Genaue Druckmessung ist für die Entwicklung einer elektrischen Ölpumpe entscheidend

Genaue Druckmessung ist für die Entwicklung einer elektrischen Ölpumpe entscheidend

Angetrieben durch die steigenden weltweiten Emissionsziele, setzen OEMs zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Treibhausgasemissionen in zunehmendem Maße auf die Elektrifizierung. Die Wahl fällt in diesem Zusammenhang häufig auf das Hybrid-Elektrofahrzeug, welches oft von einem stark verkleinerten Motor angetrieben wird.

Das Problem dieser Downsizing-Motoren besteht darin, dass Fahrbarkeit und Leistung durch Energieraubende Hilfssysteme stark beeinträchtigt werden. Glücklicherweise können diese parasitären Verluste deutlich reduziert werden, indem traditionell mechanische Komponenten durch elektrisch angetriebene Einheiten ersetzt werden. Aus diesem Grund gelangen elektrisch angetriebene Pumpen, insbesondere für den Antrieb von Öl- und Wasserpumpen, sehr schnell in die Serienproduktion.

Abbildung 1: Beispiel für eine elektrische Ölpumpe
Bildquelle: Rheinmetall Automotive

Aber auch wenn die Vorteile offensichtlich sind, ist die Elektrifizierung, insbesondere der Ölpumpe, technisch komplex: Ingenieure wollen das Öl nicht nur mit einem bestimmten Volumenstrom und Druck verteilen, sondern möchten diese Variablen auch intelligent an die Motoranforderungen anpassen.

Um die Leistung zu optimieren, ist es wichtig, dass Reibungs- und Pumpverluste durch die sorgfältige Steuerung des Ölstroms in die verschiedenen Zweige des Ölkreislaufs minimiert werden und gleichzeitig stets der richtige Druck herrscht.

Die Simulation beruht auf genauen Messdaten von Öldruck und Volumenstrom auf dem Prüfstand

Eine elektrisch angetriebene Ölpumpe besteht aus drei Teilsystemen – Pumpe, Motor und elektronische Steuerung. Daher ist die primäre Herausforderung jeder neuen Anwendungsentwicklung die effiziente Integration dieser Teilsysteme, um Gesamtgröße und -gewicht sowie die Anzahl der Komponenten zu verringern und gleichzeitig die Leistung zu optimieren.

Die wichtigste Aufgabe der Ölpumpe besteht darin, bei optimalem Druck eine bestimmte Ölmenge zu liefern. Aus diesem Grund beginnt der iterative Designprozess mit dem „Pumpengetriebe“. In den meisten Anwendungsfällen muss die Pumpe einen Druck von mehr als 1 bis 2 bar, oftmals bis zu 10 bar erzeugen.

Wie auch sonst üblich in der Motorenentwicklung, kommt eine Kombination aus Simulation und Prüfung unter realen Bedingungen zum Einsatz, um das Design zu beschleunigen.

Die Entwurfsiterationen beginnen mit der Erstbewertung des volumetrischen Wirkungsgrades anhand von Versuchsergebnissen, die von ähnlichen Pumpen und Anwendungen gesammelt wurden. Dazu gehören Pumpengeschwindigkeit, Öltemperatur, Druck und Volumenstrom.

Da es wichtig ist, dass die für die Schätzung herangezogenen Daten akkurat sind, muss die Datenerhebung mit sehr zuverlässigen, präzisen Messgeräten durchgeführt werden, die unter den im Motorraum herrschenden extremen Bedingungen genaue Messwerte liefern können.

Um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, ist es von zentraler Bedeutung, dass zur Druckmessung nur die besten Qualitätssensoren verwendet werden. Diese Drucksensoren müssen nicht nur in einem großen Druck- und Temperaturbereich zuverlässige Messwerte liefern, sondern auch Vibrationen standhalten können.

STS hat im Laufe der Jahre Sensoren entwickelt, die den Anforderungen von Produzenten (OEM), Teilelieferanten und Motordesignexperten in der Motorenentwicklung gerecht werden.

Die Entwicklung einer elektrischen Ölpumpe, die die mechanische Variante übertrifft 

Auf der Grundlage der Daten zu den hydraulischen Anforderungen bei verschiedenen Volumenströmen, Förderdrücken und Öltemperaturen wird ein erster Entwurf des Getriebes angefertigt. Mithilfe der MatlabSimulink-Software können die Informationen bezüglich des Verhaltens des physikalischen Systems in einen eindimensionalen Code umgewandelt werden.

In diesem Stadium ist zu beachten, dass zur Erzeugung des erforderlichen Durchflusses bei einem bestimmten Druck eine Drehzahl gewählt werden sollte, die die beste Bauform von Motor und Pumpe ohne Kavitationsprobleme oder Strömungsgeräusche ermöglicht: Demnach liegt ein typischer Drehzahlbereich für den Dauerbetrieb in der Regel zwischen 1500 und 3500 U/min.

Im nächsten Schritt können mit der Simulationssoftware LMS Imagine verschiedene Designs erzeugt werden. Mithilfe der Lab Amesim-Software werden die Designparameter – zum Beispiel die Anzahl der Zähne und die Exzentrizität – optimiert, während gleichzeitig alle Randbedingungen für Druck, Durchfluss und Temperatur erfüllt werden.

Nachdem die geometrischen Merkmale der berechneten Hydraulik implementiert und das vorläufige Design abgeschlossen wurden, kann das erforderliche Gesamtdrehmoment, um die Pumpe in kritischen Betriebspunkten anzutreiben, wie folgt berechnet werden:

Mgesamt = MH + MCL + Mη

Wobei:

  • MH für das hydraulische Drehmoment steht, das für die Erzeugung des Drucks und Durchflusses erforderlich ist
  • MCL für die Coulombsche Reibung steht, die dort entsteht, wo sich trockene oder geschmierte Kontakte zwischen Gleitteilen befinden
  • Mη für die viskose Reibung steht, die durch die Fließbewegung in Freiräumen entsteht

Im Anschluss an die Designphase werden Prototypen gebaut, um diese auf einem Motorprüfstand unter realen Bedingungen zu testen.

Nochmals werden Öldruck, Volumenstrom und Temperatur bei verschiedenen Motor- und Pumpgeschwindigkeiten gemessen, um die durch die Simulation gewonnenen Ergebnisse zu bestätigen. Wenn die Ergebnisse den Spezifikationen entsprechen, ist das Entwicklungsprogramm abgeschlossen und das Projekt geht in die Produktionsphase.

Es liegt auf der Hand, dass für eine optimale Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit alle Messungen genau aufgezeichnet werden müssen; aber die Relevanz der durch die Drucksensoren erzeugten Messdaten überwiegt möglicherweise alles andere – zu geringer Druck an jedem beliebigen Punkt kann zu einem katastrophalen Fehler führen, während Überdruck Energie verschwendet und zu Problemen mit den Öldichtungen führen kann.

Könnte ein Wasserstoffmotor mit Hochdruck-Direkteinspritzung den Turbodiesel ersetzen?

Könnte ein Wasserstoffmotor mit Hochdruck-Direkteinspritzung den Turbodiesel ersetzen?

In Ungnade gefallen, scheint die Zeit des einst legendären Dieseltriebwerks abgelaufen zu sein. Selbst Städte wie Paris, die einst Anreize für die Verwendung von Dieselmotoren schufen, fordern OEMs jetzt auf, die Produktion bis zum Jahr 2025 zu stoppen. Obwohl dies äußerst unwahrscheinlich ist, zeigt es, dass man sich weltweit wegen der globalen Erwärmung und der Luftverschmutzung im allgemeinen Sorgen macht.

Um die immer strenger werdenden Emissionsvorschriften einhalten zu können, untersuchen OEMs neue und oft unerprobte Arten des Antriebs: Die ganze Bandbreite von Vollelektrifizierung bis hin zu Hybriden und sogar Wasserstoff-Brennstoffzellen werden als mögliche Lösungen getestet.

Insbesondere Wasserstoff weckt das Interesse von Forschern auf der ganzen Welt – er wird als ein sauberer Brennstoff gefeiert, der durchaus den Verkehr der Zukunft antreiben könnte.

Der Unterschied zwischen Wasserstoff und konventionellen Kohlenwasserstoffen besteht in seinem großen stöchiometrischen Bereich von 4 bis 75 Volumenprozent Wasserstoff zu Luft, und unter idealen Bedingungen kann die Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff einige Hundert Meter pro Sekunde erreichen. Diese Eigenschaften machen ihn sehr effizient bei der Verbrennung von mageren Gemischen mit niedrigen NOx-Emissionen.

Vierzig Jahre Wasserstoffmotoren

Die Wasserstoffeinspritzung gibt es schon seit den 1970er Jahren; dabei wird Wasserstoff in einen modifizierten Verbrennungsmotor eingespritzt, wodurch es zu einer saubereren Verbrennung, mehr Leistung und geringeren Emissionen kommt.

Frühere Niederdrucksysteme, die noch heute verwendet werden, spritzten den Wasserstoff in die Luft ein, bevor diese in den Brennraum eintrat. Allerdings traten dabei einige Probleme auf, da Wasserstoff zehnmal schneller verbrennt als Diesel und er, sobald er im Brennraum mit dem Diesel vermischt wird, die Abbrandgeschwindigkeit erhöht. Die wichtigsten Probleme sind:

  • Der Flammenrückschlag des Gases im Verteiler.
  • Frühzündung und/oder Selbstentzündung.

Der beste Weg, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, ist der Einbau eines Systems zur Hochdruck-Direkteinspritzung, bei dem die Kraftstoffeinspritzung zu einem späteren Zeitpunkt des Kompressionsvorgangs erfolgt.

Optimierung des Verbrennungsprozesses durch genaue Druckmessung

Hierfür muss die Einspritzung ganz genau auf den Motor abgestimmt werden. Dies kann nur durch die Erhebung von Testdaten bezüglich der Temperatur (Verteiler, Abgas und Kühlmittel), des Drucks (Zylinder/Druckverstärker, Leitung und Einspritzer), der Verwirbelung in Verteiler und Brennkammer sowie der Gaszusammensetzung erreicht werden.

Die Gemischbildungs-, Zündungs- und Verbrennungsprozesse werden häufig mit zwei verschiedenen Arten von Experimenten untersucht. Das erste Experiment soll Informationen über die schnell veränderliche Konzentration und Verteilung von Wasserstoff während des Einspritzvorgangs liefern.

Bei diesem Test dient eine laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) auf Markermolekülen als das primäre Messverfahren zur Untersuchung des Verhaltens von Wasserstoff während der Kompression und bei der Zündung. Unter Verwendung einer Brennkammer mit einem konstanten Volumen und denselben Abmessungen wie der eigentliche Dieselmotor, was bedeutet, dass das Volumen in der Brennkammer dem Volumen im Zylinder am oberen Totpunkt entspricht, wird komprimierter Wasserstoff durch ein hydraulisch gesteuertes Nadelventil in die kalte Druckluft eingespritzt.

Mit qualitativ hochwertigen Drucksensoren kann die Wirkung der verschiedenen Einspritzdrücke auf den Verbrennungsprozess untersucht werden. Durch die Beobachtung des Verhaltens und des Volumens des unverbrannten Gases kann der Zeitaufwand für die Optimierung des Einspritzdrucks für eine bestimmte Anzahl von und Position der Einspritzdüsenöffnung und auch der Einspritzrichtung drastisch reduziert werden.

Durch den Einsatz einer einzigartigen Software kann die Zündverzögerung ermittelt werden, die von der Temperatur und der Konzentration von Wasserstoff in der Luft bei einem gegebenen Druck abhängig ist. Auch hier ist es wichtig, dass die Druckwerte in einem Druckbereich zwischen 10 bis 30 MPa genau aufgezeichnet werden.

Darüber hinaus ermöglicht diese Methode die Bestimmung der Bereiche des Einspritzstrahls, in denen Bedingungen für eine Selbstentzündung herrschen; das ist hilfreich bei der Entwicklung eines optimierten Einspritzsystems für Motoren, die von Dieselkraftstoff auf Wasserstoff umgerüstet werden sollen.

Bei – von einem OEM im Premiumsegment – jüngst durchgeführten Tests zeigte der optimierte Hochdruck-Wasserstoffeinspritzmotor eine vielversprechende spezifische Leistungssteigerung bei gleichzeitig reduziertem Kraftstoffverbrauch und einen Wirkungsgrad von 42 %; Werte, die denen der besten Turbodieselmotoren entsprechen.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen scheint es so, als ob durch die stetige Optimierung des Drucks dieser 30 MPa-Systeme tatsächlich eine weitere Quelle für saubere Energie für den Verkehr der Zukunft geschaffen werden kann.

Lebensdaueroptimierung von Drucktransmittern mit Wasserstoff-Kontakt

Lebensdaueroptimierung von Drucktransmittern mit Wasserstoff-Kontakt

Wasserstoff-Atome sind sehr klein. Durch diese Eigenschaft durchdringen sie auch feste Materialien. Diesen Vorgang nennt man Permeation. Mit der Zeit werden Drucktransmitter durch diesen Prozess funktionsunfähig. Die Lebensdauer kann aber optimiert werden.

Bei piezoresistiven Druckmessumformern wird der Sensor-Chip von einer Flüssigkeit, meistens Öl, umschlossen. Dieser Bereich ist wiederum von einer sehr dünnen, 15 bis 50 μm dicken Stahlmembran abgeschlossen. Aufgrund der geringen Atomgrössse von Wasserstoff kann das Gas durch das Kristallgitter von Metallen diffundieren (siehe Infografik). Mit der Zeit führt das eingedrungene Gas dazu, dass es zu einer nicht mehr tolerierbaren Signalnullpunktverschiebung kommt und sich die Stahlmembran nach aussen wölbt. Der Drucksensor ist somit unbrauchbar.

Übersicht: Die Eigenschaften von Wasserstoff

Infografik: malachy120///AdobeStock

Drucksensoren kommen bei einer Vielzahl Anwendungen in Kontakt mit Wasserstoff, sei es bei der Überwachung von Wasserstofftanks selbst, U-Booten oder der Automobilbranche. Gerade bei Letzterer kommt Wasserstoff bei der Entwicklung alternative Antriebsformen verstärkt zum Einsatz. Viele Hersteller arbeiten seit einigen Jahren an Modellen mit Brennstoffzellen, einige Städte setzen im öffentlichen Nahverkehr bereits auf Wasserstoffbusse. Die Vorteile sind nicht von der Hand zu weisen: Als Ausgangsstoffe werden lediglich Wasserstoff und Sauerstoff benötigt. Durch eine chemische Reaktion wird Energie in Form von Strom erzeugt. Dabei entstehen keinerlei Abgase (das Verbrennungsprodukt ist Wasserdampf). Darüber hinaus ist Wasserstoff im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen in unerschöpflichen Mengen vorhanden. Die Entwicklung ist schon weit vorangeschritten, so gibt es Modelle, die auf 100 Kilometer lediglich 3 Liter Wasserstoff verbrauchen. Strecken von bis zu 700 Kilometer mit einer Tankfüllung sind zum Teil schon möglich.

Dafür sind leistungsstarke, hochpräzise Drucktransmitter nötig, die die Wasserstofftanks in den Fahrzeugen überwachen. Konkret müssen Druck und Temperatur im Wasserstofftank des Fahrzeugs überwacht werden. Dabei kommt es zu Drücken von bis zu 700 bar. Auch ein grosser Temperaturbereich muss abgedeckt werden. Natürlich ist es unabdinglich, dass die eingesetzten Drucktransmitter ihren Dienst über einen lagen Zeitraum mit der geforderten Präzision verrichten. Um die Lebensdauer des Sensors in Anwendungen mit Wasserstoff zu optimieren, gilt es verschiedene beeinflussende Faktoren zu beachten:

  • Druckbereich: Der Gasstrom durch die Sensor-Membran ist proportional zur Quadratwurzel des Gasdrucks. Ein zehnmal tieferer Druck erhöht die Lebensdauer des Sensors um rund 3 Mal.
  • Temperatur: Der Gasfluss durch die Sensor-Membran nimmt bei höheren Temperaturen zu und hängt von der Materialkonstante ab.
  • Membranstärke: Der Gasfluss ist umgekehrt proportional zur Membrandicke. Die Verwendung einer 100 μm anstelle einer 50 μm dicken Membran verdoppelt die Lebensdauer des Sensors.
  • Membranfläche: Der Gasfluss ist direkt proportional zur Membranoberfläche (das Quadrat des Membrandurchmessers). Mit einem Ø 13 mm anstelle einer Ø 18,5 mm Membran verdoppelt sich die Lebensdauer des Sensors.

Da bei Wasserstofftanks in Fahrzeugen sowohl hohe Drücke als auch grosse Temperaturschwankungen auftreten können, lässt sich die Lebensdauer der Sensoren nicht über diese zwei Faktoren beeinflussen. Auch die Faktoren Membranstärke und Membranfläche versprechen nur bedingt Abhilfe. Zwar lässt sich die Lebensdauer durch diese Faktoren verbessern, aber noch nicht optimal.

Wir haben eine gratis Infografik zum Thema für Sie zusammengestellt:

Goldbeschichtung: Die effektivste Lösung

Die Permeabilität von Gold ist um 10’000 niedriger als die von rostfreiem Stahl. Durch eine Goldbeschichtung (0.1 bis 1 μm) einer 50 μm Stahlmembran kann die Wasserstoff-Permeation deutlich effektiver unterdrückt werden als durch eine Verdoppelung der Membrandicke auf 100 μm. Im ersten Fall kann die Zeit, bis sich ein kritisches Wasserstoffgasvolumen im Inneren des Drucksensors sammelt, um den Faktor 10 bis 100 verlängert werden, im zweiten Fall nur um den Faktor zwei. Voraussetzung dafür ist eine möglichst Kanalfreie und optimierte Schweissung sowie eine weitgehend fehlerfreie Beschichtung.

Bild 1: Beispiel von einem Drucktransmitter mit goldbeschichteter Membran

Aufgrund dieser Eigenschaften von Gold hinsichtlich der Permeabilität durch Wasserstoff verwendet STS für Wasserstoff-Applikationen standardmässig mit Gold beschichtete Edelstahlmembranen.

In der Frühphase von Brennstoffzellen für den Automobilbereich spielt die genaue Druckmessung eine maßgebliche Rolle

In der Frühphase von Brennstoffzellen für den Automobilbereich spielt die genaue Druckmessung eine maßgebliche Rolle

Während sich Elektro- und Hybridfahrzeuge (EV bzw. PHEV) als ausgereiftere Technologien fest etabliert haben, bedarf die sichere, bequeme und kostengünstige Speicherung von elektrischer Energie noch umfassender Entwicklungsarbeit. Als eine mögliche Alternative zu teuren Akkus untersucht der Großteil der Hersteller weltweit die Möglichkeiten der Nutzbarmachung von Wasserstoff zur Stromerzeugung, um elektrische Fahrmotoren anzutreiben.

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.

Brennstoffzellen bestehen aus zwischen Separatoren angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Eine MEA ist eine feste Polymer-Elektrolyt-Membran, auf der Katalysatorschichten angebracht sind.

Durch eine chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff erzeugen diese Zellen Strom: Um Strom zu erzeugen, werden in der Brennstoffzelle der Anode (negative Elektrode) Wasserstoff und der Kathode (positive Elektrode) Umgebungsluft zugeführt.

Da eine Zelle weniger als ein Volt liefert, sind mehrere Hundert Zellen hintereinander angeordnet, um die Spannung zu erhöhen. Die Gesamtheit der Zellen wird als Brennstoffzellen-Stack (BZ-Stack) bezeichnet.

Während kleine PEM-Brennstoffzellen mit normalem Luftdruck betrieben werden, werden größere Brennstoffzellen – 10 kW oder mehr – in der Regel mit höherem Druck betrieben. Die Vor- und Nachteile für den Betrieb mit höherem Druck sind vielschichtig und die Argumente nicht wirklich eindeutig; für beide Positionen lassen sich viele überzeugende Gesichtspunkte anführen.

Wasserstoff verringert die Lebensdauer der eingesetzten Messtechnik.
Wie sich die Lebensdauer optimeren lässt, erklären wir Ihnen in einer gratis Infografik zum Thema:

Aufladung der Wasserstoff-Brennstoffzelle 

Wie auch bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren dient eine Druckerhöhung in einem BZ-Stack der Steigerung der spezifischen Leistung; also dazu, bei gleicher Zellgröße mehr Leistung zu entnehmen.  Im Idealfall sind Kosten, Größe und Gewicht einer Kompressionsvorrichtung geringer als Kosten, Größe und Gewicht für die Vergrößerung des BZ-Stacks, um ein Plus an Leistung zu erzielen. 

Im Fall von Verbrennungsmotoren überwiegen die Vorteile einer Druckerhöhung eindeutig die Nachteile. Bei Brennstoffzellen ist das Verhältnis von Vor- und Nachteilen jedoch ausgeglichener. Dies liegt vor allem daran, dass der Abgasstrom einer PEMBZ sehr gering ist und jeder Kompressor weitgehend oder vollständig mit dem von der Brennstoffzelle erzeugten wertvollen Strom angetrieben wird.

Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Systems (Bildquelle: James Larminie, Andrew Dicks (Fuel Cell Systems explained))

 

Beim einfachsten Typ einer druckaufgeladenen PEM-Brennstoffzelle kommt das Wasserstoffgas aus einem Hochdruckzylinder. Bei dieser Ausführung muss nur die Luft komprimiert werden; das Wasserstoffgas wird aus einem Druckbehälter eingespeist, weshalb es quasi „gratis“ komprimiert wird. Diese Methode, bei der der Anode Wasserstoff zugeführt wird, bezeichnet man im Englischen als „Deadening“; das bedeutet, dass keine Ableitung oder Zirkulation des Gases stattfindet – es wird von der Zelle vollständig verbraucht.

Allerdings muss der Luftkompressor durch einen Elektromotor angetrieben werden, der natürlich einen Teil des wertvollen Stroms aus der Brennstoffzelle verbraucht. In der Regel macht der Stromverbrauch für ein 100 kW-System etwa 20 % der Energie der Brennstoffzelle aus. Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, muss die Druckluft – wie auch bei einem Verbrennungsmotor – vor dem Eintritt in die PEM-Zelle gekühlt werden.

Druckausgleich zur Leistungsoptimierung 

Da es sich um eine noch junge, aufstrebende Technologie handelt, müssen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser „aufgeladenen“ Brennstoffzellen getestet und entwickelt werden, wenn sie eine breite Anwendung finden sollen. Daher wird ein beträchtlicher Forschungs- und Entwicklungsaufwand betrieben, um sowohl Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Zellen zu verbessern.

Die Durchführung von Tests unter kontrollierten Bedingungen ist ein wichtiger Schritt in Richtung Realisierbarkeit und Akzeptanz von Brennstoffzellen. Detaillierte Messdaten sind die entscheidende Grundlage für die Gestaltung von Brennstoffzellenantrieb-Modellen. Doch trotz des weitverbreiteten Interesses befinden sich geeignete Messverfahren bislang lediglich im Entwicklungsstadium.

In der Regel werden PEM-Brennstoffzellen in einem Druckbereich zwischen annähernd Umgebungsdruck und ca. 3 bar und bei Temperaturen zwischen 50 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. Auch höhere Lufttemperaturen führen zu einer Steigerung der Leistungsdichte; allerdings können sie, vor allem bei niedrigeren Betriebsdrücken, eine nicht unerhebliche Herausforderung für den Wasser- und Wärmehaushalt darstellen.

Daher muss die Wahl von Betriebstemperatur und -druck eines PEM-Brennstoffzellensystems für den Einsatz im Automobilbereich auf (a) einem hohen Nettowirkungsgrad, (b) kleinen Bauteilen sowie (c) einem neutralen oder positiven Wasserhaushalt beruhen, damit das Fahrzeug keinen Wasserbehälter benötigt.

Die Leistungssteigerung durch den Betrieb einer unter höherem Druck stehenden PEM-Brennstoffzelle ist vor allem das Ergebnis einer geringeren Kathoden-Aktivierungsüberspannung: Die Druckerhöhung führt zu einer größeren Austauschstromdichte, was wiederum sichtbar die Leerlaufspannung anhebt. Dieser Effekt wird in der Nernst-Gleichung beschrieben.

Wie jedoch eben erwähnt, erfolgt diese Aufladung zulasten der von der unter Druck stehenden Brennstoffzelle produzierten Leistung; aus diesem Grund kommt der Anpassung des Drucks an die Anforderungen der spezifischen Brennstoffzelle eine große Bedeutung zu. 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, die mit STS Sensoren in Laborqualität aufgezeichnet werden, werden dann mit der Leistung der BZ-Stacks verglichen, um parasitäre Verluste zu minimieren und die elektrische Leistung zu optimieren.

Mit dem Ausreifen der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Automobilbereich und mittels der Vorhersagemodelle, denen Daten aus realistischen Feldversuchen zugrunde liegen, werden Ingenieure und Forscher zweifellos ein besseres Verständnis für die komplexen Zusammenhänge zwischen Temperatur, Druck und Wirkungsgrad gewinnen: Aber bis es so weit ist, wird diese Forschung stark davon abhängen, dass Qualitätssensoren Daten präzise aufzeichnen.

Präzise Druckmessung ist entscheidend für die sichere und kostengünstige Fahrzeugentwicklung

Präzise Druckmessung ist entscheidend für die sichere und kostengünstige Fahrzeugentwicklung

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.