Miniatursensoren optimieren Motore, Turbolader und Injektoren

Leistung ausreizen

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Besonders bei leistungstechnisch ausgereizten Motoren ist die Kontrolle wichtiger Bauteile essentiell. Durch den Einsatz von Miniatursensoren direkt im Motor können Daten gewonnen werden, die eine weitere Optimierung der Leistungsausbeute und Lebensdauer ermöglichen. Die Erkenntnisse tragen dazu bei, dass moderne Motore bei weniger Hubraum größere Leistungen erbringen und trotzdem länger leben als ihre Vorgänger.

Verbrennungsmotore der heutigen Zeit sind auf hohe Leistung bei geringer Umweltbelastung getrimmt. Dabei wird der Interaktion der einzelnen Bauteile eine immer wichtigere Rolle zugeordnet. Herausforderung ist, diese Interak- tion am laufenden Motor zu überwachen. Es herrschen enorme Drücke und Temperaturen, viele Teile befinden sich in Bewegung und es bestehen kaum Möglichkeiten einen Sensor zu integrieren. Nur wenige Sensoren werden diesen Anforderungen gerecht.

Micro-Epsilon ist schon seit vielen Jahren zuverlässiger Messtechniklieferant für die Motorentwicklung. Diverse Entwicklungsprojekte bringen immer wieder neue Möglichkeiten hervor, den Wirkungsgrad der Verbrennungsmotore zu steigern. Die hierfür in Frage kommenden Sensoren basieren auf dem Prinzip der Wirbelstromtechnik.
Die Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon messen Wege, Distanzen, Positionen und Abstände submikrometergenau. Die Geräte werden schon seit vielen Jahren in zahlreichen Messaufgaben am Verbrennungsmotor eingesetzt. Dabei entstanden Miniatursensoren, von denen der Kleinste nur 2 mm Außendurchmesser bei 4 mm Baulänge besitzt. Auch das Kabel zwischen Sensor und Controller ist mit einem Durchmesser von 0,5 mm miniaturisiert. Diese Sensoren besitzen im Gegensatz zu größeren Geräten ein Keramikgehäuse, wodurch sie hohe Temperaturen und Drücke überstehen. Zwischen Controller und Sensor lassen sich mit dem Verbindungskabel bis zu 6 m überbrücken. Dadurch kann der Controller während einer Messung sicher in der Fahrgastzelle oder am Prüfstand in sicherem Abstand zum Motor montiert werden. Zudem befinden sich die Bedienelemente des Controllers innerhalb des Gehäuses. Das Controllergehäuse ist absolut dicht und resistent gegenüber Ölen, Wasser und Schmutz.
Schwierig: Wenig Raum und ständige Bewegung
Schwierigkeiten bereitet bei allen Anwendungen im Motor der zur Verfügung stehende Raum. Das Gehäuse eines Motors ist mit vielen Kühlwasserkanälen durchzogen. Die Sensorintegration und Kabelführung ist deshalb schwierig, da kein Kanal verändert oder beschädigt werden darf. Im Herzstück jedes Motors, am Kolben, Pleuel oder der Kurbelwelle, ist die Kabelführung nochmals um einiges schwieriger, da alle Teile in ständiger Bewegung sind. Die gewünschten Messgrößen und -werte können aber nur im Inneren eines Motors gewonnen werden.
Neben der schwierigen Montage muss der Sensor über einen längeren Zeitraum einer denkbar ungünstigen Umgebung widerstehen: Temperaturen bis zu 200 °C, Drücke bis 2000 bar und Kontakt mit Kraftstoffen, Ölen oder Kraftstoff-Luft-Gemischen.
Verschiedene Anwendungen
Die Anzahl der Anwendungen ist stetig steigend. So wird beispielsweise die Sekundärbewegung der Kolben bei den verschiedenen Arbeitstakten gemessen. Mehrere Sensoren sind dafür direkt in den Kolben integriert, sodass sie eine ebene Oberfläche mit der Kolbenwand bilden. Die Kabel werden entlang der Pleuelstange und der Antriebswelle über eine Schwinge nach draußen geführt. Direkt im Betrieb, und insbesondere wenn der Motor Leistung erzeugt, kann so unter Belastung festgestellt werden, ob der Kolben im Zylinder beispielsweise zuviel Spiel hat und dies die Lebensdauer beeinträchtigen würde.
Für die Visualisierung der Bewegung der Kolbenringe werden die Sensoren in das Motorgehäuse integriert. Werden sie an anderer Stelle im Motorgehäuse verbaut, kann beispielsweise die Ausdehnung der Zylinderkopfdichtung während des Arbeitstaktes getestet werden. Bei jeder Zündung eines Zylinders entstehen Drücke bis 50 bar, die einen fest verschraubten Zylinderkopf minimal anheben. Diese Bewegung wird von der Zylinderkopfdichtung kompensiert, weshalb man auch vom „Atmen der Zylinderkopfdichtung“ spricht. Wie weit sich der Zylinderkopf bewegt, erfassen die Wirbelstromsensoren. Die Daten geben Aufschluss über die Haltbarkeit der Dichtung und bewahren Kunden vor fatalen Motorschäden.
Interessant ist auch die Messung des Schmierspalts in der Kurbelwellenlagerung. Miniatursensoren werden dazu in das Lager integriert. Sie messen die Distanz durch die Lagerhalbschale auf die Kurbelwelle. So kann festgestellt werden, ob genügend Öl die Welle im Lager schmiert. Sollte der Ölfilm reißen, muss die Distanz zur Welle nahe Null sein. Denn durch die Viskosität des Öls ist ein bestimmter Mindestabstand von Lager zur Welle erforderlich.
Im Motor selbst lässt sich mit Sensoren noch einiges mehr messen, beispielsweise die Axialbewegung der Kurbelwelle oder die Ölfilmdicke am Pleuellager. Auch der obere Todpunkt der Kolbenbewegung und die Bewegung der Ventile können gemessen werden.
Drehzahlüberwachung im Turbolader
Turbolader sind heutzutage praktisch in jedem Dieselfahrzeug zu finden. Wichtig für ihre Leistung ist neben dem Winkel der Leitschaufeln auch die Drehzahl der Schaufeln am Turbinenrad. Dazu wird die Rotation der Schaufeln stirnseitig mit einem speziellen Sensor gemessen. Der Sensor befindet sich direkt im Turboladergehäuse und besitzt etwa 1,5 mm Abstand zu den Schaufeln. Der gering anmutende Abstand gilt in dieser Applikation als sehr groß.
Wegen zunehmend wachsender Materialbelastung und steigender Drehzahlen wird mehr und mehr auf Titanschaufeln gesetzt. Da Titan ein sehr schlechter elektrischer Leiter ist, stellt dies eine messtechnische Herausforderung dar. Wirbelstromsensoren sind daher nicht ohne weiteres an Titan anwendbar. Bei variierenden Drehzahlen von 200 bis 400 000 ist es äußerst schwierig, diese präzise zu erfassen. Durch besondere Linearisierung und eine leistungsfähige Elektronik gelingt es Micro-Epsilon dennoch, diese Drehzahl im gesamten Drehzahlbereich präzise zu messen.
Nadelbewegung des Kraftstoffinjektors
Moderne Motoren setzen zum Einbringen des Kraftstoffs in den Verbrennungsraum Injektoren ein. Sie zerstäuben den Kraftstoff direkt im Zylinder. Ein Injektor fungiert stark vereinfacht als Ventil bestehend aus einer Hülle, einer darin befindlichen Nadel und einer Steuereinheit für die Nadel. Wird die Nadel zurückbewegt, wird Kraftstoff in den Motor gespritzt. Um Kraftstoff einzusparen und die Abgasemissionen von Motoren zu reduzieren ist es wichtig, dass genau die richtige Menge an Kraftstoff zum exakt festgelegten Zeitpunkt eingespritzt wird. Anders ausgedrückt: Die Düsennadel darf sich nur für eine definierte Zeit und einen bestimmten Weg bewegen. Die Bewegungen werden dabei immer schneller, da heute bis zu fünf Einspritzungen pro Zündvorgang erfolgen.
Auch für diese Applikation wird ein Wirbelstromsensor verwendet. Er wird in den mittleren Bereich des Injektors integriert und misst von dort direkt auf die Düsennadel. Der Sensor übersteht in dieser Position Drücke bis 700 bar. Mit den gewonnenen Daten wird die Steuerung für die Düsennadelbewegung optimiert, so dass der Verbrauch des Motors reduziert werden kann.
Micro-Epsilon; Telefon: 08542/168-139; E-Mail: reinhold.hoenicka@micro-epsilon.de

Wirbelstrom als Messprinzip
Das Wirbelstromprinzip beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis, die zur Induktion von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen metallischen Messobjekt erforderlich ist. Nähert man einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Spule eine Metallplatte an, so werden über das elektromagnetische Spulenfeld in dieser Platte Wirbelströme induziert. Das Eigenfeld dieser Wirbelströme ist gemäß der Lenz’schen Regel dem Erregerfeld entgegengerichtet. Der damit herbeigeführte Energieentzug bewirkt eine Änderung des Wechselstromwiderstandes der Sensorspule als Funktion des Abstandes zum Messobjekt (Metallplatte). Aus dieser Größe lassen sich durch Demodulation abstandsabhängige Signale ableiten.
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