Zylinderdrucksensoren für Effiziente Gas- und Dieselmotoren!

Aug 24, 2018 2:55:40 PM

Wie Zylinderdrucksensoren für eine Effizienzsteigerung bei Gas- und Dieselmotoren sorgen?

Der Dieselmotor steht seit einiger Zeit unter starker Beobachtung bezüglich seiner Verbrennungsprodukte, die eine Belastung für die Umwelt darstellen. Aus vielen Anwendungen ist der Dieselmotor allerdings auch mittelfristig nicht wegzudenken. So gibt es heute für den Schifffahrtsbetrieb, Notstromaggregate aber auch der Lastkraftverkehr noch keine alternativen Antriebskonzepte, die in naher Zukunft serienreif sind. Das bedeutet, dass vorhandene Möglichkeiten den Dieselmotor effizienter und bezüglich seiner Schadstoffemissionen sauberer zu machen, ausgeschöpft werden müssen. 

 

Zylinderdrucksensoren_Drucksensoren

 

Wie hat sich das Steuerungssystem des Verbrennungsvorgangs im Dieselmotor entwickelt?

Der Verbrennungsvorgang im Dieselmotor hat sich in den letzten Jahren sehr stark verändert. Systeme um den Einspritz- und Verbrennungsvorgang zu steuern sind mittlerweile in allen Dieselanwendungen implementiert. Eines der bekannten Systeme ist das Common Rail Einspritzsystem. In diesem System wird der Dieselkraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe auf 2500 bar komprimiert, um über ein Einspritzsystem zum richtigen Zeitpunkt direkt in die Brennkammer eingespritzt zu werden. Durch den hohen Druck und die richtigen Einspritzdüsen zerstäubt der Dieselkraftstoff sehr fein und hat damit eine optimale Verbrennungskonsistenz. Durch diesen optimierten Verbrennungsvorgang kann die Leistung des Dieselmotors gesteigert werden und zusätzlich eine Reduktion von Schadstoffemissionen erreicht werden. Die Verdichtung des Dieselkraftstoffs mit 2500 bar benötigt allerdings ein sehr komplexes System aus einer Hochdruckpumpe, einem Verteilsystem und verschiedenen Komponenten, um den Druck in dem System zu regeln. Konstante Druckparameter sind sehr wichtig, um das System, wenn es einmal eingestellt wurde, auch konstant über die Laufzeit der Motoren laufen zu lassen. 

 

Eine spezielle Technologie ist gefragt

Die Regelung des gesamten Drucksystems basiert auf einer Druckmessung in der Zuleitung (dem Rail) zu den einzelnen Zylinderköpfen. Diese Druckmessung fordert die Hersteller von Drucksensoren heraus, da die dort vorhandenen Drücke von bis zu 2500 bar weit entfernt sind von typischen Anwendungen. Es bedarf einer speziellen Technologie, die in der Lage ist diese Drücke zu messen und auch über Jahre hinweg konstant anzuzeigen. 

 

Engine_Pistons_Zylinderdrucksensoren

 

Die Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie: Eine innovative Lösung

Die Firma Trafag hat mit ihrer Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie eine Möglichkeit geschaffen Drucksensoren für den Einsatz als Common Rail Drucktransmitter einzusetzen. Die Dünnfilm-auf-Stahl-Technologie ist bisher die einzige Technologie, die den Anforderungen an diese Druckregelsysteme erfüllen kann. Über die Dimensionierung der Stahlmembranzelle kann der geforderte Druckbereich eingestellt werden. Durch eine Überdimensionierung der Membrandicke kann eine entsprechende Langzeitfestigkeit der Zelle sichergestellt werden. Die Herausforderung die nur sehr kleinen Signale, welche bei dieser Technologie entstehen, genau zu erfassen und dem Kunden zur Verfügung zu stellen, hat Trafag durch einen eigenen ASIC gelöst. 

 

Lesen Sie hier mehr über die allgemeine Funktionsweise von Drucksensoren!

 

Die Herausforderung der Zylinderdrucksensorenhersteller

Neben Drucksensoren für den Common Rail Einsatz gibt es außerdem die Möglichkeit den Verbrennungsprozess im Motor durch eine direkte Zylinderdruckmessung zu verbessern. Durch eine Zylinderdruckmessung kann der Verbrennungsvorgang im Zylinderraum exakt verfolgt werden und die Einspritzmenge und Zeit des Kraftstoffes daraufhin optimiert werden.

 

Die Zylinderdruckmessung ist die Königsdisziplin der Druckmessung. Um diese Herausforderung annehmen zu können, ist es notwendig den Verbrennungsprozess und die Randbedingungen sehr genau zu kennen. Eine der größten Herausforderungen ist es die thermischen Bedingungen zu erfassen und in einem Sensorkonzept zu berücksichtigen. Typische Drucksensoren neigen dazu, über die Temperatur ein spezielles Signaldriftverhalten zu zeigen. Dieses Signaldriftverhalten gilt es zu verstehen bei den dynamischen Vorgängen im Zylinderkopf. Eine weitere Herausforderung ist es den Sensor so zu dimensionieren, dass die Messmembran bei einer Beschädigung kein Leck bildet aus dem Kraftstoffe nach außen treten können und damit zu einer Gefahr für die Anwendung werden.

 

Zylinder_Drucksensoren_Dieselmotoren

 

Die Firma Trafag ist innovativ mit ihrem Drucksensor für Zylinderdruckmessung

Die Firma Trafag hat durch eine speziell patentierte Technologie einen Sensor entwickelt, der für eine Zylinderdruckmessung eingesetzt werden kann. Durch die Bildung einer Doppelmembran wird die Druckmessung thermisch entkoppelt, was zu einem optimalen Verhalten des Sensorsignals über den Temperaturbereich führt. Weiterhin verhindert diese Doppelmembran bei einer Überbelastung, dass Kraftstoff durch die zerstörte Membran austreten kann. Diese Sensorsysteme von Trafag sind in den ersten Anwendungen im Dauerlauftest und zeigen ihr Potential in diesen Anwendungen. 

 

Die Optimierung der Dieselmotoren ist noch nicht abgeschlossen und notwendig, um die Transferzeit von Antrieben mit fossilen Brennstoffen zu elektrischen Antrieben zu überbrücken.

 

eBook über Zylinderdrucksensoren bei Gas- und Dieselmotoren
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By Christoph Schanz

Trafag GmbH

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Mit diesem Blog möchten wir Wissen über Drucksensoren, Druckschalter und Gasdichtewächter  vermitteln.

 

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