Wegmessung zur Motoroptimierung

Verbrennungsmotore der heutigen Zeit sind auf hohe Leistung bei geringer Umweltbelastung getrimmt. Dabei wird der Interaktion der einzelnen Bauteile eine immer wichtigere Rolle zugeordnet. Eine Herausforderung ist es, diese Interaktion am laufenden Motor zu überwachen. Es herrschen enorme Drücke und Temperaturen, viele Teile befinden sich in Bewegung und es bestehen kaum Möglichkeiten einen Sensor zu integrieren.

Nur wenige Sensoren werden diesen Anforderungen gerecht. Die Firma Micro-Epsilon aus Ortenburg beweist sich nun schon seit mehreren Jahren als zuverlässiger Messtechniklieferant für die Motorentwicklung. Dabei werden in interessanten Entwicklungsprojekten immer neue Möglichkeiten gefunden, den Wirkungsgrad der Verbrennungsmotoren zu steigern. Die hierfür in Frage kommenden Sensoren basieren auf dem Prinzip der Wirbelstromtechnik. Dabei wird durch eine Spule ein konstanter Wechselstrom geleitet, worauf sich ein elektromagnetisches Feld um die Spule ausbildet. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Feld werden darin Wirbelströme induziert. Sie wirken dem Erregerfeld entgegen und beeinflussen die Impedanz der Spule. Aus dieser messbaren Größe lasse sich durch Demodulation abstandsabhängige Signale ableiten.

Die Wirbelstromsensoren von Micro-Epsilon messen Wege, Distanzen, Positionen und Abstände submikrometergenau. Diese Sensoren werden nun schon seit vielen Jahren in zahlreichen Fällen am Verbrennungsmotor eingesetzt. Dabei entstanden besondere Wirbelstrom-Miniatursensoren, von denen der Kleinste nur 2 mm Außendurchmesser besitzt. Damit vertreibt das Unternehmen weltweit die kleinsten Wirbelstromsensoren. Die Distanz zwischen Controller und Sensor lässt sich auf 15 m beziffern. Dadurch kann der Controller während einer Messung in der Fahrgastzelle montiert werden. Zudem befinden sich die Bedienelemente des Controllers innerhalb des Gehäuses. Das Controllergehäuse ist absolut dicht und resistent gegenüber Öle, Wasser und Schmutz.

Die Anzahl der Anwendungen ist stetig steigend. So wird bspw. die Querbewegung der Kolben festgestellt, die Bewegung der Kurbelwelle detektiert oder der Lagerspalt der Antriebswelle gemessen, auch die Ausdehnung der Zylinderkopfdichtung wird überwacht.

Zusätzlich zum Motor werden weitere wichtige Aggregate überwacht. So hat Micro-Epsilon einen speziellen Sensor für die Drehzahl des Turboladers entwickelt.

Turbolader sind heutzutage besonders interessant, da sie praktisch in jedem Dieselfahrzeug zu finden sind. Wichtig für die Leistung eines Turboladers ist neben dem Winkel der Leitschaufeln auch die Drehzahl der Schaufeln am Turbinenrad. Dazu wird die Rotation der Schaufeln stirnseitig gemessen. Wegen zunehmend wachsender Materialbelastung und steigender Drehzahlen wird mehr und mehr auf Titanschaufeln gesetzt, was eine messtechnische Herausforderung darstellt.

Titan ist ein sehr schlechter elektrischer Leiter. Wirbelstromsensoren sind daher nicht ohne weiteres an Titan anwendbar. Bei variierenden Drehzahlen von 200 bis 400.000 ist es äußerst schwierig, diese präzise zu erfassen. Durch eine besondere Linearisierung und eine aufwendige Elektronik gelingt es Micro-Epsilon dennoch diese Drehzahl im gesamten Drehzahlbereich präzise zu messen.