In seinem Element: Neuer Zylinderdrucksensor für Großmotoren verschiebt Grenzen

Winterthur, Dezember 2019 – Mit dem innovativen Zylinderdrucksensor 6635A1 hat Kistler einen entscheidenden Schritt zur Verbesserung von Effizienz und Lebensdauer von Großmotoren getan. Der besonders robuste und genaue piezoelektrische Sensor mit integriertem Ladungsverstärker ermöglicht einen optimierten Motorbetrieb im geschlossenen Regelkreis.

Um die Effizienz von Großmotoren, wie sie etwa auf Schiffen zum Einsatz kommen, zu steigern und ihre Lebensdauer zu erhöhen, hat sich Closed Loop Combustion Control (CLCC) als geeignetes Verfahren etabliert. Dabei sind die für die kontinuierliche Messung des Zylinderdrucks benötigten Sensoren hohen Drücken und Temperaturen sowie starken mechanischen Schocks ausgesetzt. Bedingt durch den Trend zu immer höheren Mitteldrücken im Motor (MEP – mean effective pressure) wird die Robustheit des Drucksensors zu einer entscheidenden Größe; sie zu erhöhen geht jedoch fast zwangsläufig zulasten der Genauigkeit.

Der neue Zylinderdrucksensor 6635A1 wurde für den Einsatz in mittelschnell laufenden Motoren konzipiert und in enger Zusammenarbeit mit Motorherstellern entwickelt. Mit einer Reihe von innovativen Features ist es Kistler gelungen, das Wechselverhältnis von maximierter Einsatzdauer und größtmöglicher Genauigkeit zu optimieren:

• PiezoStar Kristall: Der von Kistler eigens gezüchtete piezoelektrische Kristall ist bis zu fünfmal empfindlicher als Quarz, sehr messstabil und kaum temperaturabhängig.
• Optimiertes Membran-Design: Die neue, patentierte Form des Sensor-Diaphragmas minimiert den Thermoschockfehler bei gleichzeitig sehr guten Messeigenschaften.
• Robuste Signalübertragung: Eine geschweißte Verbindung anstelle einer Steckverbindung sorgt für eine abnutzungsfreie und zuverlässige Signalübertragung auch bei starker Schock- und Vibrationsbelastung.

Simulation, Validierung und intensive Leistungstests

Bei der Entwicklung des Sensors kamen aufwendige Simulationen nach dem Finite-Elemente-Verfahren zum Einsatz. Dabei wurde der nach ersten Simulationen gebaute Prototyp in mehreren Schleifen mit dem Modell abgeglichen, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse verlässlich reproduziert werden können.

Der fertiggestellte Sensor wurde umfassenden Belastungs- und Lebensdauertests unterzogen. Dabei stellten sowohl die Nachbildung der rauen Umgebung eines Verbrennungsmotors als auch die erforderlichen Langzeittests – d.h. über mehrere tausend Betriebsstunden – nicht zu unterschätzende Herausforderungen dar. Entsprechend geeignete Hydraulik-Prüfstände, die Kistler eigens entwickelt hat, erlaubten jedoch die gleichzeitige Beaufschlagung mit Druck, Temperaturänderungen und mechanischen Belastungen bei hohen Wiederholraten.

Enge Zusammenarbeit mit Motorherstellern

Als unverzichtbar für die erfolgreiche Produktentwicklung hat sich nicht zuletzt die direkte Zusammenarbeit mit Motorherstellern erwiesen. Die Randbedingungen im Inneren des Motors, etwa was die optimale Positionierung des Sensors im Zylinderkopf betrifft, lassen sich nicht bis ins Detail vorhersagen bzw. simulieren. Je genauer die Kenntnisse des entsprechenden Motors sind, desto besser kann die Anpassung an die Sensorumgebung erfolgen.

Der neue Zylinderdrucksensor 6635A1 von Kistler kommt in Viertaktmotoren mit mittlerer Drehzahl zum Einsatz und ermöglicht eine zuverlässige Klopferkennung, Zylindergleichstellung und Mitteldruckberechnung. Er verfügt über einen Druckbereich bis 350 bar. Signalübertragung und Stromversorgung sind galvanisch entkoppelt; außerdem ist der Sensor zertifiziert nach EU RO Mutual Recognition, ATEX und IECEx.