Prinzip der Zylinderdruckmessung mittels des piezoelektrischen ...

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
Kap. 2 Quarz-Messtechnik
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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 !!!
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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.
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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.
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(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.
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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)
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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.
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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.
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