Umfassende Messlösung

Einsatzbereich der druckbasierten Indiziertechnik

In der Vergangenheit wurden verschiedene Messmethoden zur Untersuchung von Gemischbildung und Verbrennung im Brennraum von Hubkolbenmotoren verwendet. Eine der für diese Untersuchungen verwendeten Techniken, die druckbasierte Indiziermessung, hat sich zum Standard entwickelt und stellt heute einen festen Bestandteil des Motorentwicklungsprozesses dar.

Robuste Druck- und Temperaturbeständige piezoelektrische Sensoren liefern zuverlässige und genaue Ergebnisse zur Analyse der Verbrennung, zum indizierten Mitteldruck, zum Spitzendruck, zum Verbrennungsgeräusch und zum Klopfen sowie zu anderen Phänomenen. Heute spielen diese Werte eine entscheidende Rolle bei der Anwendung eines bestehenden Motors in spezifischen Antriebssträngen und Fahrzeugen, da die immer höhere Leistung bei gleichzeitig strenger werdenden Abgas- und Qualitätsstandards die optimale Ausnutzung der Verbrennung in allen Betriebspunkten erzwingt. Variable Ventiltriebsysteme, veränderbare Ansaugkanal-Geometrie, flexible Einspritzsysteme und moderne Brennverfahren ermöglichen viel Flexibilität, machen aber moderne Verbrennungssysteme zugleich auch viel komplexer.

Lässt sich diese Komplexität mit der klassischen Indizierung noch lösen?
Die modernen Indiziersysteme der „Indi-Advanced“-Serie von AVL bilden in diesem Fall die Basis für Methoden, die weit über die klassische Zylinderdruckindizierung hinausgehen und neue Einblicke in die Ursachen und Zusammenhänge in modernen Verbrennungsprozessen und Motoren geben.

Optische Analyse mit AVL Visiolution

In Ergänzung zur klassischen Indiziermessung gewinnen optische Analyseverfahren immer mehr an Bedeutung. AVL Visiolution wird sowohl bei der Entwicklung neuer Brennverfahren eingesetzt als auch in zunehmendem Maße zur Optimierung in der Kalibrierung und bei der schnellen und effektiven Problemlösung verwendet. AVL bietet dazu das System selbst und auch den Mess-Service an.

Ladungswechsel und Verbrennungsoptimierung mit AVL GCA

AVL-GCA beruht auf dem gleichen Rechenkern wie die erweiterte AVL Software für eindimensionale Simulation „AVL-BOOST“ und bietet ein Simulationsmodel, dessen Systemgrenzen bzw. Randbedingungen die gemessenen Niederdruck-Indizierkurven (Einlass und Auslass) sind. Gasdynamischen Effekte im Röhrenwerk werden berücksichtigt. Dieses Vorgehen reduziert die Rechenzeit bei gleichzeitiger erheblicher Steigerung der Genauigkeit in der Beschreibung der Zylinderinternen Vorgänge. Mit der Online-Implementierung am Prüfstand ermöglicht AVL-GCA, Simulation und Messung einander näher zu bringen. Als CONCERTO-Option dient AVL-GCA, nachträglich erweitere Analyse durchführen zu können.

Bauteilbelastung und Vibration mit IndiCom analysieren

Bauteilbelastungen und Schwingungen im Verbrennungsmotor werden zum überwiegenden Teil durch die Verbrennung verursacht. Die Erfassung dieser Phänomene auf Kurbelwinkelbasis bietet den großen Vorteil, Ursache und Wirkung einander eindeutig zuordnen zu können.

AVL IndiCom™ und die Advanced Indiziersysteme liefern dafür die besten Voraussetzungen, da sie sowohl die Erfassung der Signale, als auch umfassende Auswertung bieten können.
Rotationsschwingungs-Analyse der Kurbelwelle ist ohne jeden weiteren Aufwand schon mit der Indiziermessung durchführbar, da mit den Adavanced-Geräten aus den Winkelmarken die Pulsdauer aufgezeichnet werden kann. Mittels CalcGraf lassen sich daraus z.B. Winkelgeschwindigkeit und Drehschwingungen ableiten und analysieren.
So können Resonanzen analysiert werden, oder es können beim Startvorgang und im Leerlauf Zündaussetzer und schlechte Verbrennung auch ohne Druckaufnehmer zylindergenau identifiziert werden. Weitere umfassende Auswertungen sind mit der „Erweiterten Signalanalyse“ möglich, die neben 3D Darstellung und einer komplexen FFT Funktion auch Makros enthält, mit denen automatische Auswertungen einer Last- oder Drehzahlrampe möglich sind.
Durch die Möglichkeit mehrere Winkelaufnehmer anzuschließen, können auch Schwingungen relativ zueinander aufgezeichnet und analysiert werden.

Abb 1: Schwingungsanalyse mit IndiCom Erweiterter Signalanalyse

Für die Analyse von Bauteilbelastungen werden DMS-Sensoren auf die Komponenten aufgebracht und die Signale mit hoher Auflösung Kurbelwinkelbasiert aufgezeichnet. Bei der Schwingungsanalyse des Bauteols werden Beschleunigungssensoren aufgebracht und die Signale ebenfalls auf Kurbelwinkelbasis aufgezeichnet Dabei ermöglicht die hohe Auflösung von 0.025°KW auch die Analyse von hohen Frequenzen, die für die Akustik eines Motors ausschlaggebend sind; die Einbindung von MATLAB™ Berechnungen erlaubt die Verwendung der gleichen Algorithmen, die auch in der Luftschallmessung eingesetzt werden.

Synchrone Messung auf Zeit- und Kurbelwinkelbasis

Für die Optimierung von dynamischen und hochdynamischen Vorgängen im Antriebsstrang reicht es oft nicht mehr aus, Messwerte mit der am Prüfstand üblichen Erfassungsrate von 10 Hz bis 100 Hz aufzuzeichnen.

Die Indiziertechnik bietet sich als schnelle / mittelschnelle Datenerfassung an. Vor allem die Kombination von schnellen Zeitbasissignalen (wie z.B. Gaspedalstellung, CAN-Bus Signalen, schnelle Abgasmessung u.a.) mit der Messung der Verbrennungsprozesse gibt einen klaren Einblick in die Zusammenhänge zwischen Fahrer-Vorgaben, Reaktion der Steuersysteme und den daraus resultierenden Verbrennungsprozessen.

Zur Erfassung der Zeitbasis-Signale steht eine breite Palette an Möglichkeiten zur Verfügung:

Damit können Untersuchungen sowohl am Prüfstand als auch im Fahrzeug durchgeführt werden. Durch die Verwendung der gleichen Erfassungssysteme wie am Prüfstand und durch die Kompatibilität der Daten und Auswertungen mit den Daten der Nachverarbeitungssoftware AVL CONCERTO™ ist ein Höchstmaß an Vergleichbarkeit gegeben. Das ist die Voraussetzung für parallele Entwicklung und Abstimmung unter kontrollierten Bedingungen am Prüfstand und unter realen Bedingungen im Fahrzeug.

Die Stärke von IndiCom und CONCERTO™ liegt in der Auswertung der unterschiedlichen Daten mit automatischer Synchronisation und auch in den grafischen wie auch rechnerischen Auswertemöglichkeiten. So ist beispielsweise die gemeinsame Anzeige von zyklischen Verbrennungs-Kennwerten und zeitbasierten Steuersignalen in gemeinsamen Diagrammen ohne weiteres möglich.

Abb 2: Synchrone Analyse von Zeit und Kurbelwinkeldaten

IndiCom™ stellt damit eine leistungsfähige Basis für die Analyse von dynamischen Prozessen zur Verfügung, deren Optimierung speziell in Bezug auf die strengen Emissionsgesetze und die immer höher werdenden Fahrbarkeitsanforderungen mehr und mehr an Bedeutung gewinnt.

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