Prinzip der Zylinderdruckmessung mittels des piezoelektrischen Effektes

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1 Prinzip der Zylinderdruckmessung mittels des piezoelektrischen Effektes Messprinzip: Ein Quarz der unter mechanischer Belastung steht, gibt eine elektrische Ladung ab. Die Ladung (Einheit pc Picocoulomb=10-12 Coulomb) ist proportional zur Belastung des Quarzes Die mechanische Belastung wird durch den Zylinderdruck erzeugt Das Quarzmaterial, hier Siliziumdioxid (SiO 2 ), übersteht Temperaturen von ca. 400 C ohne wesentliche Materialänderungen. Es ist daher für den Einsatz in den Brennräumen von Verbrennungsmotoren gut geeignet. a) Die Ladungsabgabe erfolgt an den Kraftangriffsflächen und ist unabhängig von der Geometrie des Quarzes 2,3 pc/n. Durch kraftmäßige Reihen- und elektrische Parallelschaltung kann die Ladung bei x Scheiben um x * 2,3 pc/n erhöht werden. b) Die Ladungsabgabe erfolgt bei den stabförmigen Quarzelementen senkrecht zu den Kraftangriffsflächen. Die Ladung ist abhängig von der Quarzgeometrie (Schlankheit) und beträgt 2,3 * l/d pc/n. l Quarzhöhe d Quarzdurchmesser In dem folgenden Bild sind die Schnittzeichnungen verschiedener Beispiele für ausgeführte Zylinderdruckaufnehmer dargestellt. a) Longitudinalaufbau in gekühlter Bauweise b) Longitudinalaufbau in ungekühlter Bauweise c) Transversalaufbau in gekühlter Bauweise Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 Die beiden Abdichtungsarten bei Zylinderdrucksensoren Schulterdichtung: Die thermische Belastung ist höher weil Druck und Temperatur auch von der Seite einwirken können. Beim Einbau ist aber die Gefahr einer Verspannung des Quarzpaketes geringer. Frontdichtung: Die Bohrung zum Zylinder muss kleiner sein, damit genügend Dichtfläche vorhanden ist. Beim Einbau ist die Gefahr einer Verspannung des Quarzpaketes größer. Beim Einbau ist auf jeden Fall auf das richtige Drehmoment zu achten!!! Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Beispiel für einen gekühlten und einen ungekühlten Zylinderdrucksensor Ein Beispiel für den richtigen und falschen Einbau von Zylinderdrucksensoren Die beste Einbauposition für Zylinderdrucksensoren ist eine möglichst brennraumbündige Lage. Dies ist bei modernen Motoren nur selten möglich, daher werden die Sensoren teilweise auch in einer zurückgesetzten Lage montiert. Wenn hierbei die Bohrung zwischen Brennraum und Sensor falsch gestaltet wird, dann kommt es zu Pfeifenschwingungen und die Messung ist unbrauchbar. Um diese Pfeifenschwingungen zu umgehen ist es notwendig, die Länge der Bohrung keinesfalls größer werden zu lassen als den Durchmesser der Bohrung. L D In dem nachfolgenden Bild ist ein Beispiel für eine richtige und eine falsche Einbaulage mit Pfeifenschwingungen dargestellt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Einbaubeispiele für Zylinderdrucksensoren mit Hilfe von Montagehülsen Montagehülsen werden immer dann benutzt, wenn Durchbrüche von Wasser- oder aber Ölräumen im Zylinderkopf notwendig werden. Die Montagehülse wird fest und dichtend in den Zylinderkopf eingebaut. Der Zylinderdrucksensor muß dann auf jeden Fall mit einem Spezialschlüssel gewechselt werden. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 (Quelle Kistler) Diese Abbildung zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Messzündkerze mit Zylinderdrucksensor als eine Baueinheit. Diese Miniatursensoren eignen sich im wesentlichen zur Beobachtung des Zylinderdruckes, für eine genaue thermodynamische Verbrennungsanalyse sind sie nicht so gut geeignet. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Das obenstehende Bild zeigt beispielhaft eine andere Anordnung des Zylinderdrucksensors in einer Messzündkerze. Auch diese Anordnung eignet sich gut für die Zylinderdruckbeobachtung und die Klopferkennung, ist aber ebenfalls weniger gut für thermodynamische Betrachtungen geeignet. Die nebenstehende Abbildung zeigt, wie bei 4-Ventilbrennräumen die Drucksensoren im Zylinderkopf verbaut werden. (Quelle Kistler) Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Verschiedene Arten der Signaldrift bei der Zylinderdruckindizierung Es werden drei verschiedene Arten der Signaldrift bei Zylinderdrucksensoren unterschieden und zwar die Langzeitdrift, die Mittelzeitdrift und die Kurzzeitdrift. Die Langzeitdrift ist eine Folge einer längerfristigen Signaländerung z.b. durch Alterung des Sensors oder durch Ablagerungen. Die Mittelzeitdrift stellt sich als Folge schneller Laständerungen aufgrund geänderter thermischer Randbedingungen dar. Die Kurzzeittemperaturdrift ist eine unmittelbare Folge des Temperaturschocks, bedingt durch die Flammenfront der Verbrennung. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

8 Ergebnisse einer Untersuchung der Kurzzeittemperaturdrift Die Zylinderdrucksensoren werden mit Hilfe einer Wärmequelle unter Umgebungsbedingungen kurzfristig periodisch erhitzt. Der nicht vorhandene, aber unter diesen Bedingungen gemessene Druck charakterisiert die Thermoschockempfindlichkeit eines Sensors. Das nachfolgende Bild zeigt das Ergebnis einer solchen Untersuchung für verschiedene Zylinderdrucksensoren. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8