Präzise Messung des Zylinderverzugs

Patentiertes IAV-Verfahren für den realen Motorbetrieb erreicht eine Genauigkeit von ein bis zwei Mikrometern

Durch Maßnahmen wie Downsizing, Hochaufladung und Masse­reduzierung steigen die Belastungen aller Motorbauteile stetig an. Darum rückt das Kolben-Zylinder-System verstärkt in den Fokus der Entwickler: Es hat den größten Einfluss auf Ölverbrauch und Blow-by, zudem verursacht es den größten Teil der mechanischen Verluste eines Motors. IAV hat ein patentiertes Verfahren entwickelt, mit dem sich der Zylinderverzug mit höchster Genauigkeit messen lässt – als Voraussetzung für die Konstruktion und Auslegung optimierter Kolben-Zylinder-Systeme.

Die Kolbengruppe ist für den wesentlichen Anteil des Ölverlustes und für rund 40 Prozent der mechanischen Verluste eines Motors verantwortlich. Zudem verringert das Blow-by – die Gasmenge, die vom Brennraum ins Kurbelgehäuse gelangt – den Gesamt­wirkungsgrad des Motors. Es gibt also viele gute Gründe, das Kolben-Zylinder-System zu optimieren. Hier spielt der Zylinderverzug eine Hauptrolle, der vor allem durch die Verspannung des Zylinder­kurbel­gehäuses (ZKG) mit dem Zylinderkopf sowie durch die thermische und dynamische Beanspruchung des ZKG während des Motorbetriebs beeinflusst wird.

Ziel ist es, das ZKG sowie Zylinderkopf und -dichtung so zu konstruieren, dass im verspannten Betriebszustand und während des Fahrbetriebs nur geringe und unkritische Zylinderverzüge entstehen. „Das führt unmittelbar zu einer Verringerung der Kolben- und Kolbenringreibung“, erklärt Dr. Hubert Schultheiß, Fachreferent Tribologie Antriebsstrang bei IAV. „Zudem ließe sich auch die Kolbenringvorspannung reduzieren, was eine weitere Reibungs­verminderung zur Folge hat.“

Verbesserung der Berechnungsmodelle

Dafür setzen Entwickler heute Tools für Entwurf, Konstruktion und Berechnung des Grundmotors ein. „Die Programme sind aber nur so gut wie die zugrunde liegenden Berechnungs­modelle“, sagt Schultheiß. „Darum haben wir in den letzten Jahren ein patentiertes Verfahren entwickelt, mit dem wir den Zylinderverzug im befeuerten Motorbetrieb präzise messen können. Die Daten dienen dazu, die Berechnungs­modelle zu optimieren und letztendlich bessere Motoren zu konstruieren. Das macht die Zylinderverzugsmessung zu einem wichtigen Baustein im Prozess der Zylinderoptimierung.“

Bei der Bewertung des Zylinderverzugs unterscheiden die Entwickler verschiedene Ordnungen, die einer Fourier-Entwicklung der geometrischen Abweichungen vom Ideal entsprechen. Die nullte und erste Ordnung beschreiben die Abweichungen vom vorgegebenen Zylinderinnendurchmesser bzw. von der idealen Mittenposition. Die zweite, dritte und vierte Ordnung geben an, wie stark der Kolben einem Oval sowie einem drei- bzw. vierblättrigen Kleeblatt ähnelt – diese drei Größen sind für die Optimierung des Kolben-Zylinder-Systems entscheidend.

Um sie zu messen, ist höchste Präzision gefragt: „Hier geht es um wenige Mikrometer – und das unter extrem schwierigen Bedingungen“, so Schultheiß. „Zwar existieren auch andere Messverfahren, aber eine genaue Betrachtung zeigt: Ihre Messfehler sind so groß, dass sie keine verlässlichen Informationen über den Zylinderverzug liefern.“ Problematisch ist unter anderem, dass die Fehler aller Sensoren in den Gesamtfehler der Formabweichungen einfließen, sodass sich die Formabweichungen des Kolben-Zylinder-Systems nicht präzise genug bestimmen lassen.

Mehrfache Messung der Zylinderkontur

Das IAV-Messverfahren nutzt acht Wirbelstrom-Wegsensoren, die um jeweils 45 Grad versetzt in einem ringförmigen Sensorträger aus Invar angeordnet sind. Er wird in einen speziellen Messkolben integriert und ist zwischen Kolbenober- und -unterteil drehbar gelagert. Eine Messschwinge ist für die Signalübertragung nach außen verantwortlich.

Die Grundidee hinter dem IAV-Messverfahren: Es finden sieben Messungen der Zylinderkontur statt, zwischen denen der Sensorträger jeweils um 11,25 Grad gedreht wird. So erhalten die Versuchs­ingenieure Messwerte für 0 Grad, 11,25 Grad, 22,5 Grad, 37,75 Grad, 45 Grad, 67,5 Grad und 90 Grad Sensorträgerstellung. Bei den Messungen bei 0,45 und 90 Grad messen verschiedene Sensoren unter gleichen Randbedingungen also die gleichen Größen. Aus diesen drei Messungen ergeben sich pro Höhenschicht insgesamt 24 Messwerte für ein Gleichungssystem mit 22 Unbekannten (je acht für die Formabweichungen und die Sensorfehler, sechs für die bei jeder Einzelmessung unterschiedliche Exzentrizität des Messkolbens in x- und y-Richtung). Das IAV-Produkt „IAV Engine Analyzer“ berechnet per Iteration aus diesem überbestimmten Gleichungssystem die gesuchten Informationen über den Zylinderverzug. „Durch unseren einzigartigen Ansatz können wir die relativen Sensorfehler bestimmen und bei der Auswertung berücksichtigen“, so Schultheiß. „Das erhöht die Genauigkeit bei der so wichtigen zweiten, dritten und vierten Verzugsordnung. Und auch höhere Verzugsordnungen können sicher ausgewertet werden.“

Die IAV-Zylinderverzugsmessung im befeuerten Motorbetrieb liefert Messwerte, die auf ein bis zwei Mikrometer genau sind – gut genug, um die Grundmotor-Entwicklungswerkzeuge weiter zu verbessern. „Unsere Kunden sind immer wieder beeindruckt, dass wir den Zylinderverzug mit dieser Genauigkeit messen können“, berichtet Schultheiß. „Und tatsächlich ist es schon faszinierend, wie die Genauigkeit der Sensoren erhöht und dadurch derart genau gemessen werden kann.“