Spezialsystem und universeller Transienten-Rekorder: Messverfahren von Druckverläufen im Vergleich

| Autor / Redakteur: Leander Marquardt, Heiner Katke und Elvis Hastor * / Hendrik Härter

Industrie-Ottomotor: Für den Messaufbau für Druckverläufe haben die Wissenschaftler die Messwerte eines speziellen Indiziersystem und eines Transienten-Rekorder verglichen.
Industrie-Ottomotor: Für den Messaufbau für Druckverläufe haben die Wissenschaftler die Messwerte eines speziellen Indiziersystem und eines Transienten-Rekorder verglichen. (Bild: Werksbild Metallwarenfabrik Gemmingen)

Zylinderdruckverläufe von Kolbenmaschinen lassen sich mit einem Transienten-Rekorder oder alternativ mit einem speziellen Indiziersystem aufzeichnen. Es zeigten sich interessante Messergebnisse.

Mit einem modernen Speicheroszilloskop lassen sich Kurbelwinkel-aufgelöste Druckverläufe von Kolbenmaschinen aufzeichnen. Das klingt sehr exotisch und eher nach einer Nischenanwendung. Basis für die Analyse des Arbeitsprozesses von Hubkolbenmaschinen bildet die sogenannte Indizierung, bei der neben weiteren Größen die Druckverläufe im Zylinder mit einer definierten Zuordnung zur Position des Kolbens aufgezeichnet werden.

Die umfangreichen Datenmengen werden häufig mit rechnerbasierten Spezialsystemen erfasst, die neben der reinen Aufzeichnung zusätzliche Funktionen zur Weiterverarbeitung und Analyse der Daten bieten. Eine Alternative sind universell einsetzbare Speicheroszilloskope (Transienten-Rekorder), die rein historisch betrachtet die konsequente Weiterführung der analogen Oszilloskope mit der Datenaufzeichnung über Foto und/oder Transparentpapier sind.

Das Laboratorium für Kolbenmaschinen der Hochschule Stralsund beschreitet seit mittlerweile 26 Jahren bewusst den letzteren Weg. Basierend auf den guten Erfahrungen mit einem bis heute funktionsfähigem Analyzing Recorder AR-1200 (alter Papier-Schreiber) wurden die moderneren ScopeCorder DL750 und DL850 von Yokogawa beschafft. Die Geräte werden intensiv im Rahmen von Forschungsprojekten sowie zur studentischen Ausbildung genutzt, da sie zuverlässig sind, über ein durchdachtes Bedienkonzept verfügen und sich bestens in einer Indiziermesskette einsetzen lassen. Die Weiterverarbeitung der Daten erfolgt ausschließlich mit eigenen Routinen, was aufgrund der damit verbundenen Transparenz nicht unbedingt einen Nachteil darstellen muss.

Im Zuge einer Leihgabe verfügt das Labor zusätzlich über ein älteres rechnerbasiertes Spezialsystem mit acht Kanälen, bipolar ±5V, 16-Bit-Auflösung und einer Tastfrequenz von 250 kHz. Das System wird nachfolgend als Indiziersystem X bezeichnet. Allerdings ist der Hersteller nicht mehr am Markt und das Gerät muss mittelfristig ersetzt werden. Aus diesem Grund wurden Referenzuntersuchungen durchgeführt und anschließend die Ergebnisse der zeitgleichen Aufzeichnungen der beiden Erfassungssysteme an unterschiedlichen Maschinen mit Drehzahlen von 750 bis 3600 min-1 verglichen.

Der Messaufbau im Detail

Begonnen wurden die Untersuchungen zunächst mit einem kleinen luftgekühlten Industrie-Ottomotor (PeN = 7,5 kW @ 3000 min-1), der in einem Stromerzeuger verbaut war und nachträglich im Zuge eines Forschungsprojektes gasifiziert wurde. Ausgestattet mit einer üblichen Indizierkette (Bild 1), bestehend aus piezo-kapazitivem Drucksensor, Ladungsverstärker und Drehwinkelgeber, wurden die Messsignale fast zeitgleich bei einem stationären Betriebspunkt des Motors (PeZ = 4,3 kW@3000 min-1) mit beiden Erfassungssystemen aufgezeichnet und im Anschluss ausgewertet.

Während das Indiziersystem X klassisch beschaltet wird und die Identifikation von Ladungswechsel und Hochdruckteil (ADC-Korrektur) erst im Anschluss an die Aufzeichnung durch einen Vergleich der Zylinderdrücke in beiden OT erfolgt, wurde für den DL850 ScopeCorder eine grundsätzlich andere Strategie von den Labormitarbeitern erarbeitet: Identisch mit der klassischen Beschaltung werden die Winkelspur des Drehgebers (Auflösung: 0,5 °KW) auf den Externen Takt (CLK) und der Ausgang des Ladungsverstärkers auf einen Messkanal (CH2) gegeben.

Aktuelle Zylinderdruckverlauf ermitteln

Bild 2: Im Vergleich bei einem ersten Ergebnis kam es zu einem Versatz der beiden Messergebnisse. Der Druckverlauf auf dem DL850 war um 2,5°KW nach früh verschoben.
Bild 2: Im Vergleich bei einem ersten Ergebnis kam es zu einem Versatz der beiden Messergebnisse. Der Druckverlauf auf dem DL850 war um 2,5°KW nach früh verschoben. (Bild: Yokogawa)

Die Synchronspur (SYNC) wird jedoch nicht auf den Triggereingang (TRG) geschaltet, sondern ebenfalls mit einem Messkanal (CH1) über dem externen Takt aufgezeichnet. Getriggert wird intern auf eine UND-Verknüpfung aus einem Synchron-Signal „HIGH“ und einem Mindestdruckunterschreitung, sodass:

  • Das jeweils aktuelle Zylinderdrucksignal lagerichtig mit dem Ladungswechsel-OT beginnend angezeigt wird und
  • aufgrund der Anzeige der Synchronspur die Beurteilung in Bezug auf Stabilität und Qualität erfolgen kann.

Im Gegensatz zur klassischen Beschaltung lässt sich mit dieser Methode der jeweils aktuelle Zylinderdruckverlauf (im Hinblick auf Klopfereignisse) ohne zeitliche Verzögerung noch während der Aufzeichnung beurteilen. Die Messtechniker erwarteten, dass beide Erfassungssysteme in etwa identische Ergebnisse liefern. Festgestellt werden musste jedoch ein Versatz der beiden Druckverläufe. Dabei zeigte der Druckverlauf auf dem DL850 eine Früh-Verschiebung um ungefähr 2,5 °KW (Bild 2).

Auslaufen des Motors

Bild 3: Endgültige Klärung mit niedriger Drehzahl. Mittel: 11 AS - Resistive Indizierung - keine Glättung - Keine Totpunktkorrektur.
Bild 3: Endgültige Klärung mit niedriger Drehzahl. Mittel: 11 AS - Resistive Indizierung - keine Glättung - Keine Totpunktkorrektur. (Bild: Yokogawa)

Zur Überprüfung dieses überraschenden Ergebnisses wurden daraufhin Auslaufversuche mit diesem Versuchsträger durchgeführt, bei denen aus der Nulllast bei voller Drehzahl heraus die Brennstoffzufuhr unterbrochen wurde. Während des Auslaufens des Motors wurden die ersten 30 Arbeitsspiele zunächst nur mit dem DL850 aufgezeichnet, um durch einen Vergleich der Maximallagen einen Fehler der selbstentwickelten Mittelungsroutine auszuschließen. Der gemittelte Verlauf aus den 30 Einzelarbeitsspielen und die Maxima der 30 Arbeitsspiele einzeln betrachtet und gemittelt zeigten identische Werte, sodass ein Fehler in der Mittelungsroutine ausgeschlossen werden konnte. Daraufhin wurden die Auslaufversuche unter Einsatz beider Erfassungssysteme wiederholt. Der ermittelte Versatz betrug weiterhin 2,5 bis 3 °KW.

Unklar blieb zunächst, ob hier eine zeitliche Differenz vorlag oder ob ein Winkelversatz ursächlich war, da das Indiziersystem X bis dato sehr erfolgreich an mittelschnellen Großmotoren eingesetzt worden war. Zur Klärung wurden weitere Auslaufversuche durch Abschaltung der Zündung an einem kleinen, mit Benzin angetriebenen Industrie-Ottomotor durchgeführt, wie er in Schneefräsen oder Motorhacken vorkommt. Die Drehzahlen ließen sich von 2340 bis 3600 min-1 variieren. Die Differenz der Kompressionsmaxima zwischen beiden Geräten lag wiederum unabhängig von der Drehzahl bei ca. 2,5 °KW, sodass ein Winkelfehler wahrscheinlicher wurde. Zur endgültigen Klärung der Ursache wurde ein Anlassluftverdichter mit der niedrigsten verfügbaren Drehzahl von 750 min-1 im Vergleich indiziert (Bild 3). Hier zeigt sich ein Winkelversatz um 0,5 °KW.

Eine zeitliche Verzögerung

Bild 4: Auswirkungen auf die thermodynamischen Kenngrößen der Verbrennung am Stromerzeuger.
Bild 4: Auswirkungen auf die thermodynamischen Kenngrößen der Verbrennung am Stromerzeuger. (Bild: Yokogawa)

Zum Detektieren des zeitlichen Versatzes bei der verwendeten Auflösung des Drehwinkelgebers ist eine Drehzahländerung um mindestens ca. 750 min-1 notwendig. Versuche am kleinen Benzinmotor mit Drehzahländerungen um ± 600 min-1 wären zur Abklärung ungeeignet. Eine zeitliche Verzögerung bei der Aufzeichnung der Druckverläufe mit dem Indiziersystem X um ungefähr 0,1 ms ist das Ergebnis. Mit einem einfachen Rechenmodell, um die Netto-Wärmefreisetzung im Zylinder zu ermitteln, wurden die Auswirkungen auf die thermodynamischen Kenngrößen der Verbrennung am Stromerzeuger untersucht (Bild 4).

Die Drehzahl des Motors ist mit 3000 min-1 für einen Ottomotor sehr moderat. Selbst bei dieser doch geringen Motordrehzahl sind die Auswirkungen auf die aus der Indizierung abgeleiteten Größen enorm. Während der Brennbeginn den Versatz um 2,5 °KW noch linear widerspiegelt, verschiebt sich der als Kennwert für Wirkungsgrad und NOx-Emissionen so wichtige 50%-Umsatzpunkt sogar um 1 °KW in die entgegengesetzte Richtung. Der relative Fehler bei der Bestimmung der Innenleistung und damit der des mechanischen Triebwerkswirkungsgrades beträgt ungefähr 10%.

Auswirkungen von zeitlichen Verzögerungen

Die Untersuchungen zeigten die Auswirkungen von zeitlichen Verzögerungen der beiden Systeme bei der Erfassung indizierter Zylinderdruckverläufe bereits bei einer Motordrehzahl von 3000 min-1 auf. Im Vergleich zum älteren rechnergestützten Indiziersystem X liegen die mit dem DL850 aufgezeichneten Werte früher, sodass zumindest eine genauere zeitliche Erfassung deutlich wird. In der Konsequenz wird analog ein weiteres an der Hochschule vorhandenes Indiziersystem auf einen möglichen Zeitverzug untersucht, entweder direkt am Motor oder durch Beschaltung mit zwei Frequenzgeneratoren, von denen einer den TTL-Takt des Drehwinkelgebers imitiert, der andere ein geeignetes aufzuzeichnendes Messsignal generiert.

Für ein breites Anwendungsspektrum des DL850 ScopeCorder bei Aufzeichnungen Kurbelwinkel-aufgelöster Druckverläufe könnte eine Implementierung einer speziellen vordefinierte Rechenbibliothek für die Indizierung beitragen, die grundlegende Operationen wie Mittelung der Arbeitsspiele oder p-V-Diagramme zur Verfügung stellt. Abschließend lässt sich sagen, dass der DL850 als Indiziersystem bezogen auf das Preis- /Leistungsverhältnis gut geeignet ist und zu schnell wechselnden Computersystemen einen Vorteil in der Unabhängigkeit bietet.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2019 (Download PDF)

* Prof. Dr.-Ing. Leander Marquardt und Heiner Katke arbeiten an der Hochschule Stralsund. Elvis Hastor ist Sales Account Engineer bei Yokogawa Deutschland.

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