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Die
Erfindung betrifft einen Prüfstand
für Motorkomponenten,
insbesondere von Pleuellagern, sowie ein Verfahren zum Prüfen von
Motorkomponenten.
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Zur
Prüfung
von Pleuellagern ist ein Gleitlagerprüfstand bekannt, bei dem ein
an einer glatten Welle angreifendes Pleuel durch einen Hydropulser beansprucht
wird. Es ist ein Pleuellagerprüfstand
der Firma Federal Mogul bekannt, bei welchem eine Kurbelwelle über ein
Pleuel einen in einem geschlossenen Zylinder laufenden Kolben unter
einem Verdichtungsverhältnis
von 2:1 antreibt. Nachteilig hierbei ist, dass erstens das Verdichtungsverhältnis fest
ist und zweitens eine konstruktionsbedingte obere Drehzahlgrenze
von ca. 7000 U/min vorliegt. Zudem müssen bei diesem Prüfstand der
Firma Federal Mogul die verwendeten Kurbelwellen gebaute Kurbelwellen
sein.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur realistischen, vergleichsweise preiswerten und einfach zu handhabenden Prüfung von
Motorkomponenten, insbesondere Pleuellagern, bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Prüfstand nach
Anspruch 1 oder 4 und ein Verfahren nach Anspruch 6 oder 9 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
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Ein
Prüfstand
nach einem Gesichtspunkt der Erfindung weist ein Kurbelgehäuse zur
freidrehenden Aufnahme einer (gebauten oder originalen) Kurbelwelle
auf, wobei die Kurbelwelle mindestens einen Hubzapfen aufweisen
kann, also gekröpft
ist. Der Prüfstand
umfasst weiterhin einen Antriebsmotor zum Antreiben der Kurbelwelle
sowie mindestens einen Zylinder zur Aufnahme eines Kolbens, wobei
der Zylinder und der Kolben einen geschlossenen Gasraum bilden.
Kolben und Kurbelwelle sind mittels eines Pleuels verbindbar, dessen
Pleuellager auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle sitzt. Durch diesen Prüfstand wird
somit ein befeuerter Verbrennungsmotor simuliert. Durch Verwendung
der gekröpften Kurbelwelle
wird eine Verlagerungsbahn des Pleuels erzeugt, welche im Wesentlichen
der im Motorverlauf entspricht. Zudem können durch die Massen- und Gaskräfte realistische
Beanspruchungen aufgegeben werden, wodurch z. B. Verschleiß und Tragbilder des
Pleuellagers realitätsnah
abbildbar sind.
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Beim
Betrieb wird durch die Bewegung der Kurbelwelle der Kolben im Zylinder
auf- und abbewegt und komprimiert bzw. entspannt entsprechend den
geschlossenen Gasraum. Jedoch wird während jedes Kompressionsvorgangs
ein geringer Teil des im Gasraum eingeschlossenen Gases entweichen, sodass
nach einer bestimmten, und zum Beispiel vom Kompressionsdruck abhängigen,
Umdrehungszahl so viel Gas aus dem Gasraum entwichen sein wird,
dass dieser zur realistischen Prüfung
keinen ausreichenden Gasdruck mehr aufbauen kann. Dadurch wird die
Prüfzeit
eines Prüfablaufs
beschränkt. Um
die Betriebszeit zu erhöhen
und um ein Brennraumverhalten eines Verbrennungsmotors noch realistischer
nachempfinden zu können,
führt eine
Gaszufuhr in den Gasraum, welcher über eine geeignete Steuerventileinrichtung
bezüglich
ihres Öffnungsverhaltens
steuerbar, insbesondere regelbar, ist. So kann mittels des Steuerventils
vorzugsweise ein auf die Lage des Pleuels bzw. des Kolbens abgestimmtes
Druckprofil auf den Gasraum aufgegeben werden. Dies kann für die gesamte
Umdrehung oder einen Teil davon wirksam sein. Beispielsweise kann
im unteren Totpunkt Gas in den Gasraum stossförmig eingeblasen werden. Alternativ
kann Gas zu mehreren Zeitpunkten einer Umdrehung zugeführt werden, ggf.
auch kontinuierlich mit einem bestimmten Druckprofil. Dabei ist
der Prüfstand
nicht auf die Zufuhr eines bestimmten Gases beschränkt, welches
beispielsweise Luft, Stickstoff, Helium oder andere geeignete Gase
oder Mischungen davon umfassen kann.
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Der
Zylinderkopf ist vorzugsweise austauschbar. Dadurch können verschieden
geformte Zylinderköpfe
zur Prüfung
verwendet werden, die insbesondere ein unterschiedliches Verdichtungsverhältnis durch
Einstellung eines Volumens des Gasraums definieren. Beispielsweise
kann der Zylinderkopf mit einem in den Zylinder/Gasraum ragenden Vorsprung
ausgebildet sein (verkleinertes Gasraumvolumen), oder mit einer
sich vom Zylinder/Gasraum nach außen erstreckenden Aussparung
(vergrößertes Gasraumvolumen).
Dadurch wird ein Flexibilität und
einfache Einstellung der Anpassung an reale Motorbedingungen erhöht.
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Vorzugsweise
wird eine Gaszuleitung zum Gasraum durch den Zylinderkopf und/oder
durch eine Bohrung in der Zylinderwand geführt, z. B. mittels einer Durchführung.
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Ein
Prüfstand
nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Kurbelgehäuse zur
freidrehenden Aufnahme einer Kurbelwelle mit mindestens einem Hubzapfen;
einen
Antriebsmotor zum Antreiben der Kurbelwelle; und einen Zylinder
zur Aufnahme eines Kolbens, wobei der Kolben und die Kurbelwelle
mittels eines Pleuels ver bindbar sind, dessen Pleuellager an dem Hubzapfen
angreift, und wobei der Zylinder offen ist, also insbesondere keinen
geschlossenen Gasraum aufweist.
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Die
Prüfstände weisen
vorzugsweise ferner mindestens eine steuerbare Ölversorgung zum Pleuellager
auf.
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Es
ist zur Prüfung
der Pleuellager weiterhin vorteilhaft, wenn der Prüfstand eine
steuerbare Ölzuleitung
zum Pleuellager aufweist, wodurch beispielsweise ein Einfluss einer
Schmierung auf den Zustand der Pleuellager geprüft werden kann. Steuerbare Ölparameter
sind beispielsweise und vorzugsweise ein Öldruck (z. B. zwischen 0 und
10 bar) und eine Öltemperatur
(z. B. zwischen –40°C und +180°C, insbesondere
zwischen –30°C und +150°C).
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Im
Folgenden wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel schematisch
näher dargestellt.
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1 zeigt
als Querschnittsdarstellung in Seitenansicht einen Prüfstand nach
einer ersten Ausführungsform;
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2 zeigt
als Querschnittdarstellung in Seitenansicht einen Ausschnitt aus
dem Prüfstand
von 1 im Bereich des Zylindergehäuses nach einer zweiten Ausführungsform;
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3 zeigt
als Querschnittdarstellung in Seitenansicht einen Ausschnitt aus
dem Prüfstand
von 1 im Bereich des Zylindergehäuses nach einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt
einen Pleuellagerprüfstand 1 mit einem
Kurbelgehäuse 2,
in dem eine gekröpfte
Kurbelwelle 3 mit einem Hubzapfen 4 freidrehend
gelagert ist. Die Kurbelwelle 3 ist über einen Drehzahl- und Drehmoment-Messflansch 5 mit
einem Antriebsmotor 6 verbunden. Am Hubzapfen 4 greift
ein Pleuel 7 an, dessen dem Hubzapfen 4 entgegengesetztes Ende
mit einem Kolben 8 verbunden ist, der in einem Zylinder 9 läuft. Durch
den Zylinder 9, das heißt, dessen Seitenwände und
dessen Zylinderkopf 10 wird zusammen mit dem Kolben 8 ein
geschlossener Gasraum 11 definiert. In dem Zylinder 9 laufen
Kühlwasserbohrungen 12,
um den Zylinder 9 abzukühlen, wenn
sich der Kolben 8 darin bewegt. Ferner wird hier durch
den Zylinderkopf 10 eine Druckluftbohrung 13 geführt, welche
durch ein Druckluft-Steuerventil 14 regelbar ist. Durch
den Zylinder 9 führen
wei terhin Ölversorgungsbohrungen 15 zu
den Kurbelwellenlagern 16, um diese schmieren zu können. Vom
Kurbelwellenlager 16 führt
wiederum eine in der Kurbelwelle 3 befindliche Ölbohrung 17 zum
Pleuellager 18, um dieses mit Öl versorgen zu können. Das
Pleuel 7 wird am Hubzapfen 4 mittels eines Distanzrings
(nur bei V-Motor notwendig) 19 auf Lage gehalten. Auf der dem
Antriebmotor 6 entgegengesetzt liegenden Seite der Kurbelwelle 3 werden
Signalleitungen 20 herausgeführt, welche mit Sensoren des
Prüfstands 1 verbunden
sind und deren Signale weiterleiten. In einem unteren Bereich des
Kurbelgehäuses 2 ist
zudem ein Ölabfluss 21 vorhanden,
um von den Lagern 16, 18 leckendes Öl entfernen
zu können.
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Der
Prüfstand 1 simuliert
einen befeuerten Verbrennungsmotor und arbeitet dabei nach dem Zweitaktprinzip.
Nach Anschalten des Antriebsmotors 6 treibt dieser die
Kurbelwelle 3 an, wodurch wiederum das Pleuel 7 seine
typische Bewegungsbahn durchläuft,
die einem herkömmlichen
Motorverlauf entspricht. Die dabei entstehende Verlagerungsbahn entspricht
im Wesentlichen der im Motorbetrieb. Dadurch wird der Kolben 8 im
Zylinder 9 auf und ab bewegt und komprimiert bzw. entspannt
abwechselnd den geschlossenen Gasraum 11. Um Undichtigkeiten des
Gasraums 11 auszugleichen und um eine noch realistischere
Prüfung
zu erreichen, wird gleichzeitig mittels des Steuerventils 14 eine
Luftdruckzufuhr gesteuert, insbesondere geregelt. Insbesondere wird während des
unteren Totpunkts Luft in den Gasraum 11 eingeblasen. Durch
die Höhe
des Luftdrucks im unteren Totpunkt und ein entsprechendes Verdichtungsverhältnis lässt sich
auch der maximale Verbrennungsdruck aus dem Motorbetrieb darstellen. Durch
die mittels des Antriebsmotors 6 aufgebrachte Drehzahl
stellen sich Massenkräfte
ein, und durch den Gasdruck stellen sich Gaskräfte ein. Dies stellt eine realitätsnahe Beanspruchung
am Pleuellager 18, genauer gesagt: an den Pleuellagerschalen,
dar.
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Der
Prüfstand 1 zeichnet
sich durch verschiedene Vorteile aus: Gleitlageruntersuchungen sind
einfach darstellbar. Es sind Versuche in einer frühen Phase
einer Motorentwicklung möglich;
es werden im wesentlichen nur das Pleuel, die Lagerschalen und eventuell
die Kurbelwelle benötigt.
Es können
sowohl gebaute als auch originale Kurbelwellen 3 bzw. Teile
davon zur Prüfung
verwendet werden. So können
bei dem gezeigten Prüfstand 1 viele Bauteile
auch bei einem Wechsel der Motorkomponenten, insbesondere der Kurbelwelle 3 und
des Pleuels 7, beibehalten werden, z. B. der Zylinder.
Die Ölversorgung
ist zudem von extern beliebig regelbar.
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Der
Prüfstand 1 ist
somit zur Prüfung
von Motorkomponenten über
einen weiten Bereich von Einflussgrößen einsetzbar. Es können beispielsweise zur
außermotorischen
Pleuella gererprobung deren Verschleiß, Fressneigung, Belastbarkeiten
(Ermüdung),
Notlaufeigenschaften, Tragbilder (Steifigkeit am Pleuel 7),
neue Materialien, ein Einfluss einer Oberfläche der Kurbelwelle 3 und/oder
ein Einfluss einer Lage der Ölversorgungsbohrung
u. v. m. untersucht werden. Ferner kann auf einfache Weise das Pleuellager 18 variiert
werden, nämlich
zum Beispiel bezüglich
einer Lagerschalengeometrie, einer Pleuelgeometrie, einer Pleueloberfläche (Bohrung,
Honung, ...), einer Pleuellagerschalenoberfläche (Rücken- und Lauffläche), eines
Pleuellagerspiels, von Pleuellagerschalenmaterialspezifikationen,
einer Hubzapfenoberfläche
der Kurbelwelle (gebaute Kurbelwelle) oder bezüglich der Lage der Pleuelölversorgungsbohrung 17 (gebaute
Kurbelwelle). Beim gezeigten Prüfstand 1 sind
beispielsweise folgende Größen einstellbar:
ein Öldruck
von 0 bis 10 bar, eine Ölvolumenstromreduzierung
von 0 bis 1 l/min, eine Öltemperatur
von –30
bis +150°C,
die Ölsorte,
eine Drehzahl bis 13.000 min–1, eine Last (Gasdruck,
Massenkraft) bis ca. 125 bar bzw. bis ca. 55 KN und/oder ein Zusatz
von Medien im Öl
(z. B. Schmutz, Kraftstoff, Wasser). Messbare Prozessgrößen umfassen beispielsweise:
einen Zylinderdruckverlauf, einen Öldruck in der Ölversorgung,
einen Öldruck
in der Ölversorgungsbohrung
in der Kurbelwelle vor Eintritt ins Lager, eine Öltemperatur in der Ölversorgung, eine Öltemperatur
in der Ölversorgungsbohrung
in der Kurbelwelle vor Eintritt ins Lager, eine Ölvolumenstrommessung, eine
Temperatur am Pleuellagerschalenrücken, eine Temperatur am Hauptlagerschalenrücken, eine
Pleuelkraft, ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl. Eine originale
Kurbelwelle sorgt für
eine realitätsnahe Ölversorgung.
Eine gebaute Kurbelwelle kann hingegen insbesondere eine variable
Oberflächenrauhigkeiten,
variable Oberflächengeometrien
und eine variable Lage der Ölversorgungsbohrung
bereitstellen.
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2 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Prüfstand 1 von 1 im
Bereich des Zylinderkopfs 22 nach einer zweiten Ausführungsform.
Der auswechselbare Zylinderkopf 22 nun in Richtung des
Gasraums 11 so ausgestaltet, dass er in den Zylinder 9 hineinragt
und so das Volumen des Gasraums 11 im Vergleich zu der
Ausführung
von 1 verringert. Dadurch kann ein höheres Verdichtungsverhältnis simuliert
werden. Die Gaszuführung 13 ist
auch in diesem Ausführungsbeispiel
durch den Zylinderkopf 22 geführt.
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3 zeigt
einen Ausschnitt aus dem Prüfstand 1 von 1 im
Bereich des Zylinderkopfs 23 nach einer dritten Ausführungsform.
Nun weist der auswechselbare Zylinderkopf 23 am Gasraum 11 eine
Aussparung auf, wodurch das Volumen des Gasraums 11 im
Vergleich zu der Ausführung
von 1 vergrößert wird.
Dadurch kann ein geringeres Verdichtungsverhältnis simuliert werden. Die
Gaszuführung 13 ist
auch in diesem Ausführungsbeispiel durch
den Zylinderkopf 23 geführt.
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Durch
die Variation des Gasraumvolumens kann eine Simulation eines realen
befeuerten Motors noch realistischer durchgeführt werden.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigte Ausführungsform
beschränkt,
sondern lediglich durch den Umfang der angehängten Ansprüche bestimmt. So kann beispielsweise
statt Luft auch Stickstoff in den Gasraum 11 eingeführt werden.
Auch kann der Prüfstand
auf die Verwendung einer Kurbelwelle mit mehr als einem Hubzapfen
erweitert werden. Auch können Messdaten
telemetrisch nach außen
geliefert werden. Auch kann der Zylinderdeckel abgenommen und der
Kolben bzw. das Pleuel damit ohne geschlossenen Gasraum und folglich
auch ohne Einfluss einer Gaskraft, also nur durch Massenkräfte, bewegt
werden.
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Auch
ist die Lage der Öl(versorgungs)bohrungen
nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt und brauchen z. B. nicht
durch das Zylindergehäuse geführt werden.
Ferner muss die Gaszufuhr nicht durch den Zylinderkopf geführt werden,
sondern kann beispielsweise auch durch eine Zylinderwand geführt werden
und mehrere Einzelzuleitungen umfassen. Zudem kann ein geschlossener
und variabel dimensionierter Gasraum auch anders als durch Aufsatz
eines Zylinderkopfs erreicht werden, z. B. durch Einführen eines
höhenverschieblichen
Einsatzes in eine nach oben offenen Zylinder, z. B. eines eng passenden
Hubkolbens.
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- 1
- Pleuellagerprüfstand
- 2
- Kurbelgehäuse
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- Hubzapfen
- 5
- Messflansch
- 6
- Antriebsmotor
- 7
- Pleuel
- 8
- Kolben
- 9
- Zylinder
- 9A
- Zylindergehäuse
- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Gasraum
- 12
- Kühlwasserbohrung
- 13
- Druckluftbohrung
- 14
- Druckluft-Steuerventil
- 15
- Ölversorgungsbohrung
- 16
- Kurbelwellenlager
- 17
- Ölbohrung
- 18
- Pleuellager
- 19
- Distanzrings
- 20
- Signalleitungen
- 21
- Ölabfluss
- 22
- Zylinderkopf
- 23
- Zylinderkopf