für Zylinderköpfe für Verbrennungsmotoren so wie in Anspruch 1 festgelegt vor.
Bevorzugte aber nicht einschränkende Ausführungsformen des Prüfstands gemäß der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 festgelegt. Gemäß einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Eichung eines Prüfstands für die thermische Ermüdung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren so wie in Anspruch 13 festgelegt vor.
Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 14 bis 16 festgelegt.
Schließlich schlägt die Erfindung ein Prüfverfahren für die thermische Ermüdung eines Zylinderkopfs für Verbrennungsmotoren so wie in Anspruch 17 festgelegt vor.
Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 18 bis 20 festgelegt.
Weitere Eigenschaften, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, wobei diese nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sowie mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung zu lesen ist, in der:
1 ein Prinzipschema in Seitenansicht eines Prüfstands zur thermischen Ermüdung gemäß der Erfindung ist,
2a eine Seitenansicht eines Brenners, der im Prüfstand der 1 verwendet wird ist,
2b ein Aufriß des Brenners in 2a ist,
3a eine Axialschnittansicht des Brenners entlang der Linie A-A in 2b ist,
3b eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B in 3a ist,
4 eine Seitenansicht eines Sensors für den thermischen Fluß, der am Prüfstand verwendet wird, und seines Trägers ist,
5 eine perspektivische Ansicht des Sensors für den thermischen Fluß und seines Trägers ist,
6 ein schematischer Aufriß einer Zylinderkopfzone ist, die einer Verbrennungskammer ausgesetzt ist, der das Verhalten des Prüfstands in Bezug auf thermische Karten veranschaulicht,
7 ein Blockschema der gesamten Einrichtung des Ermüdungsprüfstands ist,
8 eine Grafik ist, die den Verlauf des thermischen Flusses darstellt, der jeder Kammerzone des Zylinderkopfs im Verlauf eines Ermüdungsversuchszyklus zugeführt wird, und
9 eine Grafik ist, die für einen gegebenen Zylinderkopf den Temperaturverlauf an verschiedenen Punkten des Zylinderkopfs im Verlauf eines solchen Ermüdungsversuchszyklus darstellt.
Zuerst mit Bezug auf 1 ist ein Prüfstand für die thermische Ermüdung für einen Zylinderkopf C dargestellt. Dieser Prüfstand umfaßt an seiner Basis eine Trägerplatte 10 für eine Gruppe von Brennern 11, deren Anzahl gleich der Anzahl der Zylinder des Motors ist, für den der Zylinderkopf konzipiert ist (im vorliegenden Fall vier in Reihe). Über der Trägerplatte 10 sind vier zylindrische Büchsen 12 angebracht, die dafür vorgesehen sind, die von den Brennern 11 abgegebene Hitze nach oben in Richtung des Zylinderkopfs zu leiten. Die Büchsen 12 erreichen an ihrem oberen Ende eine Verbindungsplatte 13, die eine Gruppe von kreisförmigen Durchführungen für die Büchsen umfaßt und die eine ebene obere Fläche besitzt, gegen die unter Zwischenschaltung einer gewöhnlichen Zylinderkopfdichtung 14 der Zylinderkopf stößt.
Der Zylinderkopf C besitzt in herkömmlicher Weise einen Kanal für Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit CE, der in der Nähe der Ventile vorbeiläuft. Außerdem hat die Verbindungsplatte 13 in ihrem Inneren einen Kühlwasserkanal 131. Diese Kühlwasserkanäle CE und 131 sind miteinander auf beiden Seiten jeder Zylinderkopfbereichzone durch Verbindungsstücke R verbunden, die teilweise durch den Aufbau des Zylinderkopfs festgelegt sind, wodurch sie zusammen mit einer Wasserzufuhrleitung 15 und einer Wasserabflußleitung 16 verbunden sind. Der Prüfstand ist ebenfalls mit einem, nicht dargestellten, Kreislauf für Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit ausgestattet, der einen ersten Kreislauf mit kalter Flüssigkeit und einen unabhängigen zweiten Kreislauf mit warmer Flüssigkeit umfaßt, sowie Mittel, die beispielsweise auf Elektroventilen basieren, um den Prüfstand wahlweise an den warmen oder den kalten Kreislauf anzukoppeln, wie weiter unten zu sehen sein wird.
Außerdem sind nicht dargestellte Mittel vorgesehen, um diese Kreisläufe so zu steuern oder wenigstens zu kontrollieren, daß sie dem Zylinderkopf die Kühlflüssigkeit unter Bedingungen bereitstellen, die so gut wie möglich mit den im realen Betrieb herrschenden übereinstimmen, insbesondere in Bezug auf Durchflußmenge, Geschwindigkeit, Temperatur, Druck und Verteilung (und zwar insbesondere unter Beachtung der Geometrie und der Flußrichtung im Bereich des Zuflusses und Abflusses der Flüssigkeit am Zylinderkopf).
Wie noch genauer zu sehen sein wird, sind im Zylinderkopf, im Bereich der Montagedurchgänge der Treibstoffeinspritzvorrichtungen, eine Gruppe Sensoren für den thermischen Fluß (einer pro Zylinder) montiert, wobei die Träger dieser Sensoren schematisch mit dem Bezugszeichen 17 und die Sensoren selber mit dem Bezugszeichen 171 bezeichnet sind.
In 1 sind auch schematisch die Ventilsitze S des Zylinderkopfs C dargestellt.
Mit Bezug auf die 2 und 3 werden nun die Brenner beschrieben, die verwendet werden, um einen kontrollierten thermischen Fluß auf die Zylinderkopfzonen zu geben, die dafür vorgesehen sind, den Verbrennungskammern des Motors ausgesetzt zu werden (hier als Zylinderkopfbereichzone bezeichnet).
Zuerst hat der Anmelder die allgemeine Entdeckung gemacht, daß es möglich ist, im Bereich einer Zylinderkopfbereichzone hohe Temperaturen, die für eine gute Simulation der Schlußfolgerungen aus dem realen Betrieb erforderlich sind, in Zeitdauern zu erreichen, die es gestatten die Zeitdauern der Prüfversuche und damit die Entwicklungszeiten sehr deutlich zu verringern, wenn Brenner mit einer besonderen Geometrie zusammen mit einer Versorgung mit einer geeignet dosierten Mischung aus gesättigtem Kohlenwasserstoffgas, insbesondere Erdgas, und mit Sauerstoff angereicherter Luft verwendet werden, wohingegen die Brenner des Stands der Technik es im allgemeinen nur gestatten sehr lokale Bereiche der Zylinderkopfzonen zu erhitzen oder Temperaturanstiegszeiten zu erhalten, die übermäßig lang und sehr nachteilig in Bezug auf die Dauer der Prüfversuche sind.
Wie dies die 2a, 2b, 3a und 3b zeigen, wird jeder Brenner 11 durch den Zusammenbau einer Gruppe von metallischen Teilen definiert, die folgendes umfaßt: eine äußere Glocke 111, die einen zylindrischen Basisabschnitt 1111 besitzt, über dem ein einspringender kegelstumpfförmiger Abschnitt 1112 sitzt, der an seiner Spitze offen ist, ein Teil mit Öffnungen 112, das eine zylindrische Seitenwand 1121 besitzt, über der eine kreisförmige Platte 1122 sitzt, ein Verbindungsteil 113 in Ringform und ein einen Anschluß bildendes Teil 114, das zylindrisch ist und einen Durchmesser hat, der deutlich kleiner ist als derjenige der Teile 111 und 112. Diese Teile werden mittels Schweißnähten 115 und 116 zusammengebaut.
In der kreisförmigen Platte 1122 sind mehrere axiale Öffnungen 01 bis 05 ausgebildet, wohingegen in der zugehörigen zylindrischen Wand 1121 eine Reihe radialer Öffnungen 06 ausgebildet sind. Diese Öffnungen empfangen die gasförmige Mischung unter Druck, die im Bereich des Anschlusses 114 zugeführt wird, und ihre Anzahl und Verteilung sind so eingestellt, daß, wie später zu sehen sein wird, eine thermische Karte des Zylinderkopfs erreicht wird, die nahe an diejenige herankommt, die unter realen Arbeitsbedingungen anzutreffen ist.
Im vorliegenden Beispiel sind in der Platte 1122 Öffnungen vorgesehen, die alle einen Durchmesser von 2 mm haben und auf konzentrischen Kreisen verteilt sind, mit:

– einer zentralen Öffnung 01;
– acht Öffnungen 02, die regelmäßig auf einem ersten Kreis mit 15 mm Durchmesser verteilt sind;
– sechzehn Öffnungen 03, die regelmäßig auf einem zweiten Kreis mit 25 mm Durchmesser verteilt sind;
– vierundzwanzig Öffnungen 04, die regelmäßig auf einem dritten Kreis mit 40 mm Durchmesser verteilt sind;
– zweiunddreißig Öffnungen 05, die regelmäßig auf einem vierten Kreis mit 55 mm Durchmesser verteilt sind.

Die Seitenwand 1121 hat ihrerseits vierundzwanzig Öffnungen 06, die in regelmäßigen Abständen von 15° liegen.
Die Brenner werden durch eine Mischung aus Erdgas (Lacq-Gas) und Sauerstoff versorgt, wobei ein Mischungsschieber verwendet wird, der, wie weiter unten noch genauer zu sehen sein wird, so gesteuert wird, daß das Mischungsverhältnis zwischen Erdgas und Sauerstoff und damit die Leistung der Flamme nach belieben veränderbar ist.
Jetzt mit Bezug auf die 4 und 5, ist eine herkömmliche Einspritzvorrichtung für Dieselmotoren dargestellt, die als ganzes mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet ist und für die es nicht notwendig ist, sie im Detail zu beschreiben, deren Ende auf der Seite der Verbrennungskammer dafür eingerichtet ist, einen Sensor für den thermischen Fluß 171 aufzunehmen.
Dieser Sensor hat einen Absatz 1711, gegen den sich ein abschließender Befestigungsring 172 abstützt, der am Ende der Einspritzvorrichtung angebracht ist, während eine Dichtung aus Kupfer 173 außen auf diesen Ring aufgesetzt ist.
Der eigentliche Sensor sitzt in einem zylindrischen Abschnitt 1712, der von der Einspritzvorrichtung nach außen hervorsteht und der dafür vorgesehen ist, mit einem äußerst genau eingestellten Spiel in einer im Zylinderkopf ausgebildeten Bohrung aufgenommen zu werden. Um Abweichungen zu vermeiden, wird dieses Spiel vorzugsweise unter 0,1 mm gehalten und noch bevorzugter nahe bei 0,05 mm.
Der Sensor 171 ist mit einer Rechnerzentrale zur Steuerung und Erfassung (die weiter unten beschrieben wird) über ein Kabel 1713 in einem Mantel aus rostfreiem Stahl verbunden.
Die Flußsensoren 171 sind vorteilhafterweise Sensoren mit doppelter Thermoelementverbindungsstelle, die von der Firma CRMT, 3, chemin de la Brocardière, 69570 DARDILLY, Frankreich, unter der Bezeichnung CFTM hergestellt werden und die ausdrücklich dafür konzipiert sind, in besonders beanspruchenden Umgebungen zu arbeiten.
Auf diese Weise ist der Zylinderkopf, wie bereits schematisch in 1 dargestellt wurde, mit einem Flußsensor pro Zylinderkopfbereich ausgestattet und das von diesen Sensoren erfaßte Signal wird zur Steuerung des Prüfstands verwendet, wie im folgenden noch im Detail zu sehen sein wird.
6 stellt einen Zylinderkopfbereich TC des Zylinderkopfs dar, der mit folgendem ausgestattet ist: vier Ventilsitzen S (zwei für den Einlaß A und zwei für den Auslaß E) und einer Bohrung A für die Einspritzvorrichtung, in deren Bereich das freie Ende des Endabschnitts 1712 des Sensors für den thermischen Fluß 171 eingelassen ist.
Diese Figur zeigt in verschiedenen vorbestimmten Punkten einerseits die Temperaturen, die unter vorgegebenen realen Arbeitsbedingungen des mit dem Zylinderkopf ausgestatteten Motors gemessen wurden, und andererseits die Temperaturen, die gemessen wurden, wenn der Zylinderkopf mit einem Prüfstand wie oben beschrieben erhitzt wurde.
Diese Messungen wurden mit einem Eichzylinderkopf oder Normalzylinderkopf erhalten, der zuvor hergestellt und mittels eines Satzes von Thermoelementen mit Instrumenten versehen wurde, die an den betrachteten Meßpunkten bündig eingelassen angeordnet sind.
In dieser Figur ist zu sehen, daß die auf dem Motorprüfstand und dem Prüfstand der vorliegenden Erfindung gemessenen Temperaturen ausreichend nahe beieinander liegen, um annehmen zu können, daß der Prüfstand der Erfindung eine hervorragende Modellierung der realen Temperaturbedingungen bietet.
Es ist zu bemerken, daß die Anordnung der Öffnungen jedes Brenners, so wie weiter oben beschrieben, Schritt für Schritt so erarbeitet wurden, daß man die dargestellte thermische Karte erhält. Insbesondere die Position und Anzahl der Öffnungen des Brenners in seinem zentralen Bereich und in seinem Umfangsbereich gestatten es, so vorzugehen, daß die beabsichtigten Temperaturen an den verschiedenen Punkten in 6 mit einer zufriedenstellenden Approximation eingehalten werden.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann auch der Durchmesser der Öffnungen des Brenners angepaßt werden.
Es werden nun die Arbeitszyklen des Prüfstands für die thermische Ermüdung gemäß der Erfindung beschrieben, wobei zuerst Bezug auf 7 genommen wird, die ein Blockschema des mit einer Rechnersteuerungsstation SP verbundenen Gasmischungsaufbaus des Prüfstands ist.
Diese nicht dargestellte Station SP empfängt für Kontrollzwecke von den vier Flußsensoren 171 über Leitungen 1713 elektrische Signale (Spannungen), die für Kontrollzwecke repräsentativ für die momentanen Werte des thermischen Flusses im Bereich jeder Zylinderkopfbereichzone des Zylinderkopfs sind. In Abhängigkeit von diesen Signalen überprüft die Station SP, ob der im Bereich jedes Brenners gemessene Wert des thermischen Flusses mit dem Sollwert verträglich ist, das heißt zu diesem Sollwert einen annehmbaren Abstand hat, beispielsweise von ±5 bis ±10 %, und sie unterbricht den Vorgang, wobei der Operateur benachrichtigt wird, wenn der Abstand vom Soll abweicht. Vorteilhafterweise sind die jeweiligen Durchflußmengen der Brenner zwischen etwa 0,35 und 1,15 m³/Stunde für Erdgans und zwischen etwa 1,25 und 5,25 m³/Stunde für Sauerstoff einstellbar, wobei der Druck des Erdgases 4 bar beträgt und derjenige des Sauerstoffs 3 bar.
Außerdem ist die Station SP dafür eingerichtet, wobei dies nicht dargestellt ist, den Umlauf des Kühlwassers (oder einer anderen Flüssigkeit) zu steuern, indem sie die notwendigen Umschaltungen auf dem Kreislauf der warmen Flüssigkeit oder auf dem Kreislauf der kühlen Flüssigkeit ausführt und indem sie falls nötig überprüft, ob die Bedingungen der Durchflußmenge, Geschwindigkeit, Temperatur und des Drucks eingehalten sind.
7 stellt eine Einheit VAC dar, die einen Ventilator zur Druckerzeugung umfaßt, der Luft unter Druck bereitstellt, und deren Ausgang mit einem Schieber zur Regelung der Luftdurchflußmenge RRA verbunden ist. Der Ausgang dieses Schiebers ist mit einem Mischungs-T-Stück TE verbunden. Manometer MaA1 und MaA2 gestatten die Kontrolle des Luftdrucks vor und hinter dem Schieber RRA.
Es ist auch ein Erdgastank REG und ein Sauerstofftank REO vorhanden (Druckflaschen). Der Tank REG ist mit einem Vierteldrehungsschieber zur Proportionalregelung RPG verbunden, dessen Ausgang über einen Filter F mit einem herkömmlichen Druckminderer DP verbunden ist. Ein Manometer für Erdgas MaG überwacht am Ausgang den Druck des Erdgases. Der Ausgang des Druckminderers DP ist mit dem Eingang eines alles-oder-nichts Elektroventils zur Steuerung des Erdgases EVG verbunden, das von der Steuerungsstation SP gesteuert werden kann. Der Ausgang dieses Elektroventils ist mit einem weiteren Druckminderer D2 verbunden, dessen Ausgang über einen Regelungsschieber für die Erdgasdurchflußmenge RRG mit dem anderen Eingang des Mischungs-T-Stücks TE verbunden ist.
Der Sauerstofftank REO ist mit einem Vierteldrehungsschieber zur Proportionalregelung RPO verbunden, dessen Ausgang mit einem alles-oder-nichts Elektroventil zur Steuerung des Sauerstoffs EVO verbunden ist, das ebenfalls von der Station SP gesteuert wird. Der Ausgang dieses Elektroventils ist in einem Mischungspunkt PM direkt mit der Leitung verbunden, die sich am Ausgang des Mischungs-T-Stücks TE befindet, um parallel vier Brenner Br1 bis Br4 zu versorgen.
Der Druck am Mischungspunkt PM wird von einem Mischungsmanometer MaM überprüft und der Mischungspunkt ist mit dem Prüfstand durch ein biegsames Verbindungsstück FL1 verbunden, dessen entgegengesetztes Ende über ein Rückschlagventil AR mit einer Mischungsversorgungsleitung LDM verbunden ist, die mit den vier Brennern Br1 bis Br4 (im Fall eines Zylinderkopfs für einen Vierzylindermotor) über jeweils zugehörige Regelungsschieber für die Durchflußmenge RR1 bis RR4 verbunden ist. Druckabnahmestellen PP1 bis PP4 gestatten es, im Verlauf der Eichung des Prüfstands oder bei seiner Kontrolle, den Druck am Eingang jedes Brenners zu überprüfen.
Das System umfaßt in Verbindung mit jedem Brenner auch eine Zündflamme, wobei diese Zündflammen in folgender Weise parallel versorgt werden: im Bereich des Eingangs Elektroventils EVG wird eine Erdgaszweigleitung abgeführt und mit einer Gasversorgungsleitung für die Zündflamme LDG über einen Druckminderer Dp, ein biegsames Verbindungsstück FL2, einen Schieber zur Proportionalregelung Rp und einen Regelungsschieber für die Durchflußmenge RRp verbunden. Diese Versorgungsleitung versorgt den Gaseingang der Zündflammen.
Außerdem wird die Luft im Bereich des Ausgangs des Ventilators zur Druckerzeugung VAC abgegriffen und über ein biegsames Verbindungsstück FL3 und einen Regelungsschieber für die Luftdurchflußmenge RRp' in eine Luftversorgungsleitung für die Zündflammen LDA geführt, die den Lufteingang der Zündflammen versorgt.
Zu den Zündflammen gehören außerdem Zündtransformatoren T1 bis T4, die es gestatten, beim Anlaufen des Prüfstands und im Fall einer versehentlichen Auslöschung der Zündflammen, diese in herkömmlich bekannter Weise durch einen Funken wieder anzuzünden.
Die verschiedenen Schieber zur Proportionalregelung und zur Regelung der Durchflußmenge gestatten beim Eichen des Prüfstands, so wie dies weiter unten noch beschrieben wird, so zu verfahren, daß die Brenner eine Brennstoffmischung erhalten, deren Zusammensetzung und Druck geeignet sind, um auf die betroffenen Zonen des Zylinderkopfs die gewünschten thermischen Flüsse zu führen, so wie dies weiter oben beschrieben wurde. Gemäß einer Ausführungsvariante kann es vorgesehen werden, jeden Brenner über Regelungselektroventile oder Gleichwertiges zu versorgen, was es gestattet, den Fluß durch Rückkopplung noch genauer auf den Sollwert einzustellen (insbesondere Im Fall von Drift).
Zum Ausführen eines Zylinderkopftests steuert die Steuerungsstation SP einfach die beiden Elektroventile EVG und EVO, um mit deren Öffnen bei jedem Brenner die Errichtung der Flamme (Heizphase) und bei deren Schließen das Auslöschen der Flamme (Abkühlphase) auszulösen.
Während einer Heizphase errichtet die Steuerungsstation die Flamme so wie angegeben und schaltet außerdem den Prüfstand auf die warme Kühlflüssigkeit, wobei diese Flüssigkeit zuvor im Verlauf der vorangegangenen Heizphasen aufgeheizt wurde (auf etwa 100°).
Diese warme Phase wird über eine Dauer ausgeführt, die es insbesondere in den Zonen der Zwischensitz-Stege (schraffierte Zonen in 6) gestattet, die gewünschten Temperaturen, so wie in derselben 6 angegeben, zu erreichen, und die weiter oben gemachten Angaben zu den Brennern und über deren Versorgung gestatten es, diese Temperaturen nach etwa 20 bis 100 Sekunden (typischerweise um 40 Sekunden) vom Beginn des Heizens an zu erreichen, was nur ein Bruchteil der Dauern ist, die mit Prüfständen des Stands der Technik notwendig sind. Es ist hier zu bemerken, daß der Kreislauf einer bereits warmen Kühlflüssigkeit während dieser Phase zum Erreichen der genannten kurzen Dauern beiträgt.
Gemäß einer wichtigen Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird im Verlauf dieser Heizphase die Wärmezuführung durch die Brenner, die durch die Regelung der Mischung Erdgas/Sauerstoff, so wie weiter oben beschrieben, eingestellt wird, nicht dadurch bestimmt, daß die Temperaturen im Bereich der Kopfzonen der Zylinder überwacht werden, sondern indem einfach der von den entsprechenden Sensoren 171 gemessene thermische Fluß überwacht wird, das heißt die vom betrachteten Brenner zugeführte Wärmemenge.
Hierfür wird die an die Brenner gelieferte Mischung geregelt, um einen thermischen Fluß zu erreichen, der im wesentlichen konstant und nahe an einem Sollwert ist, der so wie oben beschrieben vorgegeben ist. Dieser Fluß kann in einem gegebenen Bereich gewählt werden, der beispielsweise von etwa 250 kW/m2 bis 1250 kW/m2 reicht, derart, daß er zu verschiedenen Typen von Motoren und Leistungen paßt.
Die Abkühlungsphase besteht darin, die Elektroventile EVG und EVO zu schließen und den Zylinderkopf auf den Kühlungskreislauf umzuschalten (beispielsweise Leitungswasser mit einer Temperatur von typischerweise etwa 15°), wobei diese Phase sich über eine Dauer erstreckt, die typischerweise nahe an derjenigen der Heizphase liegt.
Vorteilhafterweise wird der Sollwert des Flusses während der Heizphase, der in der Station gespeichert wird, durch einen Eichvorgang des Prüfstands festgelegt, der zuerst darin besteht, den weiter oben mit Bezug auf 6 beschriebenen mit Instrumenten versehenen Zylinderkopf, ausgestattet mit Temperaturfühlern, auf einen Motorprüfstand zu setzen und darin, die von den verschiedenen Fühlern gemessenen Temperaturen zu analysieren, um thermische Karten unter verschiedenen Arbeitsbedingungen (Motordrehzahlen) zu erhalten. Danach wird der vom Motorprüfstand heruntergenommene Zylinderkopf mit weiter oben beschriebenen Sensoren für den thermischen Fluß ausgestattet und auf den Prüfstand für die thermische Ermüdung gesetzt, und die Konfiguration der Brenner sowie die Eigenschaften der ihnen zugeführten Brennstoffmischung (im wesentlichen Zusammensetzung und Druck) wird Schritt für Schritt eingestellt, damit die Brenner zu einer Stabilisierung der von den Thermoelementen des Zylinderkopfs erfaßten Temperaturen bei Werten führen, die so nahe wie möglich an den Werten liegen, die den auf dem Motorprüfstand erfaßten thermischen Karten entsprechen (vorzugsweise auf plus oder minus 10° genau).
Es wird auf diese Weise ein Satz von Werten für den thermischen Fluß bestimmt, der verschiedene Arbeitsbedingungen des Motors simuliert, und die Steuerungsstation kann bei Bedarf die Versorgung der Brenner einstellen, um so genau wie möglich einen beliebigen dieser Flußwerte zu erhalten.
Der Prüfstand für die thermische Ermüdung wird auf diese Weise geeicht und nicht mit Instrumenten versehene, nur mit Flußsensoren ausgestattete Zylinderköpfe können im Verlauf des Entwicklungsverfahrens getestet werden.
Es ist wichtig hier festzustellen, daß durch das Steuern des Heizens beim Prüfstand gemäß der vorliegenden Erfindung auf Basis des thermischen Flusses und nicht der Temperaturen, eine ausgezeichnete Modellierung des realen Verhaltens auf dem Motorprüfstand sichergestellt wird, und insbesondere einen Verlauf der Temperaturen, der nahe an dem auf dem Motorprüfstand festgestellten liegt.
Wenn nun Zylinderköpfe getestet werden, die insbesondere im Bereich der Kühlflüssigkeitsleitungen verschiedene Geometrien haben, was die Abführung der Wärme von den Kopfbereichen der Zylinder beeinflußt, gestattet somit der Prüfstand der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu einer Temperaturregelung, es sicherzustellen, daß diese Wechsel in Bezug auf die Abkühlungsqualität gut die entsprechenden Temperaturwechsel im Zylinderkopf rekonstruieren. Somit wird ein bei der Konzeption des Zylinderkopfs erzielter Fortschritt in der Abkühlung, der zu einer verringerten Aufheizung insbesondere in den Zwischensitz-Stegen und damit zu einer verringerten thermischen Ermüdung führt, auf dem Prüfstand der vorliegenden Erfindung sehr gut festgestellt.
Die kühle Phase wird ihrerseits realisiert, indem die Flamme ausgelöscht wird, derart, daß mit Unterstützung des Kühlungskreislaufs die Temperaturen der Zylinderkopfbereichzonen des Zylinderkopfs im Bereich der Zwischensitz-Stege bis etwa 50° erniedrigt werden, was hier wiederum in einer Dauer von etwa 20 bis 100 Sekunden erreicht wird (typischerweise in etwa 40 Sekunden).
8 stellt durch die Kurven C1 bis C4 den im Bereich jedes Zylinderkopfbereichs für eine bestimmte Heizphase gemessenen thermischen Fluß dar. Die Flüsse erreichen eine gegeben Größe, die die realen Arbeitsbedingungen reproduziert, und die Flammen werden nach einer vorbestimmten Dauer von hier etwa 40 Sekunden ausgelöscht. Dieser Verlauf wird vorteilhafterweise durch die Steuerungsstation auf einem Monitor angezeigt, um es dem Bediener zu gestatten zu überprüfen, ob der Fluß tatsächlich den Sollwert erreicht hat.
Es ist hier zu bemerken, daß die Dauer der Heizphase im Verlauf des Eichvorgangs bestimmt und so gewählt wird, daß die am mit Instrumenten versehenen Zylinderkopf gemessenen Temperaturen, so wie weiter oben beschrieben, die zuvor auf dem Motorprüfstand erfaßten Werte erreichen können.
9 zeigt den Verlauf der Temperaturen, die mit den verschiedenen Thermoelementen des mit Instrumenten versehenen Zylinderkopfs auf dem Prüfstand der Erfindung im Verlauf der Eichphase gemessen wurden. Es ist zu sehen, daß durch die Einstellung der Brennereigenschaften diese Verläufe von einem Punkt zum anderen verschieden sind, um die gewünschte thermische Karte einzuhalten.

Claims

Prüfstand zum Prüfen der thermischen Ermüdung für Zylinderköpfe eines Verbrennungsmotors, der folgendes umfaßt: einen Träger (14) für einen Zylinderkopf (C), der wenigstens eine Zylinderkopfzone aufweist, die dafür eingerichtet ist, normalerweise der Verbrennung des Motors ausgesetzt zu werden, und wenigstens einen Brenner (11), der dafür eingerichtet ist, auf die gesamte Zone eine Flamme zu richten, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem wenigstens einen Sensor für den thermischen Fluß (171) umfaßt, der in der Dicke des Zylinderkopfs im Bereich der genannten Zone angeordnet ist, um zu überprüfen, daß der von der Flamme erzeugte thermische Fluß wenigstens ungefähr einem vorbestimmten Wert entspricht.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Kreislauf mit warmer Kühlflüssigkeit und einen Kreislauf mit kalter Kühlflüssigkeit umfaßt, sowie Mittel, um den Zylinderkopf wahlweise mit einem der beiden Kreisläufe zu verbinden.
Prüfstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkreisläufe so gesteuert werden, daß wenigstens ungefähr die realen Fließbedingungen der Kühlflüssigkeit reproduziert werden.
Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brenner (11) durch eine Mischung aus gesättigtem Kohlenwasserstoffgas und mit Sauerstoff angereicherter Luft versorgt wird.
Prüfstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gesättigte Kohlenwasserstoffgas Erdgas ist.
Prüfstand nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem Mittel umfaßt, um den von den Brennern bereitgestellten thermischen Fluß einzustellen, indem die Mengen an Gas und mit Sauerstoff angereicherter Luft in der Mischung gesteuert werden.
Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß jedes Brenners auf einen jeweiligen Sollwert eingestellt wird.
Prüfstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert so gewählt ist, daß an verschiedenen Punkten des Zylinderkopfs eine thermische Karte erzeugt wird, die nahe an derjenigen liegt, die für einen mit Temperaturfühlern ausgerüsteten Zylinderkopf unter realen Betriebsbedingungen erhalten und gemessen wird.
Prüfstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brenner (11) dafür eingerichtet ist, eine verteilte Flamme zu erzeugen, die dazu fähig ist, im Bereich der zugehörigen Zylinderkopfbereichzone die thermische Karte herbeizuführen.
Prüfstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brenner eine Platte (112) umfaßt, die mit einer vorbestimmten Verteilung von Öffnungen durchlöchert ist.
Prüfstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung nicht homogen ist.
Prüfstand nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor für den thermischen Fluß (171) am Ende einer Treibstoffeinspritzvorrichtung (17) angebracht ist, die dafür eingerichtet ist, im Zylinderkopf montiert zu werden, wobei das Ende dafür eingerichtet ist, den Sensor aufzunehmen.
Verfahren zur Eichung eines Prüfstands zum Prüfen der thermischen Ermüdung von Zylinderköpfen eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der mit mehreren Brennern (11) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: – in der Umgebung wenigstens einer Zone eines mit Instrumenten versehenen Zylinderkopfs (C), die dafür vorgesehen ist, der Verbrennung des Motors ausgesetzt zu werden, ist eine Gruppe von Temperaturfühlern vorgesehen, – während der Zylinderkopf auf einer Motorbank in Betrieb ist, wird mittels der Temperaturfühler eine thermische Karte der Zone im stabilisierten Betrieb bestimmt, – die thermische Karte wird gespeichert, – in der Zone des mit Instrumenten versehenen Zylinderkopfs wird ein Sensor für den thermischen Fluß angebracht, – der mit Instrumenten versehene Zylinderkopf wird auf den Prüfstand gebracht, und – der von jedem Brenner (11) bereitgestellte thermische Fluß wird eingestellt, um wenigstens in etwa die gespeicherte thermische Karte zu reproduzieren, und – der gemessene Wert des thermischen Flusses nach der Einstellung wird als Sollwert gespeichert.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinderkopfbereichzone wenigstens ein Sensor für den thermischen Fluß (171) vorgesehen ist und dadurch, daß pro Brenner/Sensor-Paar ein Sollwert gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zylinderkopf auf dem Prüfstand für die thermische Ermüdung ist, die notwendige Dauer zur Stabilisierung der gemessenen thermischen Karte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Einstellung des thermischen Flusses einen Schritt zur Einstellung der Brennergeometrie und einen Schritt zur Einstellung der an den Brenner gelieferten brennbaren Mischung umfaßt.
Prüfverfahren zum Prüfen der thermischen Ermüdung eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: – es wird ein Prüfstand zum Prüfen der thermischen Ermüdung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen, der gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16 geeicht wird, – der Zylinderkopf wird auf den Prüfstand gebracht, und – Erwärmungsphasen mit einem thermischen Fluß, der auf den oder die Sollwerte eingestellt ist, werden mit vorbestimmten Zeitdauern mit Abkühlungsphasen abgewechselt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Fluß, der von jedem Brenner (11) bereitgestellt werden kann, größer als etwa 250 kW/m2 ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Erwärmungs- und Abkühlungsphasen zwischen etwa 20 und 100 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem die Schritte umfaßt, die aus folgendem bestehen: – Verbinden des Zylinderkopfs mit einem Kreislauf warmer Kühlflüssigkeit während der Erwärmungsphasen, und – Verbinden des Zylinderkopfs mit einem Kreislauf kalter Kühlflüssigkeit während der Abkühlungsphasen.