Tech File: Neuer Zylinderdrucksensor hilft bei der Optimierung großer Motoren

Von Jürg Stadler • 9 Februar 2018

Optimierte Druckmessmethoden sparen Kraftstoff

Mit Hilfe von Zylinderdrucksensoren, die den Verbrennungsprozess präzise überwachen, kann der Wirkungsgrad von Großmotoren, wie sie beispielsweise auf Handelsschiffen zum Einsatz kommen, erhöht werden. Neben den bereits weit verbreiteten konventionellen Dieselmotoren gibt es einen zunehmenden Trend zu Gas- und Zweistoffmotoren (Diesel und Gas). Diese alternativen Motortypen sollen die Umweltverträglichkeit verbessern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch sowie die CO2-Emissionen reduzieren. Aber auch andere Folgen haben ihren Einsatz: Verbrennungsprozesse werden komplexer und müssen mit Hilfe der Zylinderdruckmessung (CLCC - Closed Loop Combustion Control) gesteuert werden. Die Überwachung von Verbrennungsprozessen zeigt Möglichkeiten auf, den Zylinderdruck zu optimieren. Beispielsweise kann ein Anstieg des Spitzendrucks um 1 bar den Kraftstoffverbrauch um bis zu 0,2-0,25 g / kWh senken.

Seit über 20 Jahren bietet der Marine- und Stationärbereich der Kistler Gruppe Komponenten und Systeme an, die die Zylinderdruckmessung als Grundlage für die Optimierung von Großmotoren auch für die Energieerzeugung nutzen. Das Lösungsportfolio von Kistler reicht von der regelmäßigen Motordiagnose über die laufende Betriebsüberwachung bis hin zu kundenspezifischen Sensoren für CLCC-Systeme.

Bei der Entwicklung von Großmotoren stehen die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Überwachung der Verbrennungsprozesse an erster Stelle. Zahlreiche große Motorenhersteller, Schiffbauer, Reedereien und Kraftwerksbetreiber vertrauen auf das Know-how zur Verbrennungsüberwachung, das Kistler über viele Jahre aufgebaut hat.

Robust und sehr genau

Der Hochleistungs-Zylinderdrucksensor Typ 6635A1 ergänzt das spezialisierte Messtechnik-Portfolio von Kistler. Dieser Sensor gewährleistet auch bei hohen thermischen Belastungen und schwingungsbedingten Beanspruchungen eine hochdynamische Signalerfassung mit exzellenter Messgenauigkeit. Der neue piezoelektrische Sensor von Kistler hat eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen, die ihn ideal für den Einsatz in großen Verbrennungsmotoren machen. Herzstück des neuen Sensors ist eine Weiterentwicklung des PiezoStar-Kristalls mit außergewöhnlichen Eigenschaften: Er kann beispielsweise bei Temperaturen bis 350 ° C eingesetzt werden. Der Typ 6635A1 hat auch eine patentierte Membranform, um Genauigkeit mit Stärke zu kombinieren. Ein weiteres Plus: Die durch die Flammenfront verursachten starken zyklischen Temperaturschwankungen werden durch die FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode) mit anschließender Prüfung und Validierung am Sensor optimiert. Die ebenfalls von Kistler patentierte Antistrain-Hülse sorgt für eine mechanische Entkopplung des Sensors vom Gehäuse, so dass auch bei höheren Drücken, die eine Verformung der Zylinderköpfe verursachen, ein stabiles Messsignal gewährleistet ist. Ein drittes kritisches Gestaltungsmerkmal ist die keramische Durchführung, die das Messelement hermetisch abdichtet.

Anstelle einer nichtpositiven Verbindung wird die erforderliche Signalübertragung im Millivolt- und Picoampere-Bereich über eine stoffschlüssige Verbindung realisiert, so dass keine beweglichen Teile wie Stecker vorhanden sind. Die Kombination aus einer geschweißten und einer gecrimpten Verbindung bietet eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Stöße, wie in Langzeittests deutlich gezeigt wurde. Um eine umfassende Validierung des neuen Sensors durchführen zu können, hat Kistler einen speziellen Testaufbau für Lebensdauerversuche entwickelt, der eine zeitversetzte Verfolgung der komplexen Spannungen in einem großen Motor ermöglicht. Die Testreihe zeigte, dass der neu entwickelte Zylinderdrucksensor Typ 6635A1 eine ausgezeichnete Haltbarkeit mit konstanten Messeigenschaften bietet - Eigenschaften, die eine langfristige Stabilität gewährleisten. Für eine aussagekräftige Validierung sind jedoch immer Feldversuche mit dem jeweiligen Motor erforderlich.

Hochempfindliches piezoelektrisches Element

Seit 1998 hat Kistler eigene PiezoStar-Kristalle entwickelt, die auf den eigenen fünfachsigen CNC-Maschinen in Winterthur, Schweiz, verarbeitet werden. Diese Kristalle gehören zur Familie der Calciumgallogermanate von quarzähnlichen Verbindungen wie Langasit (La3Ga5SiO14), die folgende Eigenschaften aufweisen:

Die neue Generation von Kristallen wurde speziell für die Zylinderdruckmessung optimiert. Sie sind sehr langlebig, da ihre Empfindlichkeit eine sehr geringe Abhängigkeit von der Temperatur hat und sie eine hohe elektrische Isolierung haben.

Der Autor

Jürg Stadler ist Leiter Motor Marine & Stationary bei Kistler.