Zylinderdruckmessung

Was ist eine Zylinderdruckmessung?

Die Zylinderdruckmessung ist die Grundlage der Zylinderdruckindizierung: einer messtechnischen Methode zur Messung und Analyse des Druckverlaufs im Zylinderinnenraum von Hubkolben-Verbrennungsmaschinen.

Die Messung des Zylinderinnendrucks wird aufgrund der hohen Drücke auch „Hochdruckindizierung“ genannt. Die sogenannte „Niederdruckindizierung“ ist eine ergänzende Zylinderdruckmessung. Sie wird während der Ladungswechselphase durchgeführt, um den Druck im Ein- und Auslasssystem zu ermitteln. Um den jeweilig gemessenen Druck einer bestimmten Arbeitsphase des Verbrennungsmotors zuordnen zu können, werden Kolbenstellung (Kurbelwinkel) oder Zeit mit in die Berechnung einbezogen.

Diese Verfahren liefern die Daten, die für die Forschung, Entwicklung und Abstimmung von Motoren erforderlich sind. Sie sind auch die wesentliche Grundlage auf der Motorenhersteller die zunehmend stringenter werdenden Abgasgesetze einhalten und den Wirkungsgrad ihrer Motoren optimieren können. 

Der mittels Zylinderdruckmessung ermittelte Verlauf des Zylinderdrucks ist die wichtigste Informationsquelle für die Zylinderdruckindizierung. Die Zylinderdruckindizierung führt zu genaueren Erkenntnissen über die thermodynamischen Vorgänge während der Verbrennung und über die erbrachte Motorleistung. Effekte hiervon abgeleiteter Maßnahmen zur Motoren-Optimierung sind:

• Ein verbesserter Wirkungsgrad
• Eine höhere Motorleistung
• Eine Reduzierung der Emissionen
• Eine längere Motorlebensdauer

Wo kommt die Zylinderdruckmessung zum Einsatz?

Die Zylinderdruckmessung kommt zur Anwendung bei:

• Automobil, Motorrad und Nutzfahrzeugmotoren
• Maritimen Großmotoren, z.B. 2-Takt- und 4-Takt-Dieselmotoren in der Schiffsindustrie
• Stationärne Großmotoren, z.B. Hochleistungsmotoren für Kraftwerke

Welche Messtechnik findet bei der Zylinderdruckmessung Anwendung?

Die Zylinderdruckmessung erfolgt überwiegend mittels piezoelektrischer Hochtemperatur-Drucksensoren, die über eine speziell vorzunehmende Bohrung im Zylinderkopf eingebaut werden. Zur Anwendung kommen auch Messzündkerzen mit integriertem Hochtemperatur-Drucksensor. Da sich diese einfach anstelle einer Standardzündkerze einschrauben lassen, erübrigt sich hier eine Bohrung. Beim Dieselmotor kann die Messung auch über spezielle Glühkerzenadapter erfolgen.

Die Messkette wird über einen Ladungsverstärker, ein Datenerfassungssystem sowie ein Auswertesystem vervollständigt. Im Automotive-Bereich finden sich auch innovative Indiziersysteme, die die Datenerfassung und -auswertung in einem Gerät vereinen und am Prüfstand wie auch mobil eingesetzt werden können. 

Warum ist die Messung des Verlaufs des Zylinderdrucks so wichtig?

Der mittels Zylinderdruckmessung ermittelte Verlauf des Zylinderdrucks ist die wichtigste Informationsquelle für die Zylinderdruckindizierung. Hubkolben-Verbrennungsmotoren sind vom Grundsatz her Wärmekraftmaschinen: Sie wandeln die im Kraftstoff-Luft-Gemisch gebundene chemische Energie durch Verbrennung im Wesentlichen in mechanische Arbeit und Wärme um. 

Ziel der Entwickler ist es, einen möglichst hohen Anteil an mechanischer Arbeit aus dem Umwandlungsprozess zu erhalten, also den Wirkungsgrad zu maximieren. Von signifikanter Bedeutung sind dabei die Höhe und der Verlauf des Zylinderdrucks über dem Kurbelwinkel, der auf den Kolben einwirkt. Dieser Druckverlauf ist repräsentativ für die Verbrennung und damit für die Art und Weise, wie Energie im Motor umgewandelt wird. Die gesamte, während eines Arbeitsspiels oder Taktes summierte mechanische Arbeit am Kolben ergibt sich aus dem Druck und der zugehörigen Volumenänderung des Brennraums.

Welches sind die Kenngrößen des Zylinderdruck-Verlaufs?

Wesentliche Kenngrößen sind dabei sowohl die Signalhöhe (Spitzendruck) als auch der indizierte Mitteldruck über ein Arbeitsspiel.

Wie wird die optische Indiziermesstechnik zur Zylinderdruckmessung eingesetzt?

Die optische Indiziermesstechnik bietet eine Ergänzung zur Zylinderdruckmessung und weitere Optionen zur Optimierung von Verbrennungsprozessen. Die Basis hierfür liefern hoch entwickelte optische Sonden, die den Ursprung des Verbrennungsklopfens sowie den Ursprung von Vorzündungsereignissen und auch die Rußbildung im Brennraum präzise erfassen. Diese optischen Zugänge können in alle Zündkerzentypen integriert werden. Weitere Systeme können Hochgeschwindigkeitskamerabilder zur Visualisierung schneller Subsystem-Prozesse, wie beispielsweise Einspritzereignisse und die Flammenausbreitung, integrieren.