Indiziersysteme im Vergleich

Indiziersysteme im Vergleich - Hochschule Stralsund & Yokogawa

Die Aufzeichnung kurbelwinkel-aufgelöster Druckverläufe von Kolbenmaschinen stellt für moderne Speicheroszilloskope derzeit eine Nischenanwendung dar. Zu Recht? Ein Anwenderbericht.

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. Für die Erfassung dieser umfangreichen Datenmengen werden häufig rechnerbasierte Spezialsysteme verwendet, die neben der reinen Aufzeichnung zusätzliche Funktionen zur Weiterverarbeitung und Analyse der Daten bieten. Eine Alternative hierzu bilden universell einsetzbare Speicheroszilloskope (Transienten-Rekorder), die rein historisch betrachtet die konsequente Weiterführung der Verwendung von analogen Oszilloskopen mit der Datenaufzeichnung über Foto- und/oder Transparentpapier der vordigitalen Ära darstellen. 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 funktionsfähigen „Analyzing Recorder“ AR-1200 (alter Papier-Schreiber) wurden die moderneren ScopeCorder DL750 und DL850 von Yokogawa beschafft. Diese Geräte werden intensiv im Rahmen von Forschungsprojekten sowie zur studentischen Ausbildung genutzt und zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, ein durchdachtes Bedienkonzept und für den Einsatz in einer Indiziermesskette bestens geeignete technische Daten aus. 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 (8 Kanäle, bipolar +/- 5V, 16 Bit Auflösung, 250 kHz Tastfrequenz, nachfolgend als „Indiziersystem X“ bezeichnet), dessen Hersteller inzwischen nicht mehr am Markt tätig ist und somit auch mittelfristig ersetzt werden muss. 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

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 (Abb. 1), bestehend aus piezo-kapazitivem Drucksensor, Ladungsverstärker und Drehwinkelgeber, wurden die Messsignale nahezu zeitgleich bei einem stationären Betriebspunkt des Motors (PeZ = 4,3 kW @ 3000 min^-1) mit beiden Erfassungssystemen aufgezeichnet und im Anschluss ausgewertet.


Abb. 1 - Messaufbau

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. 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 einer Mindestdruckunterschreitung, sodass:
a) das jeweils aktuelle Zylinderdrucksignal lagerichtig mit dem Ladungswechsel-OT beginnend angezeigt wird
b) und ebenfalls aufgrund der Anzeige der Synchronspur deren Beurteilung in Bezug auf Stabilität und Qualität erfolgen kann.
Zusätzlich ist mit dieser Methode, im Gegensatz zur klassischen Beschaltung, eine optische Beurteilung des jeweils aktuellen Zylinderdruckverlaufes (z.B. im Hinblick auf Klopfereignisse) ohne zeitliche Verzögerung noch während der Aufzeichnung möglich.

Ein erstes Ergebnis

Erwartet worden war, 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 ca. 2,5 °KW (Abb. 2). 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 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.

Ein Zeit- oder ein Winkelproblem?

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 benzingefeuerten Industrie-Ottomotor, wie er in Schneefräsen oder Motorhacken Anwendung findet, durchgeführt. Dessen Drehzahlen ließen sich im Bereich 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. Den Ergebnisvergleich stellt Abb. 3 dar. Hier zeigt sich ein Winkelversatz um 0,5 °KW, sodass nun deutlich wird, dass zum Detektieren des zeitlichen Versatzes bei der verwendeten Auflösung des Drehwinkelgebers eine Drehzahländerung um mindestens ca. 750 min-1 notwendig wird, sodass die Versuche am kleinen Benzinmotor mit Drehzahländerungen um ± 600 min^-1 zur Abklärung ungeeignet waren. Eine zeitliche Verzögerung bei der Aufzeichnung der Druckverläufe mit dem Indiziersystem X um ca. 0,1 ms ist das Ergebnis.

Auswirkungen in der Weiterverarbeitung

Mit einem einfachen Rechenmodell zur Ermittlung der Netto-Wärmefreisetzung im Zylinder wurden die Auswirkungen auf die thermodynamischen Kenngrößen der Verbrennung am Stromerzeuger untersucht und in Abb. 4 dargestellt. 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 auch der des mechanischen Triebwerkswirkungsgrades beträgt ca. 10 %.

Abb. 4 - Auswirkungen in der weiteren Auswertung

Fazit und Ausblick
Mit den dargestellten Untersuchungen wurden die Auswirkungen von zeitlichen Verzögerungen der beiden Systeme bei der Erfassung indizierter Zylinderdruckverläufe bereits bei einer moderaten Motordrehzahl von 3000 min^-1 aufgezeigt. Im Vergleich zu dem älteren rechnergestützten Indiziersystem X liegen die mit dem DL850 aufgezeichneten Werte früher, sodass zumindest eine „richtigere“ zeitliche Erfassung deutlich wird.
In der Konsequenz wird analog ein weiteres an der Hochschule vorhandenes Indiziersystem ebenfalls auf einen möglichen Zeitverzug untersucht, entweder am Motor direkt oder aber 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 vordefinierten Rechenbibliothek für die Indizierung, die grundlegende Operationen wie Mittelung der Arbeitsspiele oder p-V-Diagramme, beitragen. Abschließend lässt sich sagen, dass der DL850 als Indiziersystem bezogen auf das Preis- /Leistungsverhältnis gut geeignet ist und zu schnell wechselnden Computersystemen den Vorteil der Unabhängigkeit bietet.

Hochschule Stralsund
Stralsund-Deutschland
www.hochschule-stralsund.de

von
L. Marquardt & H.-J. Katke // Hochschule Stralsund     
E. Hastor // Yokogawa - Vertriebsingenieur

Download Yokogawa Test & Messtechnik Magazin - Heft 53