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.

Turbomotoren: Die Vermessung des Ladedrucks ist der Schlüssel zum Erfolg

Turbomotoren: Die Vermessung des Ladedrucks ist der Schlüssel zum Erfolg

Um den immer schärferen gesetzlichen Abgasreglungen weltweit Herr zu werden, setzen OEMs verstärkt auf immer kleinere Ottomotoren. Diese immer kleineren Motoren verbrauchen weniger Treibstoff und stossen weitaus weniger Emissionen aus. Allerdings benötigen sie eine Motoraufladung, eine Methode der Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren durch Luftzuführung mit erhöhtem Druck, um Verbrauchern die Leistung zu bieten, die sie von modernen Fahrzeugen kennen

Das Fahrgefühl diese kleineren Turbomotoren muss dem der grösseren, freisaugenden Gegenstücken mindestens ebenbürtig sein. Dafür braucht es den vollen Antriebsdruck bei niedriger Motorendrehzahl. Gleichzeitig soll ein Kraftverlust bei voller Geschwindigkeit vermieden werden. Das gelingt nur mit einem hochentwickelten Ladedruckregelsystem.

Eine der hauptsächlichen Herausforderungen ist dabei die präzise Regelung des Luft-Treibstoff-Verhältnisses nahe am stöchiometrischen Wert bei unterschiedlichen Ladedrücken.

Druckregelung mit turbinenseitigen Bypass

Die Regelung des turbinenseitigen Bypasses ist die einfachste Form der Ladedrucküberwachung.

Sobald ein spezifischer Ladedruck erreicht ist, wird ein Teil des Abgasstroms mittels eines Bypasses um die Turbine herum geleitet. Eine federbelastete Membran steuert für gewöhnlich das Ladedruckregelventil an, das den Bypass in Abhängigkeit vom Ladedruck öffnet und schliesst.

Druckregelung mit variable Turbinengeometrie

Zur Steuerung des Ladedrucks haben Hersteller in jüngerer Vergangenheit auf variable Turbinengeometrie zurückgegriffen. Diese Herangehensweise ermöglicht es, den Strömungsquerschnitt der Turbine den Betriebsparametern des Motors entsprechend anzupassen.

Bei niedrigen Drehzahlen wird der Strömungsquerschnitt durch das Verschliessen der Leitschaufeln verringert. Der Ladedruck und somit auch der Drehmoment der Motoren wird infolge des grösseren Druckabfalls zwischen Turbinenein- und -austritt vergrössert. Bei der Beschleunigung von niedrigen Drehzahlen öffnen sich die Zugänge und passen sich den korrespondierenden Motoranforderungen an.

Durch die Regulierung des Strömungsquerschnitts der Turbine für den jeweiligen Betriebspunkt kann die Abgasenergie und somit auch die Effizienz des Turboladers optimiert werden. Die Effizienz des Motors wird dank dieser Methode im Vergleich zur Bypass-Steuerung weiter gesteigert.

Elektronische Ladedruckregelsysteme

Inzwischen werden meist elektronische Ladedruckregelsysteme in modernen Ottomotoren eingesetzt. Verglichen mit der rein pneumatischen Regelung, die nur als Begrenzung des Volllastdruckes wirken kann, ermöglicht eine flexible Ladedruckregelung die Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillast.

Der Betrieb der Klappen (oder Ventile) ist einem modulierten Regeldruck anstelle eines vollen Ladedrucks unterworfen und kann in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Ladelufttemperatur, Zündpunktverstellung und Kraftstoffqualität eingestellt werden.

Simulation reduziert Produktionszeit und Entwicklungskosten

In Anbetracht der Fülle an komplexen Variablen setzen die Hersteller während der Entwurfs- und Testphase auf Simulationen.

Eine weitere Hürde, die es es zu nehmen gilt, ist der enge Bereich, indem der Zentrifugalkompressor bei hohen Ladedrücken stabil arbeiten muss.

Weitreichende Versuche unter realen Bedingungen sind die einzige Möglichkeit, ein wirksames Simulationsmodell zu entwickeln. Die Versuche werden hauptsächlich an Motorprüfständen in Klimakammern durchgeführt.

Bei den offenen und zum Teil gedrosselten Testläufen werden die folgenden Druckinformationen aufgezeichnet:

  • Saugrohrdruck
  • Ladedruck
  • Luftdruck

Um ein klares Bild der Motorleistung über den kompletten Motordrehzahlbereich zu erhalten, laufen die Tests unter Berücksichtigung der Motortemperaturen ab (Kühlmittel und Öl).

Während des Testdurchlaufs ist es wichtig, dass die Ingenieure jede Leistungsabweichung aufzeichnen. Vorkommnisse wie Abgaspulsationen, die bei bestimmten Motordrehzahlen zu stehenden Wellen führen können und das Laufrad bei kritischen Frequenzen anregen können, vermindern die Lebenszeit des Turbos oder führen gar zu katastrophalen Ausfällen.

Daher ist die Messung der Druckleistung des Kompressors und der Turbine entscheidend für die Entwicklung eines akkuraten Extrapolationsmodells zur Implementierung während der Simulation.

Ein gut entwickeltes Simulationsmodell spart Entwicklern Zeit und Geld bei Prüfstand- und Strassentests. Voraussetzung hierfür sind jedoch ausführliche Aufzeichnungen zu den auftretenden Drücken.

Drucksensoren im Motorsport: Wenn der Bruchteil einer Pferdestärke entscheidet

Drucksensoren im Motorsport: Wenn der Bruchteil einer Pferdestärke entscheidet

„The winner takes it all!“ Im Rennsport teilt sich die Welt in Sieger und Verlierer. Der erfolgreiche Fahrer geniesst die Champagner-Dusche. Doch die Vorentscheidung fällt am Teststand der Motorenentwickler. Leistungsstarke Drucksensoren sind der entscheidende Wettbewerbsvorteil.

STS liefert Drucksensoren an Kunden aus der Motorsportwelt, darunter Vertreter aus Formel 1 und NASCAR. Beide Rennserien haben trotz aller Unterschiede eines gemeinsam: Jede Pferdestärke zählt und stellt auf der Strecke den entscheidenden Vorteil dar. Wenn in aufwendigen Tests an Prüfständen um jedes Zehntel einer Pferdestärke gerungen wird, müssen die Testergebnisse bis auf die letzte Dezimalstelle absolut zuverlässig sein.

Druckmesstechnik bei der Motorentwicklung in der Formel 1

Das aktuelle Motorenreglement der Formel 1 wurde 2014 eingeführt. Es werden V-Motoren mit 6 Zylindern, 1,6 Litern Hubraum und Mono-Turbolader gefahren. Die Drehzahlen belaufen sich auf 15.000 min−1. Das Kinetic Energy Recovery System (KERS), ein seit 2009 eingesetztes elektrisches System zur Bremsenergierückgewinnung, wurde durch das Energy Recovery System (ERS) ersetzt. Bei modernen Formel 1 Motoren handelt es sich also um Hybridmotoren. Damit ist die Zukunft in der Formel 1 längst Gegenwart geworden. Die vielleicht weltweit erfolgreichste Rennserie ist auch ein Versuchslabor für die Strasse. Ob Scheibenbremsen oder Computer-Diagnose, viele Technologien, die zum Alltag des Strassenverkehrs gehören, haben ihren Ursprung in den Entwicklungsschmieden der Formel 1.

Das geltende Motorenreglement, das den Rahmen für alle Teams gleichermassen absteckt, macht die ausgiebige Tüftelei am Prüfstand notwendig, um den entscheidenden Vorteil herauszuarbeiten. Jede Pferdestärke zählt. Im Vergleich zu Tests für Fahrzeuge im normalen Strassenverkehr gelten zum Teil andere Anforderungen. Öl- und Wasserdruck sind höher, ebenso wie die auftretenden Temperaturen. Wenn es darum geht, den Verbrauch zu senken und die Leistung zu steigern, sind umfassende Tests unter Rennbedingungen nötig. Drüber hinaus ist die Genauigkeit der Messergebnisse über den geforderten Temperaturbereich von grösserer Bedeutung. In der Formel 1 geht es oft nicht um grosse Sprünge bezüglich der Pferdestärken – schon Verbesserungen im Dezimalbereich sind auf diesem hohen Leistungsniveau Grund zur Freude.

Angesichts dieser Herausforderungen kam ein bekannter Formel 1 Rennstall auf STS zu, da die bis dahin verwendete Sensortechnik den hohen Ansprüchen nicht gerecht wurde. Die eingesetzten Messinstrumente waren zu gross und zu schwer. Noch schwerwiegender war allerdings das Problem, dass zusätzliche Kühltechnik im Prüfstand verbaut werden musste, da andernfalls die Sensortemperatur schnell über das Maximum schnellte. Die Messergebnisse wären somit ohne Wert gewesen.

Ziel des Entwicklers war es also, Drucksensoren zu erhalten, die eine Standardisierung ermöglichen und zusätzliche Kühlelemente obsolet machen. Auch die Themen Gewicht und Grösse spielten eine Rolle – schliesslich beeinflussen diese Faktoren die Performance des Boliden.

STS stellte dem Rennstall den neuen ATM.mini zur Verfügung. Dieser punktet nicht nur mit der geforderten Präzision über den geforderten Temperaturbereich, sondern brachte auch einen weiteren entscheidenden Vorteil, der die Motorenentwicklung nachhaltig optimieren konnte: Unter den bisher verwendeten Sensoren eines anderen Herstellers kam es zur Störungen beim Umschalten auf das seit 2014 verwendete Hybridsystem. Die Folge: Der Prüfstand schaltet sich ab. Langzeitmessungen werden praktisch unmöglich. Die ATM-Sensoren aus dem Hause STS sind störungssicher und ermöglichen somit umfangreiche Tests auf dem Weg aufs Siegertreppchen.

Druckmesstechnik bei der Motorentwicklung bei NASCAR

Zwar sind in den Stock Cars der NASCAR keine Hybridmotoren verbaut, dennoch braucht es umfangreiche Tests, um das Optimum an Leistung zu erreichen. Auch hier setzt ein bekannter Motorenhersteller auf die Druckmesstechnik von STS. Bei den umfangreichen Tests halten in etwa 200 ATM.1ST Druck Transmitter Öl-, Wasser-, Benzin- und Luftdruck im Blick. Von den im Motor eintreffenden Luftdrücken bis hin zur Verbesserung des Ölflusses gilt es, verschiedene Faktoren genau zu untersuchen, um kleinste Leistungssteigerungen zu erzielen (wir bewegen uns hier bei zirka 900 PS). Wie bei der Formel 1 ist höchste Präzision gefordert. Hier geht es um ein Zehntel einer Pferdestärke!

Die Wahl des Herstellers fiel auf den Drucktransmitter ATM.1ST, weil er in Bezug auf die geforderten Leistungsmerkmale weitestgehend konkurrenzlos ist:

  • Die Modularität der STS Sensoren erlaubt es dem Hersteller, einen speziellen Druckadapter anzuschliessen.
  • Der Gesamtfehler von ≤ ± 0.30 % FS ermöglicht aussagekräftige Analysen zur Verbesserung der Motorleistung.
  • Die Langzeitstabilität minimiert den Kalibierungsaufwand erheblich.
  • Der Druckmessbereich von 100 mbar…1000 bar wird den auftretenden Drücken bei der Motorenentwicklung gerecht.
  • Die hervorragende Temperaturkompensation ermöglich präzise Ergebnisse über einen weiten Temperaturbereich – ein entscheidendes Kriterium bei den rasant ansteigenden Temperaturen während Leistungstests auf höchstem Niveau.

Ob Formel 1 oder NASCAR: Der Weg aufs Siegertreppchen führt über die Prüfstände. Besonders im leistungsstarken Motorsportbereich braucht es dafür Hochpräzisionssensoren, die alle wichtigen Grössen, von Öl- und Wasser- bis Treibstoff- und Luftdruck alles im Blick haben. Neben der Präzision spielt dabei auch die Störungssicherheit eine wichtige Rolle, um die notwendigen Langzeittests mit zuverlässigen Ergebnissen durchführen zu können.

Kein schadstoffarmer Motorbetrieb ohne Saugrohrdrucksensoren

Kein schadstoffarmer Motorbetrieb ohne Saugrohrdrucksensoren

Angesichts der kontinuierlichen Verschärfung der weltweiten Emissionsgrenzwerte, hat die Automobilindustrie zügig umweltfreundliche Technologien zur Reduzierung von schädlichen Treibhausgasen eingeführt. Für den Betrieb moderner sauberer Verbrennungsmotoren ist die präzise Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit dem Ziel eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses unerlässlich, um eine hohe Katalysatorwirkung und reduzierte Auspuffemissionen zu bewirken.

Zur Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemischs unter instationären Bedingungen setzen Hersteller auf sowohl geschlossene als auch offene Wirkungsabläufe:

  • Ein geschlossener Wirkungsablauf (Regelung) bedeutet, dass ein Messsignal proportional zu dem Luft-Brennstoff-Verhältnis durch einen im Abgasstrom positionierten Restsauerstoffgehalt-Sensor, der sogenannten Lambdasonde, erzeugt wird.
  • Bei einem offenen Wirkungsablauf (Steuerung) – ohne Signalrückführung – wird die einzuspritzende Brennstoffmenge durch die Signale eines Luftmengenmessers gesteuert.

In beiden Fällen steuern Signale einen digitalen PI-Regler, um die Pulsbreite der Kaftstoffeinspritzung zu regulieren. Diese Verfahren haben jedoch zwei wesentliche Nachteile:

  • Wegen der relativ langen Verzögerung, die dem Ansaugen-Verdichten-Arbeiten-Ausstoßen-Kreislauf eines Motors innewohnt, ist die Signalrückführung – oder die Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses – nur unter stationären Bedingungen vollständig wirksam.
  • Nur ein auf Betriebstemperatur befindlicher Restsauerstoffgehalt-Sensor erzeugt ein zuverlässiges Signal; aus diesem Grund ist eine Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses direkt nach dem Anlassen des Motors nicht möglich.

Daher ist unter instationären und Kaltstartbedingungen der Steuerungsanteil der Beeinflussung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses besonders wichtig.

Zur Optimierung des Luft-Brennstoff-Gemischs unter allen Bedingungen sind moderne Motoren häufig mit einem Saugrohrdrucksensor zur Messung des Luftdrucks im Ansaugkrümmer/Saugrohr ausgestattet. 

Der MAP-Sensor weiß genau, was der Motor braucht

Der MAP-Sensor misst kontinuierlich den Luftdruck und sendet diese Informationen an das Motorsteuergerät, welches die Daten in eine Tabelle einfügt, die dazu dient, die Einspritz-Pulsbreite (Taktung) und den Zündzeitpunkt zu steuern. Diese Druckmesswerte werden als Ausgangssignalspannung an das Steuergerät geleitet.

Während der Entwicklungsphase ist es sehr wichtig, dass die im Ansaugkrümmer gemessenen Druckwerte genau sind. Serienmäßig hergestellte MAP-Sensoren eignen sich zwar hervorragend für die Signalzuführung an das Motorsteuergerät, weisen aber oftmals größere Toleranzen auf, als sie in der Entwicklung als vertretbar angesehen werden. Daher werden hochwertige Drucktransmitter, wie sie STS herstellt, während der Entwicklungsphase häufig parallel zu den serienmäßig gefertigten MAP-Sensoren benutzt. Die von diesen Sensoren gewonnenen Messwerte werden verwendet, um alle Abweichungen oder Fehler zu erfassen, die bei der Aufzeichnung des Saugrohrdrucks bei verschiedenen Drosselklappestellungen auftreten.

Der Prozess ist sehr komplex und erfordert, dass die Ausgangsspannung bei Hunderten unterschiedlicher Drosselklappestellungen gemessen wird, damit das Motorsteuergerät alle notwendigen Informationen zum Betrieb des Motors erhält. 

Mithilfe des MAP-Sensors das Motorsteuergerät „schulen“

Während der Entwicklungsphase wird mit einem kalibrierten MAP-Sensor der Saugrohrdruck wie folgt gemessen: Die Drosselklappe wird in kleinen Schritten geöffnet und die bei jeder Klappenstellung auftretende Ausgangsspannung aufgezeichnet.

Im Leerlauf, bei teilweise geöffneter Drosselklappe, beträgt der in einem Saugmotor gemessene Druck circa 1/3 des atmosphärischen Drucks oder 0,338 bar. Da die Ausgangsspannung des MAP-Sensors proportional zur Druckerhöhung ist, beträgt die Ausgangsspannung im Leerlauf circa 5 V/3 = 1,67 V, wobei der Sensor einen Messbereich von 5 V hat.

In der Praxis kann der Messbereich eines serienmäßig hergestellten MAP-Sensors jedoch variieren und liegt in der Regel unter 5 V. Die Ursache hierfür sind Schwankungen bei der Produktion, was dazu führt, dass der Messbereich im Normalfall nur bis etwa 4.6 V reicht. Aufgrund dieser Abweichungen variieren die Sensormesswerte während des normalen Betriebs zwischen etwa 1,5 V und 4,5 V, mit Ausnahme des durch den Motorbremsbetrieb erzeugten Unterdrucks, bei dem die Ausgangsspannung unter 1 V absinken kann.

Da der Luftdruck erhebliche Auswirkungen auf das Kraftstoffgemisch hat, ist es außerdem erforderlich, dass das Motorsteuergerät den barometrischen Druck kennt. Zu diesem Zweck wird der Umgebungsdruck in der Regel kurz vor dem Anlassen und/oder kurz nach dem Ausschalten des Motors erfasst.

Diese Messwerte dienen als Ausgangswerte für die Korrektur des Saugrohrdrucks bei unterschiedlichen Wetter- und Höhenbedingungen. In der Praxis geschieht dies mittels der Signale „Zündung eingeschaltet“ und „Motor ausgeschaltet“. Daraus ergeben sich für den Sensor zwei Einsatzbereiche: Bei laufendem Motor steuert er diesen, während er bei ausgeschaltetem Motor die barometrische Messung durchführt.

 

Motoraufladung erhöht den Druck auf MAP-Sensoren

Wenn ein klassischer Saugmotor durch den Einbau eines Turboladers oder Kompressors umgerüstet wird, muss der Saugrohrdruckbereich erweitert werden, um die veränderten Bereiche für Ladedruck und Unterdruck zu berücksichtigen. Um den gesamten Druckbereich abzudecken, muss ein MAP-Sensor verwendet werden, dessen Messbereich mindestens 1,5 bar abdeckt oder aber zu den jeweiligen Motordaten passt.

Um bei einem Ladedruck von mehr als 1,5 bar den Gesamtmessbereich ausnutzen zu können, ist es wichtig, dass bei ansteigendem Druck ein abnehmender Offset (Nullpunktverschiebung) zum Messwert addiert wird. Dies ist von praktischer Bedeutung, da es in einem von einem MAP-Sensor gesteuerten Motormanagementsystem bei Überschreitung des nominalen oberen Messbereichs schnell dazu kommen kann, dass die Kraftstoffzufuhr unterbrochen oder ein Fehler im Steuergerät auftritt. Aus diesem Grund wird bei der Verwendung eines MAP-Sensors mit einem Messbereich von 2 bar ein abnehmender Offset-Wert zugeordnet, um Druckmesswerte oberhalb des nominalen Messbereichs auslesen zu können.

Die Beschaffung von MAP-Sensoren, die diesen breit gefächerten Anforderungen gerecht werden, kann sich mitunter schwierig gestalten. Da der MAP-Sensor aber bei der effektiven Steuerung des Verbrennungsprozesses eine so entscheidende Rolle spielt, ist es wichtig, einen präzise kalibrierten hochwertigen MAP-Sensor zu verwenden, um den Saugrohrdruck in der Entwicklungsphase genau messen und aufzeichnen zu können.

Auf den Herstellern lastet großer Druck: Sie sollen Emissionen weiter reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern. Deshalb wird die Nachfrage nach Sensoren mit einer höheren Messgenauigkeit durch in der Entwicklung tätige Ingenieure nicht abreißen.

Die Herztöne eines Verbrennungsmotors messen

Die Herztöne eines Verbrennungsmotors messen

So wie ein Arzt den Blutdruck eines Patienten misst, um dessen Gesundheitszustand zu bestimmen, misst ein Entwicklungsingenieur den Kurbelgehäusedruck eines Motors, um auf dem Prüfstand Einblick in dessen Zustand zu gewinnen. Eine Erhöhung des Drucks liefert nicht nur einen ersten Hinweis auf Verschleiß, sondern die Druckmessung ist entscheidend bei der Entwicklung von modernen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen (Positive Crankcase Ventilation = PCV), die den Abgasvorschriften entsprechen müssen.

Es ist wichtig festzuhalten, dass die Messung des Kurbelgehäusedrucks keine direkte Messung der Blow-by-Gasmenge ist, die mit einer Gasdurchflussrate in Standardkubikmeter pro Sekunde angegeben wird. 

Messung des Kurbelgehäusedrucks, um die Abnutzung von Zylinderlaufbuchse, Kolben und Kolbenring zu überprüfen 

Prototypen sind kostspielig, was daran liegt, dass sie in der Regel das Ergebnis eines aufwändigen Konstruktionsprozesses darstellen: Das Letzte, was ein Ingenieur erleben möchte ist, den Versuchsaufbau buchstäblich in Rauch aufgehen zu sehen. Um das Risiko zu minimieren, sind Prüfstände heutzutage mit einer Vielzahl von Sensoren zur Überwachung unter anderem des Öldrucks und der Umgebungstemperatur, der Abgastemperatur und insbesondere des Kurbelgehäusedrucks ausgestattet. 

In Prüfständen verwendete Kurbelgehäusedruck-Sensoren sind vor allem interessant, weil sie nicht nur in der Lage sind, relativ geringe Druckabweichungen zu messen, sondern auch weil sie über einen weiten Temperaturbereich stabil bleiben und dem Eintauchen in heißes Öl standhalten: Dies ist besonders wichtig, da der Sensor oft in der Ölwanne oder an dem Öleinfüllrohr montiert ist, wo er in direkten Kontakt mit heißem Motoröl kommt. 

Das System Kolben/Kolbenringe/Zylinder (Kolbengruppe) unterliegt extremen Belastungen wie z.B. hohen Reibungs- und Beschleunigungskräften; zudem entstehen bei der Verbrennung extreme Temperaturen und Druckverhältnisse. 

Unter diesen Bedingungen wird immer ein gewisser Spülstrom zurück in das Kurbelgehäuse gelenkt, aber mit zunehmendem Verschleiß der Komponenten wird auch der Druck im Inneren des Motors steigen. Dies ist das Grundprinzip der Kurbelgehäusedruck-Messung, die als erstes Anzeichen für Motorverschleiß beim Betrieb im Leistungsprüfstand oder anderen Prüfständen auftritt. 

Diese Erhöhung des Drucks im Kurbelgehäuse eines Kompressionszündungsmotors (Dieselmotors) kann katastrophale Folgen haben, weil infolgedessen oftmals der Ölrücklauf aus dem Kompressor einschränkt wird: Dadurch wird die Labyrinthdichtung undicht, was wiederum zu einem vollständigen Verlust der Schmierung der Lager führt. Trotz der Bedeutung der Zustandsüberwachung der Kolbengruppe, ist die Optimierung von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen durch eine genaue Messung des Innendrucks unerlässlich, um die Einhaltung von Emissionsvorschriften zu gewährleisten. 

Die Entwicklung des PCV-Ventils für eine sauberere Umwelt. 

In den frühen 1960er Jahren ermittelte General Motors Kurbelgehäuse- oder auch Blow-by-Gase als eine der Ursachen von Kohlenwasserstoff-Emissionen.

Sie entwickelten das PCV-Ventil, also ein Druckregelventil für das Kurbelgehäuseentlüftungssystem, um diese Emissionen zu reduzieren. So entstand das erste regelungstechnische Bauteil zur Emissionskontrolle, das in einem Fahrzeug verbaut wurde. 

Im Idealfall sollte der Kurbelgehäusedruck knapp über dem atmosphärischen Druck liegen, so dass ausreichend Druck vorhanden ist, um Staub und Feuchtigkeit aus dem Kurbelgehäuse auszuleiten, aber nicht so viel Druck, dass Öl durch Dichtungen hindurch gedrückt wird; oder bei einem Kompressormotor zu verhindern, dass Öl in die Ölwanne zurück fließt. 

Die erste Aufgabe beim Entwurf eines effektiven PCV-Ventils ist die Bestimmung des tatsächlichen Kurbelgehäusedrucks mithilfe eines hochwertigen Drucksensors, der speziell entwickelt wurde, um kleinste Druckunterschiede messen zu können, und gleichzeitig präzise wiederholbare Messergebnisse in einem großen Temperaturbereich zu liefern. 

Anhand der bei Leistungs- und Dauerhaltbarkeitstests gesammelten Daten sind Ingenieure in der Lage, die geeigneten Parameter für das PCV-Ventil zu bestimmen: 

  • Eine adäquate Querschnittsfläche, um für einen ausreichenden Gasdurchfluss im Kurbelgehäuse zu sorgen
  • Korrekte Betriebsdruckparameter, um einen unbehinderten Ölrücklauf bei Turbomotoren zu gewährleisten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines positiven Innendrucks. 

Zu guter Letzt wird der Prototyp eines Ventils auf einem wiederum mit Kurbelgehäusedruck-Sensoren ausgestatteten Prüfstand getestet, um dessen Leistungsfähig- und Dauerhaltbarkeit sowie die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten zu bestätigen. 

Dieser Entwicklungsprozess kann sich über Wochen erstrecken und einen erheblichen Teil der Entwicklungskosten ausmachen; das Letzte, was ein Hersteller erleben möchte, ist der Ausfall eines zentralen Sensors, da dies eine teilweise oder sogar vollständige Wiederholungsprüfung erforderlich machen würde. Aus diesem Grund verwenden OEMs während der Entwicklungsphase ausschließlich qualitativ hochwertige Drucktransmitter, wie die von STS produzierten Drucktransmitter und Druckmessumformer.

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