Intelligent abdichten – Zylinderkopfdichtungen mit integrierten Sensoren für Kraftstoffersparnis und Emissionsreduzierung

Von Dr. Matthias Laske, REINZ-Dichtungs-GmbH, Neu-Ulm

Innovative Motorenkonzepte zeichnen sich durch ein Höchstmaß an Variabilität aus. Die flexible Steuerung bislang konstanter Abläufe bestimmt die Trends der Motorenentwicklung. Das Ziel: Optimale Performance in allen Betriebszuständen – vom Start bis zur maximalen Leistungsanforderung. Mit Signalen aus dem Inneren des Motors kann die Effizienz des Motormanagements entscheidend verbessert werden.

Der REINZ-Dichtungs-GmbH ist es gelungen, hochpräzise Sensoren in die Zylinderkopfdichtungen zu integrieren und damit direkt am Brennraum zu positionieren. Diese neuen Zylinderkopfdichtungen liefern aktuellste Motordaten in Echtzeit. Die besten Voraussetzungen für leistungsstarke und umweltfreundliche Motoren.

Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung von Emissionen gehören zu den wichtigsten Zielen der OEM. Das Wärmemanagement von Motoren umfasst sehr große noch ungenutzte Potenziale, um diese Ziele zu erreichen. Motorbauteile mit optimalen Betriebstemperaturen erhöhen den Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrennung und reduzieren so den Verbrauch und den Ausstoß von Schadstoffen. Das gilt auch für den Katalysator. Vor allem bei häufigen Kurzstrecken verbessert eine beschleunigte Warmlaufphase deutlich die Abgasreinigung.

Effizientes Wärmemanagement

Mit dem Start des Motors startet die Kühlung – auch im Winter. Der heute meist an die Motordrehzahl gekoppelte Kühlmittelfluss produziert ab der ersten Motorumdrehung Kühlleistung und verhindert ein schnelleres Aufwärmen der an der Verbrennung beteiligten Bauteile. Die ideale Lösung: Die Wasserpumpe arbeitet unabhängig von der Motordrehzahl und aktiviert den Kühlmittelkreislauf erst bei Bedarf. Dazu ist allerdings ein entsprechend gemessener Wert aus dem Motorinneren erforderlich.

Diesen Wert liefert der in die Zylinderkopfdichtung integrierte Temperatursensor. Die Temperatur in unmittelbarer Nähe des Brennraums wird durch die Änderung des elektrischen Widerstandes im Sensor gemessen. Der eingesetzte Sensor ist eine keramische Scheibe mit einem aufgebrachten Widerstand aus Platin. Die miniaturisierte Sensorik und das Dichtsystem sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass beide ihre Aufgaben dauerhaft erfüllen können.

Durch die Auswertung der übertragenen Signale des Sensors kann der Kühlmittel-Kreislauf über das Motorsteuergerät variabel an den aktuellen Betriebszustand des Motors angepasst werden. Die Wasserpumpe bleibt in der Aufwärmphase abgeschaltet und wird bedarfsgerecht zugeschaltet. Das Erreichen der optimalen Bauteiltemperaturen wird im Durchschnitt um bis zu 50 Prozent verkürzt. Gleichzeitig steigt die Öltemperatur schneller an – Viskosität und Reibung sinken.

Optimales Kraftstoffgemisch

Die Kraftstoff-Direkteinspritzung hat die Gemischaufbereitung und den Verbrennungsprozess revolutioniert. Über die Einspritzdüsen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. In Testreihen werden Einspritzvolumina ermittelt, die unter festgelegten Motorbedingungen beste Verbrennungsergebnisse erzielen. Diese Werte werden als motorspezifische Kennfelder für charakteristische Betriebszustände im Steuergerät hinterlegt.

Zylinder weisen jedoch Bauteildifferenzen auf, die sich möglicherweise negativ auf den Verbrennungsprozess auswirken. Das Kennfeld bietet teilweise nicht für exakt jeden Betriebspunkt die effizienteste Einspritzmenge an und auch laufzeitbedingte Veränderungen der Motorbauteile können das Ergebnis der Verbrennung beeinflussen. Die ideale Lösung: Das Motormanagement erhält Informationen über jeden einzelnen Verbrennungsprozess und steuert kontrolliert jede einzelne Einspritzmenge.

Diese Informationen ermittelt die Zylinderkopfdichtung mit integrierten piezo-resistiven Drucksensoren. Die direkt am Brennraum positionierten Sensoren messen den tatsächlichen Druck in den Brennräumen. Die Messung des Brennraumdrucks gibt Aufschluss über die Qualität der Verbrennung und damit des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Für den sich anschließenden Verbrennungsprozess kann die Menge des eingespritzten Kraftstoffs – falls erforderlich – geregelt werden. Das Ergebnis ist eine optimierte Verbrennung mit höchstmöglichem Wirkungsgrad und niedrigsten NOX- und Rußemissionen.

Die Drucksensoren können Brennraumdrücke bis zu 260 bar erfassen. Und das bei Umgebungstemperaturen zwischen -40 und 250 Grad Celsius sowie einer Genauigkeit von zwei Prozent des Momentanwertes. Für die hohen Anforderungen im Motormanagement ist die Drucksensor-Zylinderkopfdichtung bestens gerüstet.

Umfassendes Analyseinstrument

Mit der direkten Verbindung zum Brennraum ist die Zylinderkopfdichtung das ideale Instrument zur Verbrennungsdiagnostik. Die Entwicklung der neuen Zylinderkopfdichtung, ob mit integrierten Temperatur- oder Drucksensoren, ist eine enorme Wertsteigerung für ein bislang ausschließlich funktionelles Bauteil. Die variable Steuerung des Kühlmittelkreislaufs mit Temperatursensoren sowie der Verbrennung mit der Messung des Brennraumdrucks eröffnen kostengünstige Möglichkeiten zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Der Entwicklungsprozess wird aktuell in Zusammenarbeit mit OEM kontinuierlich vorangetrieben. Diverse Tests auf Motorenprüfständen haben Kraftstoffeinsparungen von 1 bis 6 Prozent aufgezeigt. Ein wichtiger Schritt in den Bemühungen, die Entwicklung effizienter und umweltgerechter Motorenkonzepte voranzutreiben. Mittelfristig ist der Serieneinsatz der intelligenten Zylinderkopfdichtung geplant.

Quelle: OEM&Lieferant, Messeausgabe 2007


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Quelle: Elisabeth Klock Verlag / pressbot.net

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07.09.2007 - 15:44 Quelle: pressbot.net | Gelesen: 186 X