DE102010015883A1

DE102010015883A1 - Gaskraftkompensation

Info

Publication number: DE102010015883A1
Application number: DE102010015883A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Wachtmeister Georg; Dipl.-Ing. Kunkel Sebastian; Florian Schwarzmüller
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: DE102010015883B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur kurbelwinkelaufgelösten Messung der Kolbengruppenreibung eines Verbrennungsmotors umfasst eine Vorrichtung zur Gaskraftkompensation mit einer oberen Kompensationskammer und einer unteren Kompensationskammer, welche über einen auf der Rückseite der Laufbuchse ausgebildeten Gaskanal mit großem Querschnitt miteinander verbunden sind. Das große Volumen erlaubt eine homogene Druckverteilung des Brennraumgases über die obere und untere Kompensationskammer und den Gaskanal und damit eine verbesserte Gaskraftkompensation, insbesondere bei Messungen nahe der Volllast. Der Ausbildung von Pfeifenschwingungen in den Kompensationskammern und dem Gaskanal wird dadurch wirksam vorgebeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gaskraftkompensation bei der Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor.
Hintergrund und Stand der Technik
Angesichts einer zunehmenden Ressourcenknappheit und eines wachsenden ökologischen Bewusstseins kommt der Steigerung der Energieeffizienz in der Antriebstechnik eine stetig steigende Bedeutung zu. Da die Reduzierung thermodynamischer Verluste nach großen Fortschritten inzwischen ein sehr hohes Niveau erreicht hat, rücken die mechanischen Verluste verstärkt in den Blickpunkt. Bei den mechanischen Verlusten weist die Kolbengruppe mit 40 bis 60% je nach Motorentyp und Betriebspunkt den größten Anteil auf. Die Kolbengruppenreibung umfasst insbesondere die Reibung des Kolbens an der Zylinderwand als auch die Reibungskräfte an Dichtungsringen o. ä.
Da bei der Entstehung der Kolbengruppenreibung unterschiedliche Prozesse zusammenspielen, welche sowohl von der Kolbenstellung und der Motorlast als auch empfindlich von der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit von Kolben und Zylinderwand abhängen, sind theoretische Vorhersagen zur Kolbengruppenreibung oft fehlerhaft und von für die Praxis begrenzter Aussagekraft. Um detaillierte Aussagen über die Höhe der Reibungskräfte und damit Reibungsverluste im realen Motorbetrieb zu treffen und, darauf aufbauend, die Reibungsverluste minimieren zu können, sind Messungen der Kolbengruppenreibung daher unverzichtbar. Da die Reibung der Kolbengruppe eines Verbrennungsmotors aufgrund der Kolbenhubbewegung sowohl Mischreibung in den Totpunkten als auch hydrodynamische Schmierung zwischen den Totpunkten aufweist, ist eine kurbelwinkelaufgelöste Messung wünschenswert. Zudem sollten die Reibungskräfte in unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors, vom Leerlauf bis hin zur Volllast, gemessen werden.
Zur Messung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder wird üblicherweise die Zylinderwand durch eine entlang einer Axialrichtung der Zylinderkammer beweglich gelagerte Laufbuchse ersetzt. Die bei der Kolbenhubbewegung auf die Laufbuchse übertragene Kraft wird unter Verwendung von zwischen der Laufbuchse und dem Kurbelgehäuse des Motors eingespannten Kraftmessdosen in Abhängigkeit von der Kurbelwinkelstellung gemessen und stellt ein Maß für die Reibung zwischen Kolben und Laufbuchse dar. Zu den Grundlagen und weiteren Einzelheiten dieses als sogenannte Floating-Liner-Methode bezeichneten Meßverfahrens wird auf den Artikel „Measurement of Piston Frictional Force in Actual Operating Diesel Engine" von Shoichi Furuhama und Massaki Takiguchi, Society of Automotive Engineers Technical Paper Series No. 790855, Warrendale, Pennsylvania 1979 verwiesen.
Da bei der Floating-Liner-Methode die Laufbuchse beweglich gegenüber dem Zylinderblock gelagert ist, bildet sich zwischen der Oberseite der Laufbuchse und einer Unterseite des die Zylinderkammer nach oben abschließenden Zylinderkopfes notwendigerweise ein Spalt aus. Aus dem Brennraum in diesen Spalt eindringende Brennraumgase üben in Axialrichtung eine Kraft auf die Laufbuchse aus, welche die Reibungsmessungen verfälscht. Bei modernen Verbrennungsmaschinen liegen die Brennraumdrücke üblicherweise im Bereich zwischen 100 und 300 bar, so dass selbst kleinste Oberflächen der Laufbuchse eine Kraft erfahren, welche die zu messende Reibungskraft zwischen Kolben und Laufbuchse um ein Vielfaches übersteigt.
Furuhama und Takiguchi (a. a. O.) begegnen diesem Problem, indem sie den Spalt zwischen der Laufbuchse und dem Zylinderkopf mit Kunststoffringen gegen die Brennkammer abdichten. Solche Kunststoffringe erlauben zwar auch bei verschiebbarer Laufbuchse eine wirksame Abdichtung des Spaltes, sind jedoch notwendigerweise unmittelbar am Rande des Brennraumes angeordnet und daher den heißen Brennraumgasen direkt ausgesetzt. Schon geringer Verschleiß kann dazu führen, dass ein Teilabschnitt der Oberseite der Laufbuchse freigelegt wird, so dass wiederum unerwünschte zusätzliche Axialkräfte auf die Laufbuchse wirken.
In einer Weiterentwicklung der Floating-Liner-Methode schlagen Furuhama und Sasaki deshalb vor, den Spalt zwischen der Oberseite der Laufbuchse und der Unterseite des Zylinderkopfes zu öffnen und auf die Laufbuchse wirkende Axialkräfte in Kauf zu nehmen, diese jedoch durch betragsmäßig gleiche, entgegengerichtete Kräfte auf die Laufbuchse zu kompensieren, so dass als resultierende Kraft auf die Laufbuchse allein die Reibungskraft zwischen Kolben und Laufbuchse wirkt. Solche Verfahren zur Gaskraftkompensation sind beispielhaft in dem Artikel „New Device for the Measurement of Piston Frictional Forces in Small Engines" von Shochi Furuhama und Shinichi Sasaki, Society of Automotive Engineers Technical Paper No. 831284, Warrendale, Pennsylvania, 1983 beschrieben:
In einer ersten Ausgestaltung (a. a. O., 2) umfasst die Laufbuchse an ihrer Oberseite einen in die Brennkammer hineinkragenden Vorsprung, so dass die in dem Spalt zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf von oben auf den Vorsprung wirkende Kraft durch eine auf die Unterseite des Vorsprungs wirkende Kraft kompensiert wird. Nachteilig an dieser Lösung ist zum einen, dass der in die Brennkammer hineinkragende Vorsprung eine entsprechend geformte Ausnehmung des Kolbens erfordert, welche die zwischen Laufbuchse und Kolben wirkenden Reibungskräfte beeinflusst. Das Ziel, die im Motorenbetrieb auftretenden Reibungskräfte möglichst wirklichkeitsnah zu messen, wird damit gerade nicht erreicht.
In einer alternativen Ausgestaltung (a. a. O., 4) schlagen Furuhama und Sasaki eine Laufbuchse mit einer Vielzahl von Bohrungen vor, durch welche das Brennraumgas aus der Zylinderkammer in eine Kompensationskammer strömt, welche auf der der Brennkammer abgewandten Rückseite der Laufbuchse zwischen dem Motorblock und der Laufbuchse ausgebildet ist. In der Kompensationskammer übt das Brennraumgas eine aufwärts gerichtete Kraft auf die Laufbuchse aus, welche die innerhalb des Spaltes zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf auf die Laufbuchse in Abwärtsrichtung wirkende Kraft kompensiert. Diese alternative Ausgestaltung erfordert keinen in die Brennkammer ragenden Vorsprung. Jedoch muss die Laufbuchse mit Bohrungen versehen werden, um dem Brennraumgas den Eintritt in die Kompensationskammer zu ermöglichen. Zudem besteht der Nachteil, dass im Betrieb Druckgradienten zwischen dem Einlass der Bohrungen und dem Spalt zwischen der Oberseite der Laufbuchse und der Unterseite des Zylinderkopfes auftreten, so dass die Gaskraftkompensation allenfalls unvollständig gelingt. Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass sich in den Bohrungen der Laufbuchse während des Betriebes sogenannte Pfeifenschwingungen ausbilden, welche zu starken Druckschwankungen in der Kompensationskammer führen und dadurch die Gaskraftkompensation stören. Pfeifenschwingungen treten insbesondere nahe des Volllastbetriebs auf, wenn das Brennraumgas unter hohem Druck in die Bohrungen einströmt.
Eine der letztgenannten Messvorrichtung ähnliche Vorrichtung zur Gaskraftkompensation, welche die gleichen Probleme aufweist, ist auch in der japanischen Anmeldeschrift JP 59088638 beschrieben.
Die US-Anmeldeschrift US 2002/0083913 A1 sieht gleichfalls eine auf der Rückseite der Laufbuchse angeordnete Kompensationskammer vor, welche über röhrenförmige Bohrungen in der Laufbuchse mit der Brennkammer verbunden ist. Im Unterschied zu den beiden vorgenannten Messvorrichtungen münden die Röhren jedoch nicht seitwärts in die Brennkammer, sondern an der Oberseite der Laufbuchse in den Spalt zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass auf eine Modifikation der Lauffläche verzichtet werden kann. Jedoch wird dieser Vorteil mit im Vergleich zum vorgenannten Stand der Technik längeren Röhren zwischen der Kompensationskammer und der Zylinderkammer erkauft, so dass das Problem des Auftretens von Pfeifenschwingungen noch verstärkt wird und auch diese Messvorrichtung für eine wirkungsvolle Gaskraftkompensation nur bedingt geeignet ist.
In der Praxis wird es zudem oft nötig sein, die Reibung zwischen dem Kolben und einer Vielzahl unterschiedlicher Laufbuchsen, beispielsweise Laufbuchsen mit unterschiedlich gestalteter Oberfläche, zu vermessen, um die Reibungsverluste wirkungsvoll minimieren zu können. Um die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit sicherzustellen, muss jede dieser Laufbuchsen mit identisch ausgebildeten Gaskanälen versehen werden, so dass an die Fertigung der Laufbuchsen große Anforderungen gestellt werden. Die in der US 2002/0083913 vorgeschlagene Lösung ist daher für umfangreiche Messreihen nur bedingt geeignet.
Vor dem Hintergrund der vorgenannte Probleme und Nachteile besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor bzw. ein verbessertes Verfahren zur Messung einer solchen Kolbengruppenreibung bereitzustellen, welche eine vollständige Gaskraftkompensation über den gesamten Leistungsbereich des Verbrennungsmotors gewährleisten und weitgehend ohne bauliche Modifikationen der Kolbengruppe auskommen.
Überblick über die Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von Anspruch 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor umfasst eine Haltevorrichtung, welche mit einem Zylinderkopf (und ggf. einem Kurbelgehäuse) verbindbar ist und an welcher eine Laufbuchse, welche eine Zylinderkammer seitwärts umschließt, entlang einer Axialrichtung der Zylinderkammer beweglich gelagert ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Fortsatz, welcher der Laufbuchse an einer Außenseite benachbart und mit der Laufbuchse fest verbindbar oder verbunden ist, sowie eine untere Kompensationskammer zwischen einer Unterseite des Fortsatzes und der Haltevorrichtung oder einem mit der Haltevorrichtung verbundenen Bauelement. Die Haltevorrichtung bildet in Verbindung mit dem Zylinderkopf eine obere Kompensationskammer zwischen einer Unterseite des Zylinderkopfes und einer Oberseite der Laufbuchse und gegebenenfalls einer Oberseite des Fortsatzes aus, wobei die obere Kompensationskammer über einen an und/oder jenseits einer der Zylinderkammer abgewandten Rückseite der Laufbuchse ausgebildeten Gaskanal mit der unteren Kompensationskammer in Fluidverbindung steht.
Das in die obere Kompensationskammer einströmende Brennraumgas übt eine in Axialrichtung abwärts gerichtete Kraft auf die Laufbuchse aus. Durch den Gaskanal strömt das Brennraumgas aus der oberen Kompensationskammer in die untere Kompensationskammer, die zwischen einer Unterseite des Fortsatzes und der Haltevorrichtung oder einem kraftschlüssig mit der Haltevorrichtung verbundenen Bauelement ausgebildet ist. Dort übt das Brennraumgas eine aufwärts gerichtete Gegenkraft auf den Fortsatz und damit die mit dem Fortsatz verbundene Laufbuchse aus, welche die abwärts gerichtete Kraft wirksam kompensiert. Als resultierende Kraft auf die Laufbuchse verbleibt allein die Reibungskraft zwischen Laufbuchse und Kolben.
Indem die obere Kompensationskammer in dem Spalt zwischen der Oberseite der Laufbuchse und der Unterseite des Zylinderkopfes ausgebildet ist und mit der unteren Kompensationskammer über einen aus der oberen Kammer abzweigenden Gaskanal verbunden ist, kann auf bauliche Modifikationen der Laufbuchse und des Kolbens weitgehend verzichtet werden. insbesondere können in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sowohl serienmäßige Kolben als auch serienmäßige Zylinderköpfe und Einspritzvorrichtungen verwendet werden, so dass eine sehr praxisnahe Messung der Reibungskräfte möglich wird.
Mit einem an der Rückseite der Laufbuchse und/oder jenseits der Rückseite der Laufbuchse ausgebildeten Gaskanal ist insbesondere ein Gaskanal gemeint, welcher, anders als im Stand der Technik, nicht durch die Laufbuchse hindurchfährt. Ein jenseits der Rückseite der Laufbuchse ausgebildeter Gaskanal im Sinn dieser Schrift ist insbesondere ein Gaskanal, welcher, von der Zylinderkammer aus betrachtet, in Radialrichtung jenseits der Laufbuchse ausgebildet ist, d. h. auf der der Zylinderkammer abgewandten Seite der Laufbuchse verläuft. Der Gaskanal kann dabei vollständig oder abschnittsweise durch die Rückseite der Laufbuchse begrenzt sein oder auch von der Laufbuchse durch ein weiteres Bauelement getrennt sein.
Da der Gaskanal an und/oder jenseits der Rückseite der Laufbuchse verläuft, wird die aus dem Brennraum in die untere Kompensationskammer strömende Luft um die Oberseite der Laufbuchse herumgeführt und nicht durch die Laufbuchse hindurchgeführt. Modifikationen der Laufbuchse, insbesondere Bohrungen durch die Laufbuchse hindurch, werden daher vermieden. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Reibung zwischen dem Kolben und einer Vielzahl unterschiedlicher Laufbuchsen, beispielsweise Laufbuchsen mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit, gemessen werden soll. Zur Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Gaskraftkompensation bei Vergleichsmessungen mit unterschiedlichen Laufbuchsen ist es ausreichend, dass in deren jeweiliger Ruhelage eine identische Spaltbreite zwischen der Oberseite der jeweiligen Laufbuchse und der Unterseite des Zylinderkopfes ausgebildet ist. Dadurch kann im Vergleich zum Stand der Technik schneller und effizienter zwischen unterschiedlichen Laufbuchsen gewechselt werden.
Indem sich die obere Kompensationskammer über die gesamte Dicke der Laufbuchsenwand und darüber hinaus zumindest über einen Abschnitt des mit der Laufbuchse verbundenen Fortsatzes erstreckt, wird ein hinreichend großer Kompensationsraum bereitgestellt, um eine homogene Druckverteilung zu gewährleisten und störende Druckschwankungen bzw. Pfeifenschwingungen zu vermeiden.
Vorzugsweise steht die obere Kompensationskammer über einen zwischen der Laufbuchse und dem Fortsatz und/oder über einen in dem Fortsatz ausgebildeten Gaskanal mit der unteren Kompensationskammer in Fluidverbindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umlaufen die obere Kompensationskammer und/oder die untere Kompensationskammer die Zylinderkammer vollständig. Dadurch steht für die Gaskraftkompensation ein großes Volumen zur Verfügung, welches für die Ausbildung einer homogenen Druckverteilung im Kanalsystem besonders vorteilhaft ist.
Vorzugsweise ist der Gaskanal wenigstens entlang eines Teilabschnittes schlitzförmig ausgebildet. Ein schlitzförmiger Gaskanal im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein Gaskanal ohne kreisförmigen Querschnitt sein. Röhrenförmige Gaskanäle mit kreisförmigem Querschnitt sind für die Ausbildung von Pfeifenschwingungen, welche die Gaskraftkompensation stören, besonders anfällig. Durch schlitzförmige Gaskanäle lasst sich die Wahrscheinlichkeit des Ausbilden von Pfeifenschwingungen im Kanalsystem dagegen weitgehend reduzieren, so dass sich eine über das Kanalsystem weitgehend homogene Druckverteilung ausbilden kann. Die Orientierung des Gaskanals wird der Fachmann in Abhängigkeit von den baulichen und konstruktiven Einschränkungen unter Berücksichtigung der Erfordernisse eines weitgehend ungestörten Strömungstransports zwischen oberer und unterer Kompensationskammer wählen. Die längere Seite des Schlitzes kann sowohl entlang einer Umfangsrichtung der Zylinderkammer als auch entlang einer Radialrichtung der Zylinderkammer orientiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der schlitzförmige Gaskanal senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Gases einen länglichen Querschnitt mit einem längeren und einem kürzeren Durchmesser auf, wobei der längere Durchmesser den kürzeren Durchmesser um wenigstens das Fünffache, besonders vorzugsweise um wenigstens das Zehnfache, übersteigt. Insbesondere weist der Gaskanal in dieser bevorzugten Ausführungsform senkrecht zur Strömungsrichtung keinen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt auf.
Der schlitzförmige Gaskanal kann senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Gases insbesondere einen kreisringsegmentförmigen Querschnitt aufweisen. Der längere Durchmesser kann in diesem Fall die Länge des Kreisbogens am äußeren Umfang (mit dem größeren Radius) oder am inneren Umfang (mit dem kleineren Radius) oder mit einem betragsmäßig zwischen dem größeren und dem kleineren Radius liegenden Radius sein. Der kürzere Durchmesser kann dagegen der senkrechte Abstand zwischen den Begrenzungsflächen des Gaskanals, gemessen in Radialrichtung, sein.
Der schlitzförmige Gaskanal kann senkrecht zur Strömungsrichtung des strömenden Gases auch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. In diesem Fall kann der längere Durchmesser die größere Rechteckseite, der kürzere Durchmesser die kleinere Rechteckseite kennzeichnen.
In einer Weiterbildung der Erfindung umläuft der Gaskanal die Zylinderkammer wenigstens zu einem Viertel, vorzugsweise vollständig. Dadurch stehen für den Druckausgleich zwischen der unteren Kompensationskammer und der oberen Kompensationskammer im Vergleich zum Stand der Technik besonders große Strömungsquerschnitte zur Verfügung, so dass sich in dem Kanalsystem eine über beide Kompensationskammern weitgehend homogene Druckverteilung ausbilden kann und die Gefahr des Auftretens von Pfeifenschwingungen weiter reduziert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Kolbengruppenreibung ist nicht auf einen einzelnen Gaskanal beschränkt. Sie kann auch eine Mehrzahl von Gaskanälen zwischen der oberen Kompensationskammer und der unteren Kompensationskammer aufweisen, wobei die Gaskanäle zusammengenommen wenigstens ein Viertel der Zylinderkammer, vorzugsweise wenigstens die Hälfte der Zylinderkammer, umlaufen. Zur Ermittlung des zusammengenommenen Anteils der Gaskanäle kann die Ausdehnung aller Gaskanäle entlang einer Umfangsrichtung der Zylinderkammer addiert und in Beziehung zu einer Umfangslänge der Zylinderkammer gesetzt werden.
Auch mit mehreren Gaskanälen, welche zwar jeweils von geringer Ausdehnung sind, aber zusammengenommen ein großes Volumen bereitstellen, lässt sich im Betrieb über den gesamten Lastbereich bis hin zur Volllast eine homogene Druckverteilung über beide Kompensationskammern und das Kanalsystem und damit eine wirkungsvolle Gaskraftkompensation erreichen.
Vorzugsweise ist die obere Kompensationskammer über eine Einlassöffnung mit der Zylinderkammer verbunden, wobei die Einlassöffnung die gesamte Zylinderkammer umläuft. Damit wird ein besonders großer Einlassquerschnitt für das Brennraumgas bereitgestellt und eine schnelle Gaskraftkompensation erreicht.
Vorzugsweise sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung eine untere Fläche der oberen Kompensationskammer und eine obere Fläche der unteren Kompensationskammer so ausgebildet und/oder bemessen, dass eine durch einen Fluiddruck in der Zylinderkammer hervorgerufene, in Axialrichtung auf die untere Fläche der oberen Kompensationskammer wirkende Kraft durch eine entgegengerichtete, auf die obere Fläche der unteren Kompensationskammer wirkende Gegenkraft kompensiert wird. Die untere bzw. obere Fläche im Sinne der Erfindung bezeichnen dabei nicht notwendigerweise den geometrischen Flächeninhalt, sondern eine für die angreifenden Druckkräfte wirksame Querschnittsfläche senkrecht zur Axialrichtung der Zylinderkammer. Durch geeignete Orientierung, Formgebung und Bemessung der unteren Fläche der oberen Kompensationskammer und der oberen Flache der unteren Kompensationskammer lasst sich eine vollständige Gaskraftkompensation erreichen.
In einer Weiterbildung beträgt das Oberflächenverhältnis A' / A der oberen Fläche A' der unteren Kompensationskammer zu der unteren Fläche A der oberen Kompensationskammer zwischen 0,9 und 1,2, vorzugsweise zwischen 0,95 und 1,05, und liegt besonders vorzugsweise bei 1.
Indem die wirksame obere Fläche der unteren Kompensationskammer geringfügig größer ausgebildet ist als die untere Fläche der oberen Kompensationskammer, können eventuellen Druckunterschieden zwischen der oberen Kompensationskammer und der unteren Kompensationskammer Rechnung getragen werden und dennoch eine vollständige Gaskraftkompensatian erreicht werden. Zur Gaskraftkompensation bei der Messung von Unterdruck, beispielsweise in der Ansaugphase bei Leerlauf des Motors, kann vorteilhafterweise auch die wirksame obere Fläche der unteren Kompensationskammer geringfügig kleiner ausgebildet sein als die wirksame untere Fläche der oberen Kompensationskammer.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt eine radiale Ausdehnung der oberen Kompensationskammer und/oder eine radiale Ausdehnung der unteren Kompensationskammer wenigstens ein Viertel des Radius der Zylinderkammer, besonders vorzugsweise wenigstens ein Drittel des Radius der Zylinderkammer. Diese Schranke an das Radienverhältnis bewährt sich insbesondere bei Verbrennungsmotoren für Pkw. Durch tiefe Kompensationskammern, d. h. solche mit großer radialer Ausdehnung, wird die Ausbildung einer homogenen Druckverteilung gefördert.
Vorzugsweise ist die obere Kompensationskammer durch eine erste Dichtung gegen die Haltevorrichtung abgedichtet. Ebenso kann die untere Kompensationskammer durch wenigstens eine zweite Dichtung gegen die Haltevorrichtung abgedichtet sein. Die Dichtungen verhindern das Entweichen von Brennraumgasen aus den Kompensationskammern in die Umgebung.
Die erste Dichtung und/oder die zweite Dichtung umfassen vorzugsweise einen Kunststoffkern, welcher an zumindest einer der Kompensationskammer zugewandten Seite von einem Mantel aus Metall oder aus einem anderen hitzebeständigen Material überdeckt ist. Eine solche zweiteilige Dichtung ist für eine wirksame und dauerhafte Abdichtung der Kompensationskammern besonders vorteilhaft. Der Kunststoffkern, vorzugsweise aus Viton oder einem verwandten Material, bewirkt eine nahezu vollständige Abdichtung, während der Mantel den Kunststoffkern zur Kompensationskammer gegen die heißen Brennraumgase abschirmt. Solche Dichtungen vereinigen die hervorragende Dichtwirkung von Kunststoffdichtungen mit der Robustheit und Langlebigkeit von Metalldichtungen.
In einer Weiterbildung berührt der Metallmantel die Haltevorrichtung und/oder das mit der Haltevorrichtung verbundene Bauelement, auf welchem die Dichtung aufliegt. Dadurch lasst sich der aus den Kompensationskammern in den Metallmantel eingetragene Wärmestrom von der Dichtung ableiten, so dass der Wärmeeintrag in den Kunststoffkern minimiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laufbuchse und/oder der Fortsatz über wenigstens eine Metallscheibe an der Haltevorrichtung gelagert. Die Metallscheibe kann als Kreisringscheibe ausgebildet sein, welche die Zylinderkammer vollständig umläuft. Eine solche Kreisringscheibe ist sehr steif in Radialrichtung, aber weich und nachgiebig in Axialrichtung. Auf diese Weise werden die in Axialrichtung auf die Laufbuchse wirkenden Rückstellkräfte, welche die Messung der Kolbengruppenreibung verfälschen könnten, weitgehend reduziert, während gleichzeitig eine stabile radiale Lagerung der Laufbuchse an der Haltevorrichtung erreicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Laufbuchse und/oder der Fortsatz über wenigstens eine Radiallagerbrücke, vorzugsweise über wenigstens zwei einander diametral zur Achse der Zylinderkammer gegenüberliegende Radiallagerbrücken, an der Haltevorrichtung gelagert. Auch mit Radiallagerbrücken, welche die Zylinderkammer nur teilweise umlaufen, lässt sich eine in Radialrichtung feste, in Axialrichtung dagegen nachgiebige Lagerung der Laufbuchse erreichen.
Vorzugsweise ist die Radiallagerbrücke entlang der Axialrichtung höhenverstellbar mit der Haltevorrichtung und/oder der Laufbuchse verbunden oder verbindbar. Mittels der Höhenverstellung zwischen Laufbuchse und Haltevorrichtung lässt sich eine Kraftmesseinrichtung zur Messung der auf die Laufbuchse wirkenden Reibungskraft reproduzierbar vorspannen oder auch spannungsfrei einstellen. Dadurch wird eine Reproduzierbarkeit bzw. Vergleichbarkeit der Messergebnisse sichergestellt.
Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn eine Vielzahl von Laufbuchsen im Vergleich getestet werden soll.
Vorzugsweise hegt die Radiallagerbrücke auf einem Keilstück auf. Das Keilstück ermöglicht eine einfache, schnelle und dennoch genaue Höheneinstellung der Radiallagerbrücke.
In einer Weiterbildung umfasst die Messvorrichtung eine Kraftmesseinrichtung zur Messung einer zwischen der Laufbuchse und der Haltevorrichtung und/oder zwischen der Laufbuchse und einem mit der Haltevorrichtung verbindbaren oder verbundenen Kurbelgehäuse entlang der Axialrichtung wirkenden Kraft.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor mit einer Messvorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Merkmale und zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor lassen sich am besten anhand einer detaillierten Beschreibung der anliegenden Zeichnungen verstehen, in denen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Messvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 eine Dichtungsvorrichtung zur Abdichtung der unteren Kompensationskammer gegen die Haltevorrichtung in einer schematischen Detailansicht zeigt;
3a einen schematischen Querschnitt einer Messvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3b eine Aufsicht auf eine Kreisringscheibe zur Lagerung der Laufbuchse an der Haltevorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4a einen schematischen Querschnitt einer Messvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
4b in perspektivischer Ansicht eine Radiallagerbrücke zur Lagerung der Laufbuchse an der Haltevorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Messvorrichtung 10 zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor nach einer ersten Ausführung der Erfindung. Die Messvorrichtung 10 umschließt eine Zylinderkammer 12 vollständig und ist rotationssymmetrisch zur Zylinderachse Z ausgebildet. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Haltevorrichtung 14, welche an ihrer Oberseite mit einem Zylinderkopf 16 und an ihrer Unterseite mit einem Kurbelgehäuse 18 verbindbar ist. Insofern ersetzt die Haltevorrichtung 14 in der Messvorrichtung 10 den Zylinderblock eines serienmäßigen Verbrennungsmotors.
Die Zylinderkammer 12 wird an ihrer Stirnseite von dem Zylinderkopf 16 abgeschlossen und ist an den Seiten von einer röhrenförmigen Laufbuchse 20 umschlossen. Die Laufbuchse 20 tritt in der Messvorrichtung 10 an die Stelle der Zylinderkammerinnenwand eines serienmäßigen Verbrennungsmotors; sie kann der Serienlaufbuchse in Ausdehnung, Material und Oberflächenbeschaffenheit entsprechen. Die Reibungskräfte zwischen der Außenseite der Laufbuchse 20 und der Mantelfläche eines sich in der Zylinderkammer 12 auf und ab bewegenden Kolbens 22 stimmen daher idealerweise genau mit den Reibungskräften überein, welche im realen Motorbetrieb zwischen dem Kolben 22 und der Zylinderwand der Zylinderkammer 12 auftreten würden.
Zur Messung dieser Reibungskräfte nach der Floating-Liner-Methode ist die Laufbuchse 20 entlang der Axialrichtung Z der Zylinderkammer 12 beweglich gelagert. In der gezeigten Ausführung der 1 ist die Laufbuchse 20 dazu an ihrer der Zylinderkammer 12 abgewandten Rückseite fest mit einer Laufbuchsenhalterung 24 verbunden, welche über eine Radiallagerung 26 in Axialrichtung beweglich mit der Haltevorrichtung 14 verbunden ist. Alternative Ausgestaltungen der Radiallagerung 26 werden später mit Bezug auf die 3b und 4b in weiteren Einzelheiten beschrieben.
In der Darstellung der 1 sind zur Veranschaulichung die gegenüber dem Motorblock bzw. Kurbelgehäuse 18 festen, unbewegten Bauelemente jeweils von rechts unten nach links oben schraffiert, die gegenüber dem Motorblock bzw. Kurbelgehäuse 18 in Axialrichtung Z beweglichen Bauelemente dagegen von links unten nach rechts oben schraffiert.
Die Reibungskräfte zwischen der Mantelfläche des Kolbens 22 und der Innenseite der Laufbuchse 20 bewirken, dass die Laufbuchse 20 der Bewegung des Kolbens 22 in der Zylinderkammer 12 teilweise nachfolgt. Die dabei auftretenden Kräfte werden durch zwischen einer Unterseite der Laufbuchsenhalterung 24 und dem Kurbelgehäuse 18 eingespannte Kraftmessdosen 28 gemessen. Da die Laufbuchsenhalterung 24 fest mit der Laufbuchse 20 verbunden ist und ihre Bewegung in Axialrichtung folgt, können die Laufbuchse 20 und die Laufbuchsenhalterung 24 der gezeigten Messvorrichtung 10 hinsichtlich der Kraftübertragung als Einheit betrachtet werden. Ein Kanal 30 zwischen der der Zylinderkammer 12 abgewandten Rückseite der Laufbuchse 20 und der Laufbuchsenhalterung 24 wird im Betrieb der Messvorrichtung 10 von Kühlwasser durchströmt, um die in der Zylinderkammer 12 bei der Kraftstoffverbrennung entstehende Wärme abzuführen.
Die gezeigte Ausführungsform verwendet piezoelektrische Kraftmessdosen 28, welche mittels einer Vorspannschraube 32 zwischen der Laufbuchsenhalterung 24 und dem Kurbelgehäuse 18 vorgespannt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche piezoelektrische Kraftmessdosen beschränkt, sondern umfasst alle Kraftmesseinrichtungen, welche zur Messung der zwischen Laufbuchse 20 bzw. Laufbuchsenhalterung 24 und dem Kurbelgehäuse 18 bzw. Motorblock auftretenden Axialkräfte geeignet sind. Die Kraftmessdosen 28 sind mit einer Auswerteeinheit (nicht gezeigt) verbunden, an welcher die gemessenen Reibungskräfte zwischen Laufbuchse 20 und Kolben 22 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 22 aufgenommen und ausgewertet werden.
Aufgrund der in Axialrichtung beweglich gelagerten Laufbuchse 20 bildet sich zwischen der Oberseite der Laufbuchse 20 und der Unterseite des Zylinderkopfes 16 notwendigerweise ein Spalt aus, welcher mit dem Brennraum 34 der Zylinderkammer 12 in Fluidverbindung steht und in welchen während des Betriebs der Messvorrichtung heißes Gas unter hohem Druck aus dem Brennraum 34 einströmt. Wie einleitend mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, drückt das in den Spalt eintretende Brennraumgas auf die Oberseite der Laufbuchse 20 und damit auf die Kraftmessdosen 28. Bei modernen Verbrennungsmaschinen beträgt der Brennraumgasdruck üblicherweise zwischen 100 und 300 bar, so dass selbst eine auf kleinste Oberflächen der Laufbuchse 20 wirkende Kraft um ein Vielfaches größer ist als die zu messenden Reibungskräfte zwischen der Laufbuchse 20 und dem Kolben 22 und die Reibungsmessungen daher verfälschen würde.
In der gezeigten Ausführungsform wirkt die abwärts gerichtete Brennraumgaskraft über die gesamte Oberseite der Laufbuchse 20 und über die Oberseite eines mit der Laufbuchse 20 und/oder der Laufbuchsenhalterung 24 an der Rückseite der Laufbuchse 20 fest verbundenen Fortsatzes 36 bis zu einer ersten Dichtung 38 (einschließlich der halben Breite des Spaltes zwischen dem Fortsatz 36 und der Haltevorrichtung 14), d. h. über eine wirksame Fläche, welche in 1 mit A bezeichnet ist. Der Spalt oberhalb der Fläche A zwischen einer Unterseite des Zylinderkopfes 16 und einer Oberseite der Laufbuchse 20 sowie einer Oberseite des der Laufbuchse 20 benachbarten Fortsatzes 36 wird in dieser Schrift als obere Kompensationskammer 40 bezeichnet. Die über die Fläche A gerichtete Kraftkomponente soll durch eine betragsmäßig gleiche, entgegengerichtete Gegenkraft auf die Laufbuchse kompensiert werden.
Zur Kraftkompensation ist die obere Kompensationskammer 40 über einen schlitzförmigen Gaskanal 42 mit einer unteren Kompensationskammer 44 verbunden, die zwischen einer Unterseite des Fortsatzes 36 und der Oberseite eines fest mit der Haltevorrichtung 14 verbundenen Kragens 46 ausgebildet ist. Durch den Gaskanal in die untere Kompensationskammer 44 eintretendes Brennraumgas führt über einen Querschnitt, welcher der Oberfläche des Kragens 46 zuzüglich der jeweils halben Breite des Spaltes zwischen dem Kragen 46 und der Laufbuchsenhalterung 24 bzw. dem Fortsatz 36 entspricht, zu einer aufwärts gerichteten Kraftkomponente auf die Unterseite des Fortsatzes 36 über eine wirksame Fläche A' und damit auf die mit dem Fortsatz 36 fest verbundene Laufbuchse 20. Diese Kraftkomponente ist der durch das Brennraumgas in der oberen Kompensationskammer 40 hervorgerufenen Kraft entgegengerichtet. Durch entsprechende Dimensionierung der Unterseite der oberen Kompensationskammer 40 und der Oberseite der unteren Kompensationskammer 44 kann erreicht werden, dass die in den Kompensationskammern auf die Laufbuchse wirkenden Brennraumgaskräfte einander genau kompensieren, so dass als resultierende Kraft auf die Laufbuchse 20 entlang der Axialrichtung Z allein die Reibungskraft zwischen Laufbuchse 20 und Kolben 22 verbleibt.
Mit der gezeigten Ausführungsform lässt sich innerhalb der Kompensationskammern 40 und 44 und des Gaskanals 42 eine weitgehend homogene Druckverteilung erreichen, so dass zur vollständigen Gaskraftkompensation die Fläche A' gleich der Fläche A gewählt werden kann. Eine vollständig homogene Druckverteilung ist jedoch keine notwendige Voraussetzung: Ein Druckgradient zwischen unterer Kompensationskammer 44 und oberer Kompensationskammer 40 kann beispielsweise kompensiert werden, indem die obere Flache A' der unteren Kompensationskammer 44 um soviel größer als die untere Fläche der oberen Kompensationskammer 40 gewählt wird, wie der Druck in der unteren Kompensationskammer 44 hinter dem Druck in der oberen Kompensationskammer 40 zurückbleibt.
In der gezeigten Ausführungsform verläuft der Gaskanal 42 von der Unterseite der oberen Kompensationskammer 40 zwischen den Seitenflächen der Laufbuchse 20 und des Fortsatzes 36 hindurch und entlang der Oberseite der Laufbuchsenhalterung 24. Der Fortsatz 36 und die Laufbuchsenhalterung 24 bzw. die Laufbuchse 20 sind über Distanzscheiben miteinander verschraubt, zwischen denen das Brennraumgas nahezu ungehindert hindurchströmen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Gaskanal auch durch den Fortsatz 36 hindurch verlaufen.
In der gezeigten Ausführungsform beträgt die Höhe der oberen Kompensationskammer 40 und der unteren Kompensationskammer 44 in Abhängigkeit von der Stellung der Laufbuchse ca. 1 mm bis 2 mm, der Durchmesser des Gaskanals 42 etwa 1 mm.
Gegenüber konventionellen Messvorrichtungen besteht ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin, dass das Brennraumgas nicht durch die Laufbuchse 20 hindurch, beispielsweise durch Bohrungen in der Laufbuchse, sondern um die Laufbuchse 20 herum in die untere Kompensationskammer 44 strömt. Daher kann auf Modifikationen an der Laufbuchse 20 weitgehend verzichtet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Kolbengruppenreibung an unterschiedlich gestalteten Laufbuchsen gemessen werden soll und ein schneller Wechsel zwischen verschiedenen Laufbuchsen nötig ist.
Da das Brennraumgas durch eine unmittelbar unterhalb des Zylinderkopfes ausgebildete Einlassöffnung in die obere Kompensationskammer 40 und von dort in die untere Kompensationskammer 44 strömt, kann auch auf Modifikationen am Kolben 22 und am Zylinderkopf 16 vollständig verzichtet werden, so dass Serienbauteile zum Einsatz kommen können. Dadurch wird nicht nur der Messaufwand gering gehalten, sondern gleichzeitig eine sehr realitätsnahe Messumgebung bereitgestellt und damit die Aussagekraft der Messergebnisse deutlich gesteigert. Da die Geometrie des Zylinderkopfes für die erfindungsgemäße Gaskraftkompensation nicht angepasst werden muss, können insbesondere auch Reibungsmessungen an modernen direkt einspritzenden Ottomotoren ausgeführt werden, bei denen die Kraftstoffeinspritzdüsen mitunter schräg und sehr nah am Brennraum liegen.
In der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich sowohl die obere Kompensationskammer 40 als auch die untere Kompensationskammer 44 und der verbindende Gaskanal 42 über den gesamten Umfang der Zylinderkammer 12 und bilden ein zusammenhängendes Gaskompensationssystem. Zudem erstreckt sich die obere Kompensationskammer 40 über die Oberseite der Laufbuchse 20 hinaus auch über die Oberseite des Fortsatzes 36 und damit in Radialrichtung weit in die Haltevorrichtung hinein. Entsprechend groß ist auch die radiale Ausdehnung der unteren Kompensationskammer 44 ausgebildet. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass für die Gaskraftkompensation im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vergrößerte Strömungsquerschnitte zur Verfügung stehen. Auf diese Weise wird die schnelle Ausbildung einer homogenen Druckverteilung zwischen oberer Kompensationskammer 40 und unterer Kompensationskammer 44 selbst bei sehr hohen Brennraumdrücken ermöglicht, so dass im gesamten Lastbereich des Motors bis hin zur Volllast eine vollständige Gaskraftkompensation erfolgen kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Kolbengruppenreibung lassen sich daher die mechanischen Reibungsverluste mindestens kurbelwinkelaufgelöst über den gesamten Lastbereich bestimmen.
Die Ausbildung einer homogenen Druckverteilung innerhalb des Kompensationssystems wird insbesondere auch dadurch gefördert, dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung auf die im Stand der Technik üblichen röhrenförmigen Gaskanäle verzichtet und stattdessen einen die Zylinderkammer 12 vollständig umlaufenden schlitzförmigen Gaskanal 42 vorsieht. Dadurch kann insbesondere der Ausbildung störender Pfeifenschwingungen in dem Kanalsystem, welche zu Druckschwankungen in den Kompensationskammern und damit einer unvollständigen Gaskraftkompensation führen würden, vorgebeugt werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch wiederum für Messungen in der Nähe des Volllastbereichs, wo die Gefahr der Ausbildung von Pfeifenschwingungen bei konventionellen Messvorrichtungen am größten ist.
Die untere Kompensationskammer 44 ist an ihrer Unterseite durch ein zweites Dichtungselement 48 gegen den beweglichen Fortsatz 36 und die bewegliche Laufbuchsenhalterung 24 abgedichtet, um das Austreten von Brennraumgasen aus der unteren Kompensationskammer 44 in die Umgebung zu verhindern. Sowohl das erste Dichtungselement 38 zur Abdichtung der oberen Kompensationskammer 40 als auch das zweite Dichtungselement 48 zur Abdichtung der unteren Kompensationskammer 44 können als Schleifsitzdichtscheiben aus Metall ausgebildet werden. Ein Vorteil solcher Metalldichtungen liegt in ihrer großen Hitzebeständigkeit und damit Langlebigkeit. Während des Betriebs der Messvorrichtung treten an der Haltevorrichtung 14 und dem Fortsatz 36 Schwingungen auf, welche die Dichtringe von ihrem Schleifsitz abheben lassen und dadurch zu Undichtigkeiten führen können. Es ist daher zweckmäßig, die Dichtringe unter Verwendung von Federelementen, beispielsweise Tellerfederpaketen, auf ihren Schleifsitz zu pressen.
Alternativ zu den Schleifsitzdichtscheiben können als erstes Dichtungselement 38 und zweites Dichtungselement 48 auch Dichtungen aus hitzebeständigem Kunststoff, beispielsweise Vitonscheiben, verwendet werden. Kunststoffdichtungen weisen gegenüber metallenen Dichtscheiben eine verbesserte Dichtwirkung auf, sind jedoch im Allgemeinen weniger hitzebeständig und daher in der Messvorrichtung einem größeren Verschleiß ausgesetzt.
Das zweite Dichtungselement 48 kann einteilig ausgebildet sein und sich über die gesamte Unterseite der unteren Kompensationskammer 44 erstrecken. Alternativ kann das zweite Dichtungselement 48 auch zweiteilig ausgebildet sein, wobei der erste Teil des Dichtungselementes 48 den Spalt zwischen der Laufbuchsenhalterung 24 und dem Kragen 46, der zweite Teil den Spalt zwischen dem Kragen 46 und dem Fortsatz 36 abdichtet.
Eine solche zweiteilige Ausgestaltung des zweiten Dichtungselementes 48 mit einem ersten Teilelement 48a und einem zweiten Teilelement 48b ist in der Detailansicht der 2 gezeigt.
Sowohl das erste Teilelement 48a als auch das zweite Teilelement 48b des zweiten Dichtungselementes 48 sind in der Ausführung der 2 als zweielementige Ringscheiben ausgebildet und umfassen jeweils einen ringscheibenförmigen Kunststoffkern 50a bzw. 50b, beispielsweise aus hitzebeständigem Viton oder einem verwandten Material, und jeweils einen Metallmantel 52a bzw. 52b, welcher den Kunststoffkern 50a, 50b an seiner Oberseite und den Seitenflächen überdeckt. Ein solches zweiteiliges Dichtungselement verbindet die Vorteile einer Kunststoffdichtung, insbesondere ihre hohe Dichtwirkung, mit den Vorteilen einer Metalldichtung, insbesondere der hohen Hitzebeständigkeit. Der Metallmantel 52a, 52b schirmt den Kunststoffkern 50a, 50b gegen die heißen Brennraumgase in der unteren Kompensationskammer 44 ab. Der Metallmantel 52a, 52b steht an zumindest einer Seite der Dichtringe mit dem Kragen 46 und der Laufbuchsenhalterung 24 bzw. dem Fortsatz 36 in thermischem Kontakt und leitet den Wärmestrom dorthin ab. Aufgrund der im Vergleich zu dem Metallmantel 52a, 52b geringeren Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffkerns 50a, 50b ist der Wärmeeintrag in den Kunststoffkern 50a, 50b gering, so dass trotz der hohen Brennraumgastemperaturen in der unteren Kompensationskammer 44 kaum Dichtungsverschleiß auftritt. Die Haltbarkeit der Dichtungselemente wird zusätzlich dadurch erhöht, dass aufgrund der tiefen Kompensationskammern die Dichtungselemente 38, 48 ausreichend weit vom Brennraum entfernt liegen und daher bereits eine gewisse Abkühlung der Brennraumgase eingetreten ist, bevor sie auf die Dichtungselemente treffen. Montagearbeiten zum Wechsel der Dichtungselemente können daher weitgehend vermieden werden, so dass sowohl die Effizienz als auch die Reproduzierbarkeit der Reibungsmessungen im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert wird.
Die Ausgestaltung der Dichtungselemente als Verbundelement mit Kunststoffkern und Metallmantel ist nicht auf die gezeigte Ausführung beschränkt. Auch ein einteiliges Dichtungselement 48 an der Unterseite der unteren Kompensationskammer 44 und das Dichtungselement 38 zur Abdichtung der oberen Kompensationskammer 40 können entsprechend ausgebildet werden.
3a zeigt im Querschnitt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor, welche sich von der vorstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschriebenen ersten Ausführungsform nur geringfügig in der Ausgestaltung der Geometrie der Haltevorrichtung 14 und des Fortsatzes 36 unterscheidet. Einander entsprechende Bauelemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Gaskanal 42 ist in der Darstellung der 3a teilweise durch das Verbindungselement 54, welches den Fortsatz 36 mit der Laufbuchsenhalterung 24 verbindet, verdeckt, entspricht aber in seiner Geometrie und Ausgestaltung dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Kanal 42.
3a zeigt die Radiallagerung 26 der Laufbuchsenhalterung 24 an der Haltervorrichtung 14 in weiteren Einzelheiten. Die Lagerung erfolgt mittels zweier Kreisringscheiben aus Metall, welche einander parallel in unterschiedlicher Höhe zwischen der Laufbuchsenhalterung 24 und der Haltevorrichtung 14 eingespannt sind und die Zylinderkammer 12 vollständig umlaufen. Die Kreisringscheiben 26 können dabei sowohl innen als auch außen über Übergangspassungen festgelegt werden. In einer bevorzugten Ausführung weisen die Radiallagerscheiben 26 einen Innendurchmesser i von 150 mm, einen Außendurchmesser a von 300 mm und eine Dicke von ca. 2 mm auf.
Eine Aufsichtdarstellung einer solchen Radiallagerscheibe ist in 3b gezeigt.
Der Vorteil der gezeigten Radiallagerung besteht darin, dass die Kreisringscheiben in Radialrichtung sehr steif und unnachgiebig sind und daher eine feste Lagerung der Laufbuchse 20 gegen in Radialrichtung wirkende Kolbenseitenkraft erlauben, während sie in Axialrichtung Z verhältnismäßig weich und nachgiebig sind und daher der auf die Laufbuchse 20 in Axialrichtung Z wirkenden Reibungskraft nur einen geringen Widerstand entgegensetzen, so dass eine Verfälschung der Reibungsmessergebnisse weitgehend ausgeschlossen ist.
4a zeigt im Querschnitt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Ermittlung der Kolbengruppenreibung, welche sich von den vorstehend mit Bezug auf die 1 und 3a beschriebenen Ausführungsformen abgesehen von geringfügigen Modifikationen in der Ausgestaltung der Haltevorrichtung 14, der Laufbuchsenhalterung 24 und des Fortsatzes 36 vor allem in der Ausbildung des Gaskanals 42 sowie in der Radiallagerung der Laufbuchse 20 bzw. der Laufbuchsenhalterung 24 unterscheidet. Einander entsprechende Bauelemente sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zu der ersten und zweiten Ausführungsform ist der Gaskanal 42 bei der dritten Ausführungsform der 4a nicht an der Rückseite der Laufbuchse 20, sondern zwischen der rückseitig mit der Laufbuchse 20 verbundenen Laufbuchsenhalterung 24 und dem Fortsatz 36 ausgebildet. Die Laufbuchsenhalterung 24 reicht an ihrer Oberseite bis an die obere Kompensationskammer 40 heran und schließt bündig mit der Oberseite der Laufbuchse 20 ab. Der Gaskanal 42 verläuft von der oberen Kompensationskammer 40 schräg abwärts und nach außen geneigt in die untere Kompensationskammer 44. Dadurch werden betragsmäßig große Krümmungen im Gaskanal 42 vermieden und ein insgesamt homogenerer Gasfluss von der oberen Kompensationskammer 42 in die untere Kompensationskammer 44 erreicht.
Im weiteren Unterschied zur ersten und zweiten Ausführungsform umfasst die Radiallagerung der dritten Ausführungsform keine die Zylinderkammer 12 vollständig umlaufenden Kreisringscheiben, sondern eine Mehrzahl von als Kreisringsegmente ausgebildeten Radiallagerbrücken 56. Eine perspektivische Ansicht einer solchen Radiallagerbrücke 56 ist schematisch in 4b gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform liegen sich zwei Radiallagerbrücken diametral zur Zentralachse Z der Zylinderkammer 12 gegenüber, von denen in der Teilschnittdarstellung der 4a nur eine gezeigt ist. Die Radiallagerbrücken 56 können beispielsweise einen Winkelbereich zwischen 35° und 90° überspannen.
Ebenso wie die Kreisringscheiben der ersten und zweiten Ausführungsform verbinden auch die Radiallagerbrücken 56 eine hohe Steifigkeit in Radialrichtung mit einer im Vergleich verhältnismäßig großen Nachgiebigkeit in Axialrichtung. Zwischen ihrem inneren und äußeren Rand weist die Radiallagerbrücke 56 an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite über ihre gesamte radiale Ausdehnung jeweils eine Ausnehmung auf. Dadurch lassen sich die Rückstellkräfte in Axialrichtung und damit ein die Reibungsmessungen verfälschender Kraftnebenschluss zusätzlich reduzieren.
Über innere Bohrungen 58 an der Innenseite der Radiallagerbrücke 56 ist die Radiallagerbrücke 56 fest mit der Laufbuchsenhalterung 24, über äußere Bohrungen 60 an der Außenseite der Radiallagerbrücke 56 fest mit der Haltvorrichtung 14 verschraubbar. Wie in 4a gezeigt, liegt die Radiallagerbrücke 56 in der Messvorrichtung der dritten Ausführungsform über wenigstens ein Keilelement 62 auf einem fest mit der Haltevorrichtung 14 verbundenen Innenvorsprung 64 auf. Durch Verschieben des Keilelementes 62 in Radialrichtung lässt sich die Höhe der Radiallagerung und damit der Laufbuchse 20 einstellen. Dadurch können die Kraftmessdosen 28 reproduzierbar vorgespannt oder spannungsfrei eingestellt werden. Die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse werden dadurch erhöht.
Der Winkel der Keilelemente 62 wird dabei so gewählt, dass die sehr hohen Kolbenseitenkräfte auch bei Volllast an den Schraubenverbindungen sicher aufgenommen werden können. Auch dieses System ist damit in radialer Richtung hinreichend steif.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
12: Zylinderkammer
14: Haltevorrichtung
16: Zylinderkopf
18: Kurbelgehäuse
20: Laufbuchse
22: Kolben
24: Laufbuchsenhalterung
26: Radiallagerung
28: Kraftmessdosen
30: Kühlungskanal
32: Vorspannschraube
34: Brennraum
36: Fortsatz
38: erstes Dichtungselement
40: obere Kompensationskammer
42: Gaskanal
44: untere Kompensationskammer
46: fester Kragen
48: zweites Dichtungselement
48a: erstes Teilelement des zweiten Dichtungselements 48
48b: zweites Teilelement des zweiten Dichtungselements 48
50a, 50b: Kunststoffkern
52a, 52b: Metallmantel
54: Verbindungselement
56: Radiallagerbrücke
58: innere Bohrungen der Radiallagerbrücke 56
60: äußere Bohrungen der Radiallagerbrücke 56
62: Keilelement
64: Innenvorsprung der Haltevorrichtung 14

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 59088638 [0009]
US 2002/0083913 A1 [0010]
US 2002/0083913 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Measurement of Piston Frictional Force in Actual Operating Diesel Engine” von Shoichi Furuhama und Massaki Takiguchi, Society of Automotive Engineers Technical Paper Series No. 790855, Warrendale, Pennsylvania 1979 [0004]
Furuhama und Takiguchi (a. a. O.) [0006]
„New Device for the Measurement of Piston Frictional Forces in Small Engines” von Shochi Furuhama und Shinichi Sasaki, Society of Automotive Engineers Technical Paper No. 831284, Warrendale, Pennsylvania, 1983 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor mit: einer Haltevorrichtung (14), welche mit einem Zylinderkopf (16) verbindbar ist und an welcher eine Laufbuchse (20), welche eine Zylinderkammer (12) seitwärts umschließt, entlang einer Axialrichtung (Z) der Zylinderkammer (12) beweglich gelagert ist; einem Fortsatz (36), welcher der Laufbuchse (20) an einer Außenseite benachbart und mit der Laufbuchse (20) fest verbindbar oder verbunden ist; und einer unteren Kompensationskammer (44) zwischen einer Unterseite des Fortsatzes (36) und der Haltevorrichtung (14) oder einem mit der Haltevorrichtung (14) verbundenen Bauelement (46); wobei die Haltevorrichtung (14) in Verbindung mit dem Zylinderkopf (16) eine obere Kompensationskammer (40) zwischen einer Unterseite des Zylinderkopfes (16) und einer Oberseite der Laufbuchse (20) und gegebenenfalls einer Oberseite des Fortsatzes (36) ausbildet; und wobei die obere Kompensationskammer (40) über einen an und/oder jenseits einer der Zylinderkammer (12) abgewandten Rückseite der Laufbuchse (20) ausgebildeten Gaskanal (42) mit der unteren Kompensationskammer (44) in Fluidverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die obere Kompensationskammer (40) über einen zwischen der Laufbuchse (20) und dem Fortsatz (36) und/oder über einen in dem Fortsatz (36) ausgebildeten Gaskanal (42) mit der unteren Kompensationskammer (44) in Fluidverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die obere Kompensationskammer (40) und/oder die untere Kompensationskammer (44) die Zylinderkammer (12) vollständig umlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Gaskanal (42) schlitzförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Gaskanal (42) die Zylinderkammer (12) wenigstens zu einem Viertel, vorzugsweise vollständig, umläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Mehrzahl von Gaskanälen (42) zwischen der oberen Kompensationskammer (40) und der unteren Kompensationskammer (44), wobei die Gaskanäle (42) zusammengenommen wenigstens ein Viertel der Zylinderkammer (12), vorzugsweise wenigstens die Hälfte der Zylinderkammer (12), umlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die obere Kompensationskammer (40) über eine Einlassöffnung mit der Zylinderkammer (12) verbunden ist, wobei die Einlassöffnung die gesamte Zylinderkammer (12) umläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher eine untere Fläche (A) der oberen Kompensationskammer (40) und eine obere Fläche (A') der unteren Kompensationskammer (44) so ausgebildet und/oder bemessen sind, dass eine durch einen Fluiddruck in der Zylinderkammer (12) hervorgerufene, in Axialrichtung (Z) auf die untere Fläche (A) der oberen Kompensationskammer (40) wirkende Kraft durch eine entgegengerichtete, auf die obere Fläche (A') der unteren Kompensationskammer (44) wirkende Gegenkraft kompensiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Oberflächenverhältnis der oberen Fläche (A') der unteren Kompensationskammer (44) zu der unteren Fläche (A) der oberen Kompensationskammer (40) zwischen 0,9 und 1,2, vorzugsweise 1, beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher eine radiale Ausdehnung der oberen Kompensationskammer (40) und/oder eine radiale Ausdehnung der unteren Kompensationskammer (44) wenigstens ein Viertel des Radius der Zylinderkammer (12), vorzugsweise wenigstens ein Drittel des Radius der Zylinderkammer (12), betragen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die obere Kompensationskammer (40) durch eine erste Dichtung (38) gegen die Haltevorrichtung (14) abgedichtet ist und/oder bei welcher die untere Kompensationskammer (44) durch wenigstens eine zweite Dichtung (48) gegen die Haltevorrichtung (14) abgedichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die erste Dichtung (38) und/oder die zweite Dichtung (48) einen Kunststoffkern (50a, 50b) umfassen, welcher an zumindest einer der Kompensationskammer (40, 44) zugewandten Seite von einem Metallmantel (52a, 52b) überdeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Metallmantel (52a, 52b) die Haltevorrichtung (14) berührt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Laufbuchse (20) über wenigstens eine Metallscheibe (26) an der Haltevorrichtung (14) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Laufbuchse (20) und/oder der Fortsatz (36) über wenigstens eine Radiallagerbrücke (56), vorzugsweise über wenigstens zwei einander diametral zur Achse (Z) der Zylinderkammer (12) gegenüberliegende Radiallagerbrücken (56), an der Haltevorrichtung (14) gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Radiallagerbrücke (56) entlang der Axialrichtung (Z) höhenverstellbar mit der Haltevorrichtung (14) und/oder der Laufbuchse (20) verbunden oder verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher die Radiallagerbrücke (56) auf einem Keilstück (62) aufliegt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Kraftmesseinrichtung (28) zur Messung einer zwischen der Laufbuchse (20) und der Haltevorrichtung (14) und/oder zwischen der Laufbuchse (20) und einem mit der Haltevorrichtung (14) verbindbaren oder verbundenen Kurbelgehäuses (18) entlang der Axialrichung (Z) wirkenden Kraft.
Verfahren zur Messung einer Kolbengruppenreibung in einem Verbrennungsmotor mit einer Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.