Die Herztöne eines Verbrennungsmotors messen

So wie ein Arzt den Blutdruck eines Patienten misst, um dessen Gesundheitszustand zu bestimmen, misst ein Entwicklungsingenieur den Kurbelgehäusedruck eines Motors, um auf dem Prüfstand Einblick in dessen Zustand zu gewinnen. Eine Erhöhung des Drucks liefert nicht nur einen ersten Hinweis auf Verschleiß, sondern die Druckmessung ist entscheidend bei der Entwicklung von modernen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen (Positive Crankcase Ventilation = PCV), die den Abgasvorschriften entsprechen müssen.


Es ist wichtig festzuhalten, dass die Messung des Kurbelgehäusedrucks keine direkte Messung der Blow-by-Gasmenge ist, die mit einer Gasdurchflussrate in Standardkubikmeter pro Sekunde angegeben wird. 

 

Messung des Kurbelgehäusedrucks, um die Abnutzung von Zylinderlaufbuchse, Kolben und Kolbenring zu überprüfen 

Prototypen sind kostspielig, was daran liegt, dass sie in der Regel das Ergebnis eines aufwändigen Konstruktionsprozesses darstellen: Das Letzte, was ein Ingenieur erleben möchte ist, den Versuchsaufbau buchstäblich in Rauch aufgehen zu sehen. Um das Risiko zu minimieren, sind Prüfstände heutzutage mit einer Vielzahl von Sensoren zur Überwachung unter anderem des Öldrucks und der Umgebungstemperatur, der Abgastemperatur und insbesondere des Kurbelgehäusedrucks ausgestattet. 

In Prüfständen verwendete Kurbelgehäusedruck-Sensoren sind vor allem interessant, weil sie nicht nur in der Lage sind, relativ geringe Druckabweichungen zu messen, sondern auch weil sie über einen weiten Temperaturbereich stabil bleiben und dem Eintauchen in heißes Öl standhalten: Dies ist besonders wichtig, da der Sensor oft in der Ölwanne oder an dem Öleinfüllrohr montiert ist, wo er in direkten Kontakt mit heißem Motoröl kommt. 

Das System Kolben/Kolbenringe/Zylinder (Kolbengruppe) unterliegt extremen Belastungen wie z.B. hohen Reibungs- und Beschleunigungskräften; zudem entstehen bei der Verbrennung extreme Temperaturen und Druckverhältnisse. 

Unter diesen Bedingungen wird immer ein gewisser Spülstrom zurück in das Kurbelgehäuse gelenkt, aber mit zunehmendem Verschleiß der Komponenten wird auch der Druck im Inneren des Motors steigen. Dies ist das Grundprinzip der Kurbelgehäusedruck-Messung, die als erstes Anzeichen für Motorverschleiß beim Betrieb im Leistungsprüfstand oder anderen Prüfständen auftritt. 

Diese Erhöhung des Drucks im Kurbelgehäuse eines Kompressionszündungsmotors (Dieselmotors) kann katastrophale Folgen haben, weil infolgedessen oftmals der Ölrücklauf aus dem Kompressor einschränkt wird: Dadurch wird die Labyrinthdichtung undicht, was wiederum zu einem vollständigen Verlust der Schmierung der Lager führt. Trotz der Bedeutung der Zustandsüberwachung der Kolbengruppe, ist die Optimierung von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen durch eine genaue Messung des Innendrucks unerlässlich, um die Einhaltung von Emissionsvorschriften zu gewährleisten. 

 

Die Entwicklung des PCV-Ventils für eine sauberere Umwelt. 

In den frühen 1960er Jahren ermittelte General Motors Kurbelgehäuse- oder auch Blow-by-Gase als eine der Ursachen von Kohlenwasserstoff-Emissionen.

Sie entwickelten das PCV-Ventil, also ein Druckregelventil für das Kurbelgehäuseentlüftungssystem, um diese Emissionen zu reduzieren. So entstand das erste regelungstechnische Bauteil zur Emissionskontrolle, das in einem Fahrzeug verbaut wurde. 

Im Idealfall sollte der Kurbelgehäusedruck knapp über dem atmosphärischen Druck liegen, so dass ausreichend Druck vorhanden ist, um Staub und Feuchtigkeit aus dem Kurbelgehäuse auszuleiten, aber nicht so viel Druck, dass Öl durch Dichtungen hindurch gedrückt wird; oder bei einem Kompressormotor zu verhindern, dass Öl in die Ölwanne zurück fließt. 

Die erste Aufgabe beim Entwurf eines effektiven PCV-Ventils ist die Bestimmung des tatsächlichen Kurbelgehäusedrucks mithilfe eines hochwertigen Drucksensors, der speziell entwickelt wurde, um kleinste Druckunterschiede messen zu können, und gleichzeitig präzise wiederholbare Messergebnisse in einem großen Temperaturbereich zu liefern. 

Anhand der bei Leistungs- und Dauerhaltbarkeitstests gesammelten Daten sind Ingenieure in der Lage, die geeigneten Parameter für das PCV-Ventil zu bestimmen: 

  • Eine adäquate Querschnittsfläche, um für einen ausreichenden Gasdurchfluss im Kurbelgehäuse zu sorgen
  • Korrekte Betriebsdruckparameter, um einen unbehinderten Ölrücklauf bei Turbomotoren zu gewährleisten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines positiven Innendrucks. 

Zu guter Letzt wird der Prototyp eines Ventils auf einem wiederum mit Kurbelgehäusedruck-Sensoren ausgestatteten Prüfstand getestet, um dessen Leistungsfähig- und Dauerhaltbarkeit sowie die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten zu bestätigen. 

Dieser Entwicklungsprozess kann sich über Wochen erstrecken und einen erheblichen Teil der Entwicklungskosten ausmachen; das Letzte, was ein Hersteller erleben möchte, ist der Ausfall eines zentralen Sensors, da dies eine teilweise oder sogar vollständige Wiederholungsprüfung erforderlich machen würde. Aus diesem Grund verwenden OEMs während der Entwicklungsphase ausschließlich qualitativ hochwertige Drucktransmitter, wie die von STS produzierten Drucktransmitter und Druckmessumformer.

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