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Entwicklung eines laser-optischen Messsystems zur kurbelwinkelaufgelösten Bestimmung der Ölfilmdicke zwischen Kolbenring und Zylinderwand in einem Ottomotor

Forschungsberichte aus dem Institut für Kolbenmaschinen, Bd. 5/2002

Hans-Joachim Weimar

ISBN 978-3-8325-0203-4
184 Seiten, Erscheinungsjahr: 2003
Preis: 40.50 €
, laserinduzierte Fluoreszenz , Tribologie

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Erprobung eines optischen, auf der laserinduzierten Fluoreszenz basierendes Messverfahren zur kurbelwinkelaufgelösten Bestimmung der Ölfilmdicke zwischen Kolbenring und Zylinderwand eines Verbrennungsmotors. Im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Messverfahren wird hierbei die Ölfilmdicke nicht indirekt über den geometrischen Abstand zwischen Kolbenring und Zylinderwand, sondern über den Ölfilm selbst bestimmt.

Durch umfangreiche Untersuchungen wurden physikalische oder systembedingte Größen eingegrenzt, die das Fluoreszenzverhalten im Motorbetrieb beeinflussen. Neben der Untersuchung der vom Öl ausgehenden Fluoreszenzintensität war dabei auch die Untersuchung des aus der Literatur bekannten Bleichungseffektes (einer zeitlichen, irreversiblen Abnahme der Fluoreszenzintensität durch thermische und photochemische Veränderungen des Motorenöls) ein zentrales Thema.

Der zwischen Ölfilmdicke und Fluoreszenzintensität bestehende, nahezu lineare Zusammenhang konnte für verschiedene kommerziell verfügbare Motorenöle bis zu einer Filmdicke von ca.100 m nachgewiesen werden. Übereinstimmend zeigen die untersuchten Motorenöle bei steigender Öltemperatur eine lineare Abnahme der Fluoreszenzintensität. Darüber hinaus führt eine zunehmende Ölverschmutzung zu einer starken Abnahme der Fluoreszenzintensität. Es wurden 8 verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe dem Motorenöl in unterschiedlichen Konzentrationen beigemengt und die Eignung der jeweiligen Motorenöl/Fluoreszenz-Lösung untersucht. Dabei konnte mit einem der Fluoreszenzfarbstoffe eine im Vergleich zum verwendeten Basisöl deutlich höhere Fluoreszenzintensität bei gleichzeitiger Bleichungsresistenz erzielt werden.

Zur kurbelwinkelaufgelösten Bestimmung der Ölfilmdicke zwischen bewegtem Kolbenring und Zylinderwand wurde mit Hilfe eines am Pleuel angreifenden Koppel-Schwinge-Systems und flexiblen Lichtleitern die Laserstrahlung vom ortsfesten optischen Tisch an die mit dem Kolben mitbewegte Messstelle herangeführt bzw. die Fluoreszenzstrahlung von der bewegten Messstelle an den ortsfesten optischen Tisch übertragen. Optische Sonden wurden im Kolben sowohl auf der Druck- als auch auf der Gegendruckseite jeweils in drei Ebenen adaptiert: oberhalb des 1. Kompressionsrings (Feuersteg), mittig im 1. Kompressionsring sowie unterhalb des 1. Kompressionsrings (1. Ringsteg). Mit Hilfe von Wirbelstromsensoren und erodierten Nuten definierter Tiefe in der Zylinderwand wurde eine Methode entwickelt, die unter instationären Betriebsbedingungen im realen Motorbetrieb eine Kalibrierung des Messsystems zeitgleich zu den Messungen zulässt. Da die Lichtleiter im Motorbetrieb infolge sich ändernder Biegeradien einem dynamischen Übertragungsverhalten unterliegen, wurde mit Hilfe eines Referenzlichtleiters eine Korrektur der optischen Signalverläufe vorgenommen.

Untersuchungen zum allgemeinen motorischen Verhalten und zur Ölfilmdicke auf der Druckseite wurden sowohl im geschleppten Motorbetrieb mit vollständig geöffneter und geschlossener Drosselklappe als auch im gefeuerten Motorbetrieb durchgeführt, jeweils bei Variation von Drehzahl sowie Öl- und Kühlwassertemperatur. Unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand nimmt die Ölfilmdicke entlang des Kolbens in Richtung Brennraum ab. Dabei werden im Bereich des 1. Ringstegs und am 1. Kompressionsring nahezu die gleichen Ölfilmdicken ermittelt, während die Ölfilmdicke im Bereich des Feuerstegs infolge der Dichtfunktion des 1. Kompressionsrings je nach Betriebszustand im allgemeinen um 0,5 bis 1 m geringer ausfällt. Entlang der Zylinderwand nimmt die Ölfilmdicke vom unteren Totpunkt (UT) in Richtung oberer Totpunkt (OT) ab. Ursache hierfür ist ein höheres Schmierfilmangebot im unteren Zylinderbereich durch umherspritzendes Öl der umlaufenden Kurbelwelle. Brennraumseitig führen höhere Gastemperaturen zum teilweisen Abdampfen des Ölfilms. Insbesondere im gefeuerten Betrieb nimmt die Ölfilmdicke im oberen Zylinderbereich (0 ? 15 mm Hub, OT 57 KW) im Vergleich zum geschleppten Betrieb durch Ölabbrand deutlich ab. Die minimale Ölfilmdicke zwischen Kolbenring und Zylinderwand wird jeweils im OT erreicht. Hier beträgt die Ölfilmdicke je nach untersuchtem Betriebspunkt ca. 2 bis 5 m. Dabei liegen die Werte für den geschleppten Betrieb mit geschlossener Drosselklappe zwischen 3,5 und ca. 5 m, für den gefeuerten Betrieb zwischen 2 bis 2,5 m. Eine Trockenreibung ist daher für alle untersuchten Betriebspunkte auszuschließen. Die Untersuchungen zeigen zudem einen Einfluss der Zylinderlaufbuchsenoberfläche auf die Ölfilmdicke.

Bei geschlepptem Motorbetrieb werden Korrelationen zwischen der auf der Druckseite detektierten Ölfilmdicke und den HC-Emissionen aufgezeigt: bei konstanter Öl- und Kühlwassertemperatur nehmen Ölfilmdicke und HC-Emissionen mit steigendem Unterdruck im Brennraum (sowohl beim Schließen der Drosselklappe als auch be i Erhöhung der Drehzahl) zu. Darüber hinaus führt eine zunehmende Öl- und Kühlwassertemperatur zu einem Anstieg der Ölfilmdicke und der HC-Emissionen. Hierbei überwiegt der Temperatureinfluss gegenüber dem Drehzahleinfluss.

Keywords:
  • Ölfilmdicke
  • Verbrennungsmotor
  • Messtechnik

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