Prüfstand Motor, Bild: Keller

FPT Motorenforschung ist ein Forschungs- und Entwicklungszentrum von FPT Industrial, in dem an insgesamt 30 Prüfständen Motoren untersucht werden. Bild: Keller

"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. Dafür brauchen wir genaue Messgeräte, die auch unter den speziellen, teilweise stark wechselnden und rauen Bedingungen innerhalb des Motors exakte und zuverlässige Ergebnisse liefern“, erklärt Rainer Linsenmeyer, Leiter des Bereichs Test Engineering / Electronic Measurement bei der FPT Motorenforschung. Das Unternehmen legt die Schwerpunkte der Entwicklung auf die Reduktion der Abgasemissionen, die hohe Leistungsdichte, die tiefen Kraftstoffverbrauche, die lange Lebensdauer sowie die 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 Anforderungen der Motorenprüfung zu erfüllen, hat Keller die Serie M5 entwickelt. Diese sind an verschiedenen Stellen des Motors bei der Prüfung im Einsatz. Für eine gute Analyse der Druckverhältnisse beziehungsweise 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 soweit wie möglich zu vermeiden. Auch an der Auslassseite kann es durch die Verbrennungsgase der einzelnen Zylinder zu einer unerwünschten Wechselwirkung von Druckstößen und 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 und 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 M5-Sensors wurden diese Anforderungen 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 nach Schutzart IP67, um äußere Einflüsse auf das Kabel zu minimieren. Allgemein ist die Elektronik extern angebracht und kann daher in einem beruhigten Bereich platziert werden.

Ultraschnelle Miniatur-Druckaufnehmer

Röntgenbild eines Motors, Bild: Keller
Beeindruckender Einblick: Das Röntgenbild eines Motors. Bild: Keller

Die Drucksensoren der Serie M5 HB zeichnen sich 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 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, als 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 Serie M5 ist mit und ohne Elektronik erhältlich. Bei der Entwicklung der Elektronik legte das Team von Keller höchsten Wert auf die Signaltreue bis zur Grenzfrequenz von 50 kHz. Die Drucktransmitter M5 HB (das heißt mit Elektronik) wurden gemäß den technischen Spezifikationen von FPT Motorenforschung optimiert und sind nun seit über zwei Jahren im Einsatz.

Die Verwendungsmöglichkeiten in der Motorenforschung

Bei der FPT Motorenforschung werden die M5-Sensoren mit Elektronik flächendeckend an den Motorenprüfständen genutzt. FPT misst beispielsweise in Öl-, Kraftstoff- und Wasserpumpen, Injektoren-Leitungen, 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.

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 in Frage. Der M5-Sensor erfüllt die Bedingungen bestens. Ein besonderer Vorteil ist, dass sich die Öffnungen für die Sensoren nach dem Test durch einen einfachen M5-Stopfen wieder sehr nahe am Originalzustand verschließen lassen. Somit werden die Resultate anderer Prüfungen nicht durch eine Veränderung des Systems verfälscht. Wir freuen uns, mit dem M5-Sensor ein zuverlässiges Messinstrument für verschiedene Einsatzszenarien auf unseren Prüfständen gefunden zu haben“, so Rainer Linsenmeyer. jl

Motorenprüfstand, Bild: Keller
Wichtig ist in einem Motorenprüfstand eine hohe Genauigkeit und Dynamik der Messung, die mit absoluten Sensoren durchgeführt wird. Bild: Keller

Technik im Detail

M5-Serie

Die Serie ist eine Kombination aus einem neuen Sensor für statische und hochdynamische Messungen (bis 50 kHz), Betriebstemperatur-Bereich (bis 180 °C), Messgenauigkeit (±0,1 %FS), Baugrösse (M5-Anschluss) und abgesetzter, präziser Signalaufbereitung (0…10 V). Der Schlüssel zur Messung hochdynamischer Druckänderungen liegt bei der möglichst direkten Ankopplung des Sensorelements an das Medium. Dafür haben die Entwickler eine mikromechanische Lösung gefunden, ohne dämpfende Trennmembran oder Kapillarleitung sowie ohne Dicht- oder Klebstoffe. Bei der Serie M5 ist der Siliziumsensor mit seiner Rückseite auf ein fliessdynamisch optimiertes Trägerelement gelötet, das frontbündig im Druckanschluss fixiert wird. Diese Konstruktion ermöglicht dynamische Messungen mit einer Bandbreite von 0…50 kHz und hat zahlreiche zusätzliche Vorteile. Dazu zählen Entkopplung von Montagekräften und Körperschall, die weitreichende Medienkompatibilität sowie die Langlebigkeit durch Oxid-Schutzschichten. Weiter bietet die Serie eine Überdrucksicherheit bis zum Fünffachen des Messbereichs und den Druckanschluss mit lediglich Ø 5 mm Außengewinde für Messungen an schwer zugänglichen Stellen.

Die Drucksensoren der M5-Serie sind für Betriebstemperaturen zwischen -40 °C und +180 °C mit einem engen Gesamtfehlerband (also einschließlich Temperaturfehler) von ±1 % spezifiziert. Ohne den abgesetzten Signalumformer werden sie mit der typischen Spanne des Ausgangssignals von 80 mV (bei1 mA Versorgung) und individuellem Kalibrierzertifikat geliefert. Für Absolutdruckmessungen stehen die Messbereiche 3, 10 und 30 bar zur Verfügung. Durch die Trennung von Drucksensor und Signalumformer sind ortsnahe Messungen auch in dicht aufgebauten Aggregaten mit hoher Temperaturbelastung möglich.

Um den weiten Dynamikbereich des piezoresistiven Drucksensors von 50 kHz nicht auszubremsen, haben die Entwickler auf die Digitalisierung des Messsignals zur Aufbereitung verzichtet. Vielmehr wird der rein analoge Signalpfad durch die vollständig Mikroprozessor-gesteuerte Kompensationselektronik in Echtzeit justiert. So behält das auf 0…10 V verstärkte Ausgangssignal die volle Dynamik des Sensorsignals. Der Abgleich der Messkette aus Drucksensor

und Signalumformer erfolgt im Werk nach Ermittlung der individuellen Kalibrierparameter. Auch der Temperaturbereich zum Betrieb der abgesetzten Elektronik erfüllt mit -40…+125 °C aussergewöhnliche Anforderungen wie sie etwa an Motorenprüfständen zu finden sind.