Mit effizienter Druckmesstechnik Schadstoffemissionen minimieren

Mit effizienter Druckmesstechnik Schadstoffemissionen minimieren

Rückrufaktionen in der Automobilindustrie haben umfangreiche Folgen. Hersteller müssen neben hohen Kosten mit einem immensen Imageverlust rechnen. Autobesitzer reagieren verärgert und verunsichert. Besonders grosse Wellen hat der Skandal um manipulierte Abgaswerte im letzten Jahr geschlagen. Die Politik hat reagiert und neue Testverfahren angekündigt.

Eine wahre Rückruf-Krise hat die Automobilindustrie in den vergangenen zwei Jahren erfasst. Allein in den USA wurden 51 Millionen Autos durch die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) 2015 zum Rückruf beordert. Das sind weitaus mehr als im selben Jahr verkauft wurden, auch wenn nicht alle dieser zurückgerufenen Fahrzeuge im Zusammenhang mit manipulierten Abgaswerten stehen. Allein auf den „Dieselgate“ Skandal des Herstellers Volkswagen fallen 11 Millionen Autos. Der Schaden ist enorm.

Kostendruck und die zunehmende Komplexität der in den Autos verbauten Systeme werden für die erhöhte Fehleranfälligkeit und der damit verbundenen Rückrufaktionen in Zusammenhang gebracht. Dieser Herausforderung ist in erster Linie mit verbesserten, noch zuverlässigeren Kontrollsystemen beizukommen – sowohl auf Seiten der Hersteller und Zulieferer als auch durch staatliche Kontrollinstanzen, die die Einhaltung vorgeschriebener Normen überprüfen. Es braucht hochwertige Messmittel, die unter unterschiedlichen Bedingungen genaueste Ergebnisse liefern und somit eine optimale (Nach-) Qualifizierung sichern. Hier hat sich ein grosser Nachholbedarf offenbart.

Beste Druckmesstechnik für beste Verbrennungsmotoren

Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren braucht es hochpräzise Drucksensoren, welche bei der Verbrennungsanalyse die exakte Messung der Zylinderdrücke sowie der Ansaug- und Abgasdrücke ermöglichen. Ebenso hochwertig müssen die Absolutdrucksensoren (Gaswechsel) und Hochdrucksensoren (Einspritzdruckmessung) sein, schliesslich ist gerade bei Letzteren das Potential für eine Schadstoffminimierung enorm. So können bei Benzinern auch durch die Erhöhung des Einspritzdrucks Partikel reduziert werden. Einige Zulieferer arbeiten ja bereits daran, den Einspritzdruck auf 350 bar oder mehr zu erhöhen.

Die mobile Emissionsmessung kommt

Bei der Abgas- und Verbrauchsmessung durch staatliche Zulassungsbehörden wird aktuell der standardisierte „Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ)“ eingesetzt. Wie sich gezeigt hat, gibt die Testprozedur Herstellern allerlei Freiräume, die Messungen zu ihrem Vorteil zu beeinflussen, da das Fahrzeug nicht unter realen Bedingungen, sondern allein am Prüfstand untersucht wird.

Nach Bekanntwerden der Manipulationen beschloss der Fachausschuss der Europäischen Union im Mai 2015, dass Emissionen bei der Typgenehmigung ab Herbst 2017 im praktischen Fahrbetrieb geprüft werden sollen – bekannt als Real Driving Emissions (RDE). Die Laborbedingungen herkömmlicher Kontrollen werden so durch ein Verfahren ergänzt, das die Verwendung von Abschaltvorrichtungen während des Tests verhindert. Das zu prüfende Fahrzeug wird auf freier Strecke untersucht und ist somit schwankender Bedingungen ausgesetzt. Darüber hinaus wird zufällig abgebremst und beschleunigt.

Neue Herausforderungen meistern – mit modularen Druck-Sensorik-Lösungen

Das RDE-Verfahren stellt selbstverständlich auch besondere Herausforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Bei der Optimierung der Emissionswerte von Verbrennungsmotoren kommen in erster Linie Absolut- und Relativdruckmessung zum Einsatz. In Anbetracht der neuen Messmethoden müssen diese zuverlässig über einen weiten Temperaturbereich arbeiten. Ob im tiefsten Winter oder im Hochsommer: Die Messwerte müssen absolut zuverlässig sein, um ein realistisches Bild der tatsächlichen Abgaswerte geben zu können. Darüber hinaus zeigt sich, dass die Arbeit mit höheren Drücken signifikante Einsparungen erzielen kann. Deshalb sollten auch hohe Drücke abgebildet werden können. Dass die eingesetzte Messtechnik in mobilen Anwendungen störungssicher arbeitet, versteht sich angesichts der neuen Methoden von selbst.

Mit Standard-Lösungen lässt sich das nicht leisten. Vielmehr sind sie Teil des Problems. Individuelle Herausforderungen fordern individuelle Lösungen. Zudem braucht es Instrumente, die sowohl präzise als auch flexibel sind, um in verschiedenen Anwendungen zuverlässig zu arbeiten. Nur so können Wirtschaftlichkeit und Genauigkeiten in Einklang gebracht werden. Es zeigt sich, dass modulare Systeme in diesem Zusammenhang ideal sind. In Abstimmung mit dem Hersteller können sie an die Erfordernisse angepasst werden und somit verlässliche Ergebnisse liefern. Das ist besonders bei der Entwicklung neuer Motoren ein Pluspunkt, da Anpassungen unkompliziert und zeitnah vorgenommen werden können.

Eine Erfahrung, die unsere Kunden täglich machen – seit mittlerweile fast 30 Jahren. Als führender Hersteller von kundenspezifischen, modularen Messsystemenkönnen wir in kurzer Zeit und in kompetenter Zusammenarbeit mit den Herstellern passgenaue Messlösungen bereitstellen. Der Entwicklung neuer kraftstoffeffizienter Motoren sowie deren Überprüfung in der Praxis steht aus messtechnischer Sicht somit nichts mehr im Weg.

GDI-Motoren: Unter Druck Emissionen minimieren und Leistung erhöhen

GDI-Motoren: Unter Druck Emissionen minimieren und Leistung erhöhen

Es wird damit gerechnet, dass bis 2025 zirka 40 Millionen Motoren mit Benzindirekteinspritzung verkauft werden. Unter diesem Aspekt ist es erstaunlich, dass diese Motoren mehr gefährliche Feinstaubpartikel als Motoren mit Vorkammereinspritzung oder gar die neusten Diesel mit Partikelfilter ausstossen.

Die potentiell steigenden Marktanteile bedeuten, dass GDI Feinstaubemissionen – auch wenn sie vergleichsweise gering gegenüber ungefilterten Dieseln sind – jetzt stärker von Herstellern und Aufsichtsbehörden unter die Lupe genommen werden.

Um diese Emissionen zu reduzieren und dabei die Leistung zu verbessern, erforschen Ingenieure aktuell neue Designs und Konzepte, darunter die Erhöhung des Benzindrucks, alternative Kraftstoffe und Systeme zur Emissionsverminderung.

Nach Meinung von Matti Maricq, seines Zeichens technischer Leiter der Abteilung „Chemical Engineering and Emissions after Treatment“ des Research and Innovation Center von Ford in Dearborn, wird durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder eine sauber brennende Explosion erzeugt, die nur wenig Treibstoff verschwendet und mehr Leistung freisetzt.

Während dieses Vorgangs wird Benzin direkt dort zugeführt, wo die Verbrennungskammer am heissesten ist. Damit wird eine gründlichere, gleichmässigere und schonendere Verbrennung möglich.

Sauber brennende GDI-Motoren stossen gefährliche Partikel aus

Aufgrund der unvollständigen Brennstoffverflüchtigung, teilweise brennstoffreichen Zonen sowie der „Befeuchtung“ von Kolben und Zylinderoberflächen, produzieren GDI-Motoren allerdings unerwünschte Feinstaubpartikel. Die meisten Emissionen treten üblicherweise während des Kaltstarts und in Hochlast-Übergangssituationen während der Aufwärmphase auf. Das kann allerdings je nach Last, Fahrzyklusphase und Fahreranspruch variieren.

Obwohl „grüne“ Kritiker nach wie vor skeptisch gegenüber sogenannten „Engine Management“-Methoden sind, da sie diese gegenüber Abgasfiltern als unzuverlässig empfinden, erwarten die meisten OEMs und Komponentenzulieferer, dass sich technische Änderungen und verbesserte Designs letztlich als kosteneffizienter und ebenso zuverlässig herausstellen.

Der aktuelle Entwicklungsstand deutet an, dass höhere Brennstoffdrücke, möglicherweise in der Nähe von 40MPa, zusammen mit neuen hochpräzisen Einspritzern zukünftige GDI-Systeme stark verbessern werden. Um das System weiter zu optimieren, werden Ingenieure am Einspritzer die Aspekte Timing, Zielgenauigkeit, Messen und Atomisierung weiter verfeinern.

In einer kürzlich von SAE veröffentlichten Studie wurde festgehalten, dass eine Erhöhung des Kraftstoffsystemdrucks die Homogenität der Mischung verbessert und die Diffusionsflamme reduziert. Somit werden Feinstaubemissionen unter homogener Verbrennung in GDI-Motoren signifikant verringert.

Des Weiteren wurde als ein Ergebnis der verbesserten Einlassladungsbewegung bei Kraftstoffdrücken zwischen 20 MPa bis 40 MPa eine weitere Verminderung der Feinstaubemissionen erreicht.

Die Verbrennungsdaten zeigen, dass eine Steigerung des Kraftstoffdrucks grossen Einfluss auf die Reduzierung von Verbrennungsemissionen hat und den Kraftstoffverbrauch optimiert.

Akkurate Messung des Brennstoffdrucks

Dennoch: Damit ein GDI-System optimal arbeitet, ist es wichtig, dass während der Design- und Testphase der Brennstoffdruck in dem Common Rail (CR) korrekt gemessen wird, damit das ECU entsprechend abgebildet werden kann.

Die Messung des CR Kraftstoffdrucks ist der Schlüssel zu niedrigeren Feinstaubemissionen. Der direkte Einspritzdruck wird mit Sensoren gemessen und die Signale werden genutzt, um die Pumpendrehzahl und/oder das Volumen zu bestimmen.

Die meisten Direkteinspritzsysteme verwenden piezoresistive Drucksensoren auf der Niederdruckseite des Systems. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt das Silikonchipelement eine messbare elektrische Spannung. Sie nimmt zu, wenn der Druck steigt.

Auf der Hochdruckseite nutzen Sensoren gewöhnlich eine Metallmembran auf einer Widerstandsbrücke. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt die Brücke eine Widerstandsänderung, die sich in einer Änderung der angelegten Spannung äussert. Das elektronische Steuermodul wandelt die Spannung in einen berechneten Druck um – gewöhnlich mit einer Genauigkeit von ± 2%.

Um den richtigen Druck aufrechtzuerhalten, pulsiert das elektronische Steuermodul die Niederdruckpumpe. Das System weist typischerweise einen Regler und keine Rückleitungen auf. Einige Systeme haben sogar integrierte Temperatursensoren in den Leitungen, die verwendet werden, um die Dichte des Kraftstoffs zu berechnen, so dass die Kraftstoffverkleidung auf die Energiemenge im Kraftstoff abgestimmt werden kann.

Um eine genaue Messung des Leitungsdrucks sicherzustellen, ist es wichtig, hochpräzise Drucktransmitter zu verwenden, um den CR-Druck unter sämtlichen Motor- und Lastbedingungen abzubilden. Jeder Fehler während dieses Prozesses kann zu einer inkorrekten Modulation des CR-Drucks führen. Das Resultat sind schwerwiegende Abweichungen.

Mit der Einführung des harmonisierten Fahrzyklus stehen OEMs unter erneutem Druck, die von Behörden anvisierten Emissionswerte einzuhalten. Die GDI-Ottomotoren werden an vorderster Front einer neuen Generation grüner Technologien stehen. Dennoch, damit diese Technologie zukünftigen Regulierungen auch entspricht, müssen Feinstaubemissionen reduziert werden – zum grössten Teil durch die genaue Überprüfung des CR-Kraftstoffdrucks.

Hersteller geraten unter Druck

Hersteller geraten unter Druck

Angesichts sich verschärfender Emissionsvorschriften in China, Europa und Nordamerika stehen Hersteller vor der schwierigen Aufgabe, Motorkomponenten und -funktionen so zu optimieren, dass sie den neuen Anforderungen möglichst kostengünstig gerecht werden.

Obwohl Motoren im Entwicklungsstadium seit jeher getestet werden, um die Einhaltung auch der strengsten Qualitätsanforderungen in Bezug auf Materialien, Emissionen und Wirkungsgrad sicherzustellen, richtet sich der Fokus wieder auf die Detailentwicklung, um bislang eventuell übersehene Leistungsreserven freizusetzen.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden bei einem auf dem Prüfstand betriebenen Motor alle jene Variablen überwacht und gemessen, die Emissionen und Leistung beeinflussenden: Man will nicht nur ihr individuelles Leistungsverhalten verstehen, sondern auch, welche Rolle sie als Teil des Gesamtsystems spielen.

Dafür werden sehr zuverlässige und präzise Messgeräte benötigt, die unter den im Motor und im Motorraum herrschenden extremen Bedingungen genaue Messwerte liefern. Sensoren mit einer solchen Qualität und Genauigkeit werden nur von einer Handvoll Anbietern weltweit hergestellt, die sich durch die Fähigkeit auszeichnen, hochqualitative Drucksensoren an Kundenanforderungen anpassen zu können.

Drucksensoren sind der Schlüssel zur Beseitigung von Leistungsschwächen

STS hat Drucksensoren entwickelt, die den Anforderungen von Produzenten (OEM), Teilelieferanten und Motordesignexperten in der Motorenentwicklung gerecht werden. Mithilfe dieser Sensoren können Kunden Entwicklungs- und Designaufgaben durchführen, deren primäre Ziele die Reduzierung der Abgasemissionen, eine Erhöhung der Leistungsdichte, ein geringerer Verbrauch, eine lange Lebensdauer und höchste Zuverlässigkeit sind.

Weil der Wirkungsgrad eines Motors weitgehend vom Luftdurchsatz und der Ladungsdichte im Brennraum sowie davon abhängt, inwieweit Abgase mithilfe eines Turboladers zur Verbesserung des Drehmoments eingesetzt oder wie effizient sie ausgeleitet werden können, ist die präzise Abbildung der kritischen Druckbereiche entscheidend. Diese Drücke bewegen sich oft im Millibarbereich, weshalb eine extrem präzise und hochdynamische Messung erforderlich ist.

Um eine zuverlässige Analyse der Druckverteilung im Ansaugkrümmer zu erhalten, ist es außerdem wichtig, die Messung des Eingangsdrucks so nah wie möglich an jedem Einlassventil vorzunehmen. Dadurch wird der unterschiedlichen Geometrie des Ansaugkrümmers Rechnung getragen, die oft bewirkt, dass jedem Zylinder eine unterschiedliche Menge Luft zugeführt wird, was wiederum negative Auswirkungen auf Leistungsfähigkeit und Emissionen hat.

Der Ermittlung der Leistungsfähigkeit der Abgasanlage liegt eine recht komplexe Druckmessung zugrunde, da nicht nur die Leistungsfähigkeit der Abgasanlage, sondern auch der durch die Zündfolge des Motors bedingte Gasaustausch vom Druck abhängt. STS Drucksensoren sind in der Lage, diese Prozesse am Ein- und Ausgang des Krümmers mit einer hohen Genauigkeit zu messen.

Robuste Sensoren müssen auch in einer widrigen Umgebung genaue Messergebnisse liefern

In der Testumgebung müssen die Sensoren gegen im Motorraum vorhandene Chemikalien und Öle resistent sein sowie Druck in extremen Temperaturbereichen genau messen können. Darüber hinaus müssen die Sensoren zuverlässig funktionieren und unempfindlich gegen Vibrationen oder Spannungsschwankungen sein.

Die STS Sensorenpalette eignet sich auch für Messungen in kritischen Systemen wie Öl-, Kraftstoff- und Wasserpumpen, Einspritzleitungen, Ladeluftkühlern und Wärmetauschern. Alle diese Komponenten sind entscheidend, um den Wirkungsgrad des Motors zu optimieren.

Es bleibt festzuhalten: Obwohl die Nachfrage von Kunden und Aufsichtsbehörden nach immer saubereren und leistungsfähigeren Motoren steigt, sind Hersteller und Zulieferer gut gerüstet, um das Bestmögliche herauszuholen und Erwartungen sogar zu übertreffen.