DE102009007023A1

DE102009007023A1 - Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Bohrungen in einem Gehäuse, insbesondere von Zylinderbohrungen für eine Hubkolbenmaschine in einem Zylinderkurbelgehäuse

Info

Publication number: DE102009007023A1
Application number: DE200910007023
Authority: DE
Inventors: Fup Chu Dipl.-Ing. Dr. Suy; Volker Dr.-Ing. Lagemann; Roland Dr.-Ing. Quast
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-01-31
Filing date: 2009-01-31
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Bohrungen in einem Gehäuse, insbesondere von Zylinderbohrungen für eine Hubkolbenmaschine in einem Zylinderkurbelgehäuse, wobei die Bohrungen in einem unbelasteten Zustand eine Ausgangsform und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Betriebsform, welche eine zylindrische Sollform ist bzw. dieser möglichst nahe kommt, aufweisen. Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt (S1) mindestens eine Form mindestens einer Zylinderlauffläche des Zylinderkurbelgehäuses im kalten, unverspannten Zustand des Zylinderkurbelgehäuses simuliert und anschließend mindestens eine Betriebsform dieser Zylinderlauffläche ermittelt, die die Zylinderlauffläche aufgrund einer vorgegebenen mechanischen und/oder thermischen Beanspruchung annimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Bohrungen in einem Gehäuse, insbesondere von Zylinderbohrungen für eine Hubkolbenmaschine in einem Zylinderkurbelgehäuse, wobei die Bohrungen in einem unbelasteten Zustand eine Ausgangsform und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Betriebsform, welche eine zylindrischen Sollform ist bzw. dieser möglichst nahe kommt, aufweisen.
In Verbrennungsmaschinen beeinflusst das Zusammenwirken von Kolbenringen und Zylinderwand die Ölemissionen in den Brennraum. Zylinderverzüge stören die Abdicht- und Ölabstreifwirkung der Kolbenringe und führen zu einer erhöhten Ölfilmdicke und somit zu Ölemission in den Brennraum. Die Ursache solcher Zylinderverzüge liegt insbesondere in mechanischen Deformationen durch Verspannungen (z. B. aufgrund der Verschraubung des Zylinderkopfs), thermischen Deformationen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag (z. B. aufgrund des Verbrennungsvorgangs, Reibung der Kurbelwelle, ungleichmäßige Kühlung durch konstruktive Restriktionen) und dynamische Deformationen durch den Verbrennungsdruck.
Um diesen Effekten zu begegnen, besteht ein großer Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung einer unrunden Ausgangsform der Zylinderbohrung im unbelasteten Zustand, die in einer solchen Weise gestaltet ist, dass die Zylinderbohrung im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende, möglichst zylinderförmige Betriebsform aufweist.
Ein derartiges Verfahren ist insbesondere aus der EP 1 321 229 A1 vorbekannt. Bei diesem bekannten Stand der Technik wird die Abweichung der Betriebsform von einer idealen Sollform im Betriebszustand versuchstechnisch ermittelt. Aus der ermittelten Abweichung wird dann die Ausgangsform theoretisch so ermittelt, dass die sich daraus ergebende Betriebsform der Sollform sehr nahe kommt. Die Bohrung wird dann mit einem Bearbeitungsverfahren in diese theoretisch ermittelte Ausgangsform gebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derart bekanntes Verfahren vorteilhaft weiterzubilden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Bohrungen in einem Gehäuse, insbesondere von Zylinderbohrungen für eine Hubkolbenmaschine in einem Zylinderkurbelgehäuse, weisen die Bohrungen in einem unbelasteten Zustand eine Ausgangsform und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Betriebsform, welche eine zylindrischen Sollform ist bzw. dieser möglichst nahe kommt, auf. In mehreren Schritten erfolgen eine Ermittlung einer aufeinander abgestimmten Geometrie einer Zylinderlauffläche, eines Kolbens und eines Ringpakets und eine Erstellung eines Datensatzes für eine Fertigung der Zylinderlauffläche des Zylinderkurbelgehäuses.
Eine den Betriebsbelastungen angepasste, von der Zylindersymmetrie abweichende („unrunde”) funktionsoptimierte Bearbeitung der Bohrung hat den Vorteil, dass dadurch eine Zylinderdeformation unter Betriebsbedingungen deutlich reduziert werden kann, was von großer Bedeutung für eine Absenkung des Ölverbrauchs und der Emissionen sowie der Reibung und eine Verbesserung einer Kolbenringabstimmung ist.
Eine motorspezifische Berücksichtigung statischer und thermischer Zylinderverzüge von Hubkolbenmaschinen verringert Reibungsverluste und Ölverbrauch im System Kolben/Ringpaket/Zylinderlauffläche.
Eine rechnergestützte, volldynamische Simulation der tribologischen Verhältnisse im Kolben-, Kolbenring- und Zylinderverbund und eine Durchführung virtueller Prüfläufe führt zu kürzeren Entwicklungszeiten und durch eine Einsparung umfangreicher Motortests in einer Entwicklungsphase zu einer Kostensenkung.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden eine Verringerung des Verbrauchs und damit eine Reduktion der CO2-Emission erzielt und der Ölverbrauch in einem Hubkolbenmotor verringert, was eine Einhaltung verschärfter Abgasgrenzwerte ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige 1 eine Blockdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens erfolgt eine Berechnung der zu erwartenden 3D-Form einer Zylinderlauffläche in einem Zylinderkurbelgehäuse bei unterschiedlichen betriebsbedingten thermischen und mechanischen Lasten, z. B. thermische Verformung, mechanische Verspannung, Gasdruck. Aufgrund dieser betriebsbedingten Lasten bekommt eine Zylinderlauffläche, die im kalten Zustand exakt zylindrisch ist, im Betriebszustand eine von der Zylinderform abweichende Form, eine so genannte „Unrundform”. Umgekehrt kann eine Zylinderlauffläche, die im kalten Zustand unrund ist, im Betriebszustand eine geringere Unrundheit haben, bzw. im Idealfall exakt zylindrisch sein.
Im zweiten Schritt S2 wird mindestens eine exakt zylindrische oder „unrunde” Form der Zylinderlauffläche in einem kalten, unverspannten Zustand des Zylinderkurbelgehäuses simuliert; dann wird berechnet, welche Form diese Zylinderlauffläche im Betrieb annehmen würde. Dabei werden nur solche Formen der Zylinderlauffläche berücksichtigt, die in einem kalten Zustand wirklich fertigungstechnisch realisierbar sind, also beispielsweise durch Ausspindeln und/oder Honen herstellbar sind. Vorzugsweise werden natürlich solche „unrunde” Formen berücksichtigt, die im Betriebszustand eine möglichst „runde”, d. h. eine möglichst zylindersymmetrische Form haben.
In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird ein tribologisches Verhalten der während des ersten S1 und zweiten Schrittes S2 berechneten Form der Zylinderlauffläche im Betriebszustand berechnet und analysiert. Es wird ein Einfluss einer Oberflächentopografie, z. B. eine fertigungsbedingte Änderungen einer Honstruktur, und ein Schmierstoffeinfluss, z. B. eine Rheologie und/oder eine geänderte Tribochemie durch andere Öl-Additive, ermittelt. Die Analyse erfolgt in Verbindung mit einer Mikrohydrodynamik- und Mikrokontaktsimulation.
In einem vierten Schritt S4 des Verfahrens wird auf den Ergebnissen der Triboanalyse basierend ein virtueller Prüflauf simuliert. Dabei wird eine Ölemission berechnet, diese hat Konsequenzen für die Frage, ob ein Motor mit einem solchen Zylinderkurbelgehäuse/Zylinderlauffläche die gesetzlichen Anforderungen bezüglich einer Abgasemission erfüllen würde. Zusätzlich sind die mit an der Ölemission beteiligten Öladditive aschebildend und führen zu einer erhöhten Belastung von Filter und Kat bei einer Abgasnachbehandlung. Eine Gasdynamik im Kolbenringpaket und die wesentlichen Ölemissionsmechanismen wie Abdampfen und Blow-By bzw. Reverse Blow By müssen und werden bei der Berechnung der Ölemission berücksichtigt. Eine resultierende Reibung, welche großen Einfluss auf die Höhe des Kraftstoffverbrauchs hat, wird berechnet und damit der CO2-Ausstoß bewertet. Durch den virtuellen Prüflauf können die wesentlichen gesetzlich vorgeschriebenen Motorprüfläufe für PKW und NFZ, z. B. NEFZ in Europa, FTP/SFTP in den USA, abgebildet werden, um den Kraftstoffverbrauch und die Ölemission im Vorfeld zu bewerten.
In einem fünften Schritt S5 des Verfahrens erfolgt eine Änderung der Geometrie von Kolben und Ringpaket und die Wiederholung der Schritte zwei S2 und drei S3, um zu berechnen, ob sich bei vorgegebener Form der Zylinderlaufflächen mit anders gestalteten Kolben/Ringpaketen ein Motor mit günstigeren Reibungs- und/oder CO2-Werten und geringeren oder zumindest den gesetzlichen Anforderungen entsprechenden Ölemissionen realisieren lässt und/oder es erfolgt die Änderung der Geometrie des Zylinderkurbelgehäuses mit der Zylinderlauffläche und die Wiederholung der Schritte eins S1 bis vier S4, um zu berechnen, ob sich mit einer anderen Form der Zylinderlaufflächen und/oder in Abhängigkeit der Gestaltung von Kolben und Ringpaket ein Motor mit günstigeren Reibungs- und CO2-Werten realisieren lässt.
In einem sechsten Schritt S6 des Verfahrens wird durch eine gezielte Variation der geometrischen Form der Zylinderlauffläche des Zylinderkurbelgehäuses und der geometrischen Form/Design von Kolben und Ringpaket diejenige Kombination ermittelt, die in Bezug auf Reibung und CO2-Emission während des Betriebes des Hubkolbenmotors die günstigste ist.
In einem siebten Schritt S7 des Verfahrens wird zu der in Schritt sechs S6 ermittelten „optimalen” Form der Zylinderlauffläche im Zylinderkurbelgehäuse ein Geometriedatensatz für eine spanende Bearbeitung der Zylinderlaufflächen erstellt. Mit diesem Geometriedatensatz werden die Zylinderkurbelgehäuse gefertigt. Dazu werden als Bearbeitungsverfahren beispielsweise ein Ausspindeln und ein anschließendes Formhonen angewandt, wobei das Ausspindeln eine Schruppbearbeitung und eine anschließende Schlichtbearbeitung umfasst und beim Formhonen frei im Raum ansteuerbare Honsteine Verwendung finden.
In einem achten Schritt S8 des Verfahrens wird bei einer Montage der Hubkolbenmaschine das in Schritt sechs gefertigte Zylinderkurbelgehäuse mit dem in Schritt fünf ermittelten Kolben und dem Ringpaket kombiniert, um einen verbrauchsoptimierten und emissionsreduzierten Motor zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1321229 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Auslegung und Herstellung von Bohrungen in einem Gehäuse, insbesondere von Zylinderbohrungen für eine Hubkolbenmaschine in einem Zylinderkurbelgehäuse, wobei die Bohrungen in einem unbelasteten Zustand eine Ausgangsform und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Betriebsform, welche eine zylindrischen Sollform ist bzw. dieser möglichst nahe kommt, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt (S1) mindestens eine Form mindestens einer Zylinderlauffläche des Zylinderkurbelgehäuses im kalten, unverspannten Zustand des Zylinderkurbelgehäuses simuliert wird und anschließend mindestens eine Betriebsform dieser Zylinderlauffläche ermittelt wird, die die Zylinderlauffläche aufgrund einer vorgegebenen mechanischen und/oder thermischen Beanspruchung annimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Schritt (S2) diejenigen Betriebsformen der Zylinderlauffläche ausgewählt werden, die im kalten Zustand fertigbar sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt (S3) ein tribologisches Verhalten der ermittelten Zylinderlauffläche bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Schritt (S4) anhand des ermittelten tribologischen Verhaltens der jeweiligen Zylinderlauffläche ein virtueller Prüflauf hinsichtlich zumindest einer zu erwartenden Ölemission und/oder Abgasemission simuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Schritt (S5) eine Änderung einer Geometrie eines Kolbens und eines Ringpaketes und eine Wiederholung der Schritte drei (S3) und vier (S4) erfolgt, um zu ermitteln, ob sich bei vorgegebener Betriebsform der Zylinderlauffläche durch diese Änderung eine geringere Emission und/oder eine geringere Reibung erzielen lässt und/oder eine Änderung der Geometrie des Zylinderkurbelgehäuses mit der Zylinderlauffläche und die Wiederholung der Schritte eins (S1) bis vier (S4) erfolgt, um zu ermitteln, ob sich bei vorgegebener Betriebsform des Kolbens und des Ringpaketes durch diese Änderung eine geringere Emission und/oder eine geringere Reibung erzielen lässt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Schritt (S6) durch eine gezielte Variation der Geometrie des Kolbens, des Ringpaketes und der Zylinderlauffläche diejenige Kombination ermittelt wird, welche im Bezug auf Reibung und Emission in einem späteren Betrieb der Hubkolbenmaschine die günstigste ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem siebten Schritt (S7) aus der in Schritt sechs (S6) ermittelten Geometrie der Zylinderlauffläche ein Datensatz für eine spanende Bearbeitung der Zylinderlauffläche erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Datensatzes eine Fertigung der Zylinderlauffläche des Zylinderkurbelgehäuses erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bearbeitungsverfahren die Zylinderlauffläche durch ein Ausspindeln und ein anschließendes Formhonen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausspindeln eine Schruppbearbeitung und eine anschließende Schlichtbearbeitung ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Formhonen frei im Raum ansteuerbare Honsteine Verwendung finden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Montage der Hubkolbenmaschine das in Schritt sieben (S7) gefertigte Zylinderkurbelgehäuse mit dem in Schritt sechs (S6) ermittelten Kolben und dem Ringpaket kombiniert wird.