Sensoren

Multitalent für die Motorenentwicklung

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Multitalent für die Motorenentwicklung

Wenn die verschärfte Abgasnorm EURO 7 kommt, müssen Autobauer ihre Bemühungen zur Optimierung der Verbrennungsmotoren weiter vorantreiben. Vor allem durch Entwicklungen am Ventilhub können hier weitere Verbesserungen und Schadstoffreduzierungen erzielt werden. Unterstützung bringt das Ventilhubmesssystem von Sensitec.

Die Messung des Ventilhubs oder der Ventilrotation direkt im befeuerten Motor unter realistischen Betriebsbedingungen gehört zu den anspruchsvollsten Messungen im Antriebsstrang des Verbrennungsmotors. Bislang konnte das Verhalten der Ventile in der Prüfstandstechnik nur simuliert oder im geschleppten Betrieb unter nicht realen Bedingungen gemessen werden. Dies schränkt die Qualität dieser Messungen erheblich ein.

Sensitec bietet die neue VTMS-Lösung (Valve Train Measurement System) auf der Basis von Riesenmagnetoresistiven (GMR) Sensoren an, um die Optimierung der Ventiltriebsdynamik in befeuerten Motoren zu ermöglichen. Die Unterschiede zwischen idealem und realem Ventilöffnen und -schließen können zusammen mit der realen Ventilsteuerung bewertet werden. Dies liefert zum ersten Mal vollständige Informationen über den Gasaustausch sowie das Schwingungsverhalten des Ventiltriebs, und dies ist bei gleicher Genauigkeit deutlich preisgünstiger als auf Laservibrometer basierende Systeme.

Die GMR-Sensoren enthalten einen Stützmagneten und verwenden eine feine Zahnstruktur auf dem Ventilschaft als Mess-Skala. Wenn sich der Ventilschaft bewegt, entsteht eine Modulation des vom Stützmagneten erzeugten Magnetfeldes, Diese Modulation wird in eine hochpräzise Weginformationen übertragen. Die Sensoren sind extrem klein und sehr robust, da sie mit Sensoren verwandt sind, die im Mars-Rover "Perseverance" verwendet werden. Sie halten nachweislich den hohen Temperaturen und der hohen mechanischen Belastung in der Motortestumgebung stand. Gemessen werden können Ventilhub oder Ventildrehung in Echtzeit mit einer Auflösung von 0,25 µm und einer Genauigkeit von besser als 10 µm bei Lineargeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s. Phänomene wie Prellen und Lofting werden mit hoher Auflösung sichtbar.

Die VTMS-Lösung eignet sich für Stahl- und Titanventile und wird von führenden OEMs erfolgreich für die Entwicklung von PKW- und Nutzfahrzeugmotoren und zunehmend auch im Motorsport genutzt, z. B. für die Formel 1, Indy-Car, NASCAR und WEC-Motorenentwicklung. Aktuelle Anwendungen finden sich zunehmend bei Schiffsmotoren oder Energie Backup Generatoren.

Ergänzt wird das VTMS-System mit der Auswerteeinheit Multi-Channel-Box, die auf bis zu 32 Messkanäle erweiterbar ist und eine hohe Auflösung bietet. Über die Benutzeroberfläche erhält der Anwender die erforderlichen Messfunktionen mit entsprechendem Messkomfort. Das System unterstützt zudem einige zusätzliche Sensoren von Sensitec, wie z. B. Drehzahlsensoren, um eine einfache Zuordnung der Ventilstellung zur Nocken- oder Kurbelwellenposition zu ermöglichen. Die Abtastfrequenz liegt bei 1 MHz.

Die Ventilstellung wird mit einer Auflösung von besser als 1 μm erfasst und der Positionswert in Echtzeit als analoge Spannung ausgegeben. Das System ermöglicht eine zuverlässige Erfassung der äußerst schnellen Ventilbewegung. Die maximale Hubbewegung wurde erweitert und die Funktionalität zur Messung der Ventildrehung ist vollständig integriert. Je nach Anzahl der Kanäle stehen verschiedene Gehäusesysteme zur Auswahl. Dies vereinfacht die mechanische Integration in die bestehende Umgebung.

Ausblick

Auch wenn die Antriebstechnik in den nächsten 10 Jahren einen Wandel vollziehen wird und die Zahl der reinen E- oder Hybridmotoren steigen wird, gibt es weiterhin ernste Bestrebungen, fossile Kraftstoffe durch E-Fuels oder Wasserstoff zu ersetzen, um den Verbrennungsmotor in seinem Grundkonzept nachhaltig weiter verwenden zu können, ohne den Klimazielen zu widersprechen. Auch hier sind grundsätzliche Änderungen am Ventiltrieb notwendig, für die es bislang keine Simulationsmodelle gibt und die daher in Realtime gemessen werden müssen. Batteriebetriebene Antriebe werden in absehbarer Zeit keine Großmotoren ersetzen. Maritime und Lastkraft-Anwendungen sowie Backup-Stromversorgungen in Rechenzentren erfordern weiterhin fossil betriebene Verbrennungsmotoren. Dabei werden große Anstrengungen unternommen werden, die Antriebe zu optimieren und mit Hilfe moderner Messtechnik in eine neue Zeit zu führen.

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