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Gegen den Hitzetod

Kühlluft-Strömungsmessung sichert Hochleistungs-Motoren
Gegen den Hitzetod

Ingenieure und Techniker lassen kein Detail unberücksichtigt, um einerseits imponierende Motorleistungen zu erreichen und andererseits die Standfestigkeit der Motoren zu sichern. Bei der Optimierung der Kühler-Anströmung messen sie die Durchströmung mittels spezieller Sensoren.

Die Entwicklung von Hochleistungsfahrzeugen für die Serie und Fahrzeugen für die Rennstrecke fordern höchste Aufmerksamkeit. Herzstück ist der Motor. Seine Leistung und Standfestigkeit zu erhöhen, ist Aufgabe der Entwicklungsingenieure. Sie lassen kein Detail unberücksichtigt, um einerseits imponierende Motorleistungen zu erreichen und andererseits die Standfestigkeit der Motoren zu sichern. Die Optimierung der Kühler-Anströmung gehört dazu. Je besser die Kühlluftführung ist, desto mehr Wärme kann das Kühlsystem abführen. Zur Ermittlung und Optimierung der Leistungsdaten des Motorkühlers muss dessen Durchströmung gemessen werden. Zu dieser Untersuchung eignen sich richtungserkennende Strömungssensoren von Höntzsch.

Mit Hilfe der Strömungssensoren kann die Luftgeschwindigkeit vor dem Kühlpaket hinter dem Lufteinlassgitter gemessen werden. Vor dem Hintergrund, dass die Strömung keineswegs gleichmäßig am Kühlsystem anliegt, ist eine Messanordnung mit einer ganzen Reihe von Messpunkten (im hier beschriebenen Beispiel 16) zu wählen, um eine zuverlässige Aussage zu erhalten. Dazu bedarf es dank intelligenter Versuchsanordnung aber keineswegs ebenso vieler Sensoren: Für diese Messung werden lediglich vier Flügelrad-Volumenstrommessgeräte senkrecht auf einem Sensorenträger installiert. Jeweils nach einer Messfahrt wird dieser im Beispiel beschriebener Träger um einen genau definierten Abstand versetzt, so dass der Luft-Volumenstrom an insgesamt 16 Messpunkten vor dem Kühler erfasst werden kann.
Mit dieser Messanordnung lässt sich auch die Form/Anordnung der Lufteinlässe bzw. der Gitter in ihren Auswirkungen auf den tatsächlichen Luftdurchsatz beurteilen. Durch Messfahrten bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, von der Langsamfahrt bei Tempo 30 über Landstraßentempo 80 hin zu Autobahntempo 130, hinauf zu 180, 240 bis hin zu Renntempo 300 wird das Verhalten der Luftströmung z. B. bei Nutzung der unterschiedlichen Gitterformen gemessen. Die Messungen erfolgen dabei mit abgeschaltetem Sauglüfter und alternativ bei zwangsweise zugeschaltetem Sauglüfter. Zusätzlich wird im Stand bei zugeschaltetem Sauglüfter gemessen. Im Abstand von 30 mm vor dem Kühler registrieren die Flügelrad-Sensoren die je anliegenden Strömungswerte.
Luftströmungen sichtbar machen
Die Messdaten lassen sich in Kennfelder umwandeln, die einen visuellen Eindruck der Luftversorgung aller über der Kühlerfläche verteilten Messpunkte ermöglicht. Diese Kennfelder dienen der Simulation und letztlich der Optimierung von Lufteinlass- und Kühlsystem.
Das Höntzsch-Flügelradmesssystem eignet sich für diese anspruchvolle Aufgabe, weil es sowohl kleinste als auch sehr große Luftströmungen exakt erfasst. Die Strömungsrichtung erkennenden TSR-Sensoren sind mit weltweit einem der kleinsten induktiven Näherungsschalter – übrigens eine Höntzsch-Eigenentwicklung – ausgestattet: In einem Schaft von 8 mm Durchmesser findet für jede Strömungsrichtung je ein Näherungsinitiator samt Signalaufbereitung Platz. Durch die Abtastung der Flügelrad-Drehrichtung wird die Überwachung der Strömungsrichtung möglich. Die TSR-Sensoren detektieren exakt die Strömungsrichtung und die Strömungsgeschwindigkeit, weshalb sie sich für die Messaufgabe an Hochleistungsaggregaten bestens eignen. Für die Entwickler ist es durchaus wichtig, zu erkennen, ob und wo die Strömungsrichtung am Kühler wechselt und ob es zu Rückströmungseffekten kommt.
Die vier untereinander auf einer Traverse montierten Flügelrad-Strömungssensoren vom Typ TSR 26/16 GE werden parallel zur Kühleroberfläche verfahren. Die Sensorenbreite von nur 16 mm, gemessen in Strömungsrichtung, erleichtert die Montage im dicht gepackten Motorraum. Der vor dem Kühler anliegende Volumenstrom wird dadurch ermittelt, dass jeder Sensorposition eine Fläche mit angenommener konstanter Strömungsgeschwindigkeit zugeordnet wird. Da der Sensorschutzring einen Außendurchmesser von nur 26 mm besitzt, kann der Verfahrweg zwischen den einzelnen Messungen sehr klein gewählt werden, so dass eine hohe Messauflösung erzielt wird. Wer es noch kleiner benötigt, kann die TSR-Sonde auch in der Ausführung mit Außendurchmesser 16 mm bekommen. Die spezifizierte Messgenauigkeit der für die hier beschriebene Messung eingesetzten Sensoren ist kleiner 1 %. Dank der Dauertemperaturbeständigkeit der TSR-Sensoren von +125 °C bereiten die Messungen während des Fahrbetriebs keine thermischen Messprobleme.
Die Frequenzsignale der Strömungssensoren werden einer achtkanaligen Auswerteeinheit vom Typ µP-ASD-R zugeführt und in Spannungssignale umgesetzt. Eine serielle Schnittstelle ermöglicht die Verbindung zu einem PC, auf dem die Daten digital und grafisch dargestellt werden. Diese Messgerätekonfigura- tion gestattet es, mit geringem Messzeitaufwand präzise Aussagen über die komplexe Durchströmung von Lufteinlassgittern und die Anströmung von Motorkühlern zu machen.
Robust genug für harten (Renn-)Einsatz
Die Sensoren sind speziell dahingehend optimiert, unter schwierigsten Anströmbedingungen optimale Messergebnisse zu liefern. Sie sind in weiten Bereichen unempfindlich auf Änderung der Anströmwinkel. Weil klein und zugleich sehr robust, arbeiten die TSR-Sensoren über einen langen Zeitraum zuverlässig an Bremsanlagen und hinter Kühlern weitgehend ungefederter (!) Rennfahrzeuge. Dank des großen dynamischen Bereiches sind Messungen bei praktisch allen in Automobilforschung und Industrie üblichen Strömungsgeschwindigkeiten möglich. Die Hoentzsch Flügelradmesssysteme erfassen Strömungsgeschwindigkeiten ab 0,2 m/s bis hinauf zu 120 m/s. Die Flügelrad-Sensoren besitzen eine hohe Reproduzierbarkeit. Durch eine Kalibrierung mit einer Referenzgenauigkeit von 0,5 % vom Messwert kann auch bei extremen Einsatzfällen eine zuverlässige Aussage über die tatsächlichen Verhältnisse an der Messstelle getroffen werden. Nach den Fahrversuchen stellt Höntzsch die eigenen Windkanäle samt Laser-Doppler-Anemometer selbstverständlich auch zur Untersuchung der gesamten Traversierung und Befestigung der Sensorsysteme zur Verfügung. Hierdurch können weitere Einflussfaktoren strömungsmechanisch objektiv bewertet werden.
Hoentzsch; Telefon: 07151/17160 ; E-Mail: info@hoentzsch.com
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