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16.11.2018

Drucksensoren-Serie M5 von Keller für die Motorenprüfung

Motoren auf dem Prüfstand

Auf Prüfständen werden Motoren auf alle Variablen getestet, die Einfluss auf die Funktionsfähigkeit haben. Dafür setzt der Motorenentwickler genaue Messgeräte ein, die auch unter den speziellen, teilweise stark wechselnden und rauen Bedingungen innerhalb eines Motors exakte und zuverlässige Ergebnisse liefern.

Prüfstand: Motoren werden auf alle Variablen getestet, die Einfluss auf ihre Funktionsfähigkeit
haben (© FPT)

Die FPT Motorenforschung AG in Arbon/Schweiz entwickelt Motoren für die Fahrzeuge und Maschinen des Powertrain-Segments von CNH Industrial. An insgesamt 30 Prüfständen werden die Motoren eingehend untersucht.

"Die Motoren, die wir in unserem Werk entwickeln und prüfen, erfüllen höchste Qualitätsanforderungen hinsichtlich Material, Emissionen und Effizienz. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, müssen wir auf unseren Prüfständen die Motoren auf alle Variablen testen, die Einfluss auf die Funktionsfähigkeit haben", erklärt Rainer Linsenmeyer, Leiter des Bereichs Test Engineering/Electronic Measurement bei der FPT Motorenforschung AG (Bild 1). Dafür brauche der Motorenentwickler genaue Messgeräte, die auch unter den speziellen, teilweise stark wechselnden und rauen Bedingungen innerhalb des Motors exakte und zuverlässige Ergebnisse liefern.

Motorenprüfung mit besonderen Anforderungen

FPT Motorenforschung legt die Schwerpunkte der Entwicklung auf die Reduktion der Abgasemissionen, hohe Leistungsdichte, tiefe Kraftstoffverbrauche, lange Lebensdauer sowie maximale Zuverlässigkeit. Die Effizienz eines Motors hängt stark davon ab, wie drosselfrei die Luft in den Verbrennungsraum hinein- und die Abgase wieder herausströmen können. Der Druckbereich liegt dabei unter 10 bar. Wichtig ist vor allem eine hohe Genauigkeit und Dynamik der Messung, die mit absoluten Sensoren durchgeführt wird.

Um diese besonderen Anforderungen der Motorenprüfung zu erfüllen, hat die Keller AG aus Winterthur/Schweiz die Drucksensoren-Serie M5 entwickelt. Diese Sensoren sind an verschiedenen Stellen des Motors bei der Prüfung im Einsatz. Für eine gute Analyse der Druckverhältnisse bzw. Druckverluste ist es wichtig, an der Einlassseite so nah wie möglich an den einzelnen Zylindern zu messen.

Eine zusätzliche Herausforderung ergibt sich durch die unterschiedliche Geometrie des Ansaugkollektors, weil dadurch die Zylinder unterschiedlich mit Luft versorgt werden. Dies gilt es so weit wie möglich zu vermeiden. Auch an der Auslassseite kann es durch die Verbrennungsgase der einzelnen Zylinder zu einer unerwünschten Wechselwirkung von Druckstößen bzw. Pulsationen kommen. Die Drucksensoren messen diese Vorgänge an Einlass- und Auslassseite ortsnah und phasentreu.

Im Bereich der Motorenprüfung ist es wichtig, dass die Sensoren unempfindlich gegen Körperschall sind, da die Geräusche bzw. Vibrationen des Motors nicht mitgemessen werden sollen. Der Messzugang sollte nach der Messung mit einem Verschlussstopfen verschlossen werden können und möglichst geringe Strömungseinflüsse aufweisen.

Zudem können bei dieser Applikation Ausgleichsströme durch die Motorbatterie von bis zu 40 A erreicht werden, die den Sensor nicht beeinflussen dürfen. Bei der Entwicklung des Sensors wurden diese Anforderungen konsequent umgesetzt. Darüber hinaus verfügt der Drucktransmitter über weitere Eigenschaften, die in diesem speziellen Einsatzgebiet von Vorteil sind.

Im Medienbereich sind keine Bonddrähte notwendig. Zwischen Sensor und Elektronik gibt es keine Stecker. So werden zusätzliche Übergangswiderstände und Fehlerquellen ausgeschlossen. Die Kabeleinführung ist hermetisch dicht (IP67), um äußere Einflüsse auf das Kabel zu minimieren. Allgemein ist die Elektronik extern angebracht und kann daher in einem beruhigten Bereich platziert werden.

Drucksensoren mit hoher Signaltreue

Die Drucksensoren dieser Serie zeichnen sich laut Hersteller durch besonders schnelle und präzise Messungen mit einer Genauigkeit von 0,1 % FS bis 180 °C aus. Der Druckanschluss mit dem M5-Feingewinde ist für statische sowie dynamische Messungen, beispielsweise von Druckpulsationen, ausgelegt. Aufgrund der Miniatur-Bauform eignen sich diese Sensoren auch für ortsnahe Messungen.

Wichtige Eigenschaften des Sensors sind das sehr geringe Totvolumen sowie ein gutes Entlüftungsverhalten. Die angewendete Rückseitentechnologie ohne Übertragungsmedium wird zudem verwendet, um die Dämpfung des Messsignals zu minimieren. Dabei wurde auf Dicht- und Klebestoffe wie auch auf Kapillarleitungen vollständig verzichtet.

Damit die Strömungsverhältnisse nicht unnötig beeinflusst werden, sollte der Prozessanschluss so klein wie möglich sein und auch von der Handhabung her problemlos in Leitungen mit geringem Durchmesser eingebaut werden können. Dementsprechend ist auch die Masse des Sensors sehr gering und verträgt große Beschleunigungswerte.

Die Sensor-Serie ist mit und ohne Elektronik erhältlich. Bei der Entwicklung der Elektronik legte das Team des Drucksensorhersteller höchsten Wert auf die Signaltreue bis zur Grenzfrequenz von 50 kHz. Die Drucktransmitter M5 HB (mit Elektronik) wurden gemäß den technischen Spezifikationen von FPT optimiert und sind seit über zwei Jahren im Einsatz.

Sensoren mit vielfältigen Einsatzgebieten

Bei FPT Motorenforschung werden die Sensoren mit Elektronik flächendeckend an den Motorenprüfständen genutzt. Das Unternehmen misst damit beispielsweise in Öl-, Kraftstoff- und Wasserpumpen, Injektorenleitungen, Ladeluftkühlern, Wärmetauschern sowie in Ansaug- und Auslasskanälen. Aus der Erfassung der Druckverhältnisse lassen sich Druckschwankungen, Druckspitzen oder allgemein ungewöhnliche Druckverhältnisse erkennen. Aufgrund dieser Werte können die Ingenieure noch einmal in das Design eingreifen. Die Bauteile und Parameter der ECU (Steuergerät) können dabei weiter optimiert werden.

Blaues Röntgenbild eines Automobil-Motors (© Shutterstock, X-RAY pictures)

Die gewonnenen Daten vereinfachen die Extrapolation der dynamischen Verhältnisse innerhalb der Motoren. Ein Pascal-Druckverlust bei einem Volumenstrom von 1 m3 /s – in diesem Bereich bewegen sich die Ansaugluftmengen von großen Lastwagenmotoren – ergibt beispielsweise 1 Watt Verlustleistung. Dies bedeutet in der Praxis, dass ein Druckverlust von 50 Millibar allein 5 kW an Strömungsverlust verursacht. Um die Effizienz des Motors zu steigern, muss dieser Wert folglich so gering wie möglich gehalten werden.

Ein weiterer Einsatzbereich sind die Rücklaufleitungen der Injektoren. Aufgrund ihrer Bauart verursachen Injektoren durch Leckage und Kühlung einen Rückfluss. Die Druckverhältnisse in dieser Leitung werden ebenfalls gemessen und optimiert. Der Druckbereich liegt bei 1 bis 5 bar. Auch der Öldruck ist für die Effizienz der Motoren entscheidend. Bei niedrigen Drehzahlen ist dieser in Motoren in der Regel zu niedrig, bei hohen Drehzahlen hingegen eher zu hoch.

"Für die Messung des Öldrucks war es besonders wichtig, einen Sensor mit kleiner Bauform zu finden. Denn je kleiner dieser ist, desto geringer ist auch der Einfluss auf die wahren Strömungsverhältnisse. Außerdem ist der Einbauort bei dieser Applikation oft sehr eng, ein Standard-Sensor kam da gar nicht infrage", stellt Rainer Linsenmeyer fest.

Keller AG für Druckmesstechnik
www.keller-druck.com

Unternehmensinformation

Keller AG für Druckmesstechnik

St. Gallerstr. 119
CH 8404 WINTERTHUR
Tel.: +41 52 2352525
Fax: +41 52 2352500

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