Schon die alten Ägypter wussten sich das hydraulische Prinzip zunutze zu machen; aber mit der Weiterentwicklung der Systeme mussten auch die erforderlichen Werkzeuge für den Entwurf und die Entwicklung dieser anspruchsvollen, oft kritischen Schaltkreise angepasst werden.
Das erste Manometer wurde im 17. Jahrhundert von Evangelista Torricelli erfunden; von dieser Urform über das mechanische Bourdon-Manometer bis hin zu den heutigen piezoresistiven Drucksensoren waren Entwickler stets auf der Suche nach den besten Geräten für die Druckmessung und haben an der Verbesserung des Designs gearbeitet. In jüngster Zeit verlassen sich insbesondere Ingenieure in der Automobilbranche in der Fahrzeugentwicklung und bei der Durchführung von Fahrzeugtests auf solche qualitativ hochwertigen, präzisen Druckmessumformer.
Diese aktuellen Druckwandler sind gewöhnlich in der Lage, einen Vollausschlag von etwa 350 mbar bis 700 bar unter anhaltenden Temperaturen von -40 °C bis 150 °C aufzuzeichnen; und das Beste ist: Qualitätssensoren wie die von STS weisen in der Regel eine Hysterese und eine Reproduzierbarkeit von etwa 0,001 % auf!
Abbildung 1: Hochpräziser Drucktransmitter ATM.1ST mit einer Genauigkeit von bis zu 0,05 % (bezogen auf den Messbereich).
Qualitativ hochwertige Druckmessumformer werden in der Entwicklung von maßgeblichen Fahrzeugsystemen eingesetzt
Das Maß an Reproduzierbarkeit (der Messergebnisse) ist entscheidend für die Konzeption und Entwicklung unter anderem von Kühl- und Kraftstoffzufuhrsystemen. Zur präzisen Aufzeichnung von Informationen setzen Designer während der Entwicklung auf eine stabile Druckmesstechnik; somit können sie die Auswirkungen selbst kleinster Konstruktionsänderungen dokumentieren, ohne zu befürchten, dass der Sensor nicht in der Lage ist, die Ergebnisse zu reproduzieren.
Bei einer kürzlich erfolgten Neugestaltung eines Motorkühlsystems, um die durch die Elektrifizierung reduzierten parasitären Verluste zu nutzen, wurden die Ingenieure eines OEMs der Luxusklasse zunächst mit einem Druckabfall über die Pumpe von etwa 250 kPa konfrontiert. Um das Problem identifizieren zu können, mussten die Ingenieure präzise Druckmessungen aufzeichnen, bevor die Modifikation der neuen elektrischen Pumpe in Angriff genommen werden konnte. Nachdem sie die von mehreren Druckstransmitter protokollierten Ergebnisse untersucht hatten, änderten sie das Design. Dadurch konnten der Druckabfall auf weniger als 100 kPa und die parasitären Verluste um 500 W reduziert werden.
Und obwohl die Elektrifizierung und die elektronische Steuerung in Fahrzeugsystemen eine zunehmend bedeutende Rolle spielen, beruht der reibungslose Betrieb vieler kritischer Schaltkreise nach wie vor auf dem hydraulischen Leitungsdruck.
Während der Entwicklung eines Automatikgetriebes wird z. B. der Leitungsdruck in Echtzeit gemessen und mit den Designvorgaben abgeglichen, um die Einhaltung der Design-Parameter zu belegen. Gleichzeitig werden die Schaltpunkte und die Schaltqualität gemessen und subjektiv bewertet, um zu gewährleisten, dass sowohl ein sicheres Fahrverhalten als auch die Leistungsziele erreicht werden.
Ungeachtet des Stellenwertes von qualitativ hochwertigen Drucksensoren für die Aufzeichnung wertvoller Daten in der Test- und Entwicklungsphase können diese Tools auch im Rahmen der Industrialisierung von Zukunftstechnologien erheblich zur Reduzierung von Entwicklungskosten beitragen.
Drucksensoren stellen sicher, dass Zukunftstechnologien den in sie gesetzten Erwartungen gerecht werden
Mit dem Ziel, die Leistung stark verkleinerter Motoren zu verbessern, nutzen Hersteller die Vorteile der zusätzlichen Leistung, welche die 48-Volt-Elektrifizierung bietet, in dem sie den Turbolader durch einen elektrisch angetriebenen Kompressor ersetzen.
Da die Technologie noch nicht ausgereift ist, stehen den Ingenieuren nicht viele Forschungs- und Testdaten zur Verfügung, um die Grenzen der E-Charge-Kompressoren zu untersuchen. Obwohl Strömungslehre und Elektrotechnik gute Grundlagen bieten, auf die man aufbauen kann, ist es dennoch unerlässlich, jede Theorie einem Praxistest zu unterziehen.
Dafür muss der Ladedruck so konfiguriert werden, dass er die Leistung des Motors optimiert, während die Energierückgewinnung aus dem Abgas maximiert wird. Dies wiederum macht den Einsatz von äußerst präzisen Drucksensoren erforderlich, die präzise Messungen über einen großen Bereich von Ladedrücken und -temperaturen liefern. Diese Sensoren müssen auch gegen Vibrationen und chemischen Einflüssen resistent sein.
Während Hersteller weltweit nach wie vor Forschung auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge betreiben, spielen verschiedene Gruppen mit der Idee, anstatt auf Akkus auf die Nutzbarmachung von Wasserstoff zur Stromerzeugung zu setzen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen, welche eine Protonenaustauschmembran nutzen, auch Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzelle (PEMBZ) genannt, werden schon in der Kleinserienproduktion von Fahrzeugen wie dem Toyota Mirai verwendet.
Obwohl kleine PEM-Brennstoffzellen häufig bei normalem Luftdruck betrieben werden, laufen größere Brennstoffzellen (BZ) – von 10 kW oder mehr – in der Regel bei höheren Drücken. Wie auch bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren dient eine Druckerhöhung in einem BZ-Stack der Steigerung der spezifischen Leistung, also dazu, bei gleicher Zellengröße mehr Leistung zu entnehmen.
Normalerweise werden PEM-Brennstoffzellen in einem Druckbereich zwischen annähernd Umgebungsdruck und ca. 3 bar und bei Temperaturen zwischen 50 °C und 90 °C betrieben. Bei höheren Betriebsdrücken wird zwar eine hohe Leistungsdichte erzielt, aber der Nettowirkungsgrad des Systems fällt aufgrund der für die Kompression der Luft benötigten Energie möglicherweise geringer aus; daher ist es wichtig, den Druck genau auf die Anforderungen der jeweiligen Brennstoffzelle abzustimmen.
Ebenso wie bei der Messung des Ladedrucks eines Verbrennungsmotors ist dies nur durch genaue Druckmessungen mittels hochwertiger Drucksensoren möglich, die sorgfältigst für die Umgebung kalibriert wurden. Diese Druckmessungen werden dann mit der Leistung der BZ-Stacks verglichen, um parasitäre Verluste zu minimieren und die elektrische Leistung zu optimieren.
Es bleibt festzuhalten: Unabhängig von dem Kurs, den die Automobilindustrie in Bezug auf Zukunftstechnologien einschlagen wird, bleiben präzise Drucksensoren auch weiterhin der Schlüssel für die Entwicklung von sicheren und leistungsfähigen Fahrzeugen.
