Zylinderdrucksensor und –system zur Überwachung von ... › download › imes_paper_isf_2009.pdfTyps W32DF, W34SG and W50DF eingesetzt werden. Motorspezifische Daten sind im System

31.ISF Informationstagung am 19.Juni 2009 in Flensburg

31. ISF Informationstagung am 19. Juni 2009 in Flensburg

Zylinderdrucksensor und –system zur Überwachung von

Gasmotoren auf LNG Schiffen

von

Stefan Neumann

IMES GmbH Kaufbeuren


Vorwort: Zukünftige Gasmotorgenerationen werden von höherer Wirtschaftlichkeit unter Einhaltung von

immer größeren Umweltvorschriften bestimmt. Effizientere Wirkungsgrade bei Motoren können nur

mit dem Einsatz von innovativer Messtechnik und neuen Regelalgorithmen erreicht werden.

Zylinderdruckbasierte Motorregelung ist schon seit mehr als 20 Jahren der Wunsch vieler Motoren-

entwickler. Lange Zeit war der Einsatz von Zylinderdrucksensoren begrenzt durch das Fehlen von

dauerfesten und langzeitstabilen Sensoren sowie auch durch einen niedrigen Massenpreis von Sen-

soren für den Einsatz in Serienanwendungen. Für die schnelle Datenerfassung ist eine hohe Prozes-

sorkapazität erforderlich, die der Markt anbieten kann.

Die IMES Gmbh hat erfolgreich den erstmals auf der CIMAC Konferenz in 2001 vorgestellten Zylin-

derdrucksensoren Typ.: HTT zur Serienreife entwickelt incl. einer Marinezulassung. Mittlerweile

wurden seit 2001 mehr als 10.000 Sensoren produziert. Entscheidend für den Einsatz ist die Langzeit-

stabilität von 16.000 bis 20.000h und ein von Motorherstellern akzeptierter Marktpreis für Serien-

anwendungen.

Die Messdatenerfassung incl. der Visualisierung von spez. Verbrennungsdaten wie z.B.: Klopfen,

Fehlzünden, Pmax; Pmax Balancing, IMEP und COV von IMEP sind für Prüfstand- und Service-

Anwendungen wichtige Kennwerte zur optimalen Motoreinstellung. Hierfür wurde von IMES in

Zusammenarbeit mit Wärtsilä Finnland ein Produkt für mobile- und stationäre Anwendungen

erfolgreich entwickelt.

Der Beitrag beschreibt die Entwicklung von hochtemperatur- und dauerfesten Zylinderdruck-

sensoren incl. einem schnellen Messdatenerfassungssystem für stationäre und mobile Anwendungen

sowie erste praktische Erfahrungen mit der druckgeführten Regelung an Gasmotoren insbesondere an

Diesel- Gasmotoren, die auf Liquid Natural Gas (LNG) Schiffen um Einsatz kommen.


Einleitung Mittlere und große Diesel-Gasmotoren, die auch immer mehr im Marinebereich Anwendung finden,

kommen zukünftig in Betriebsbereiche, welche für optimale Regelungs- und Überwachungskonzepte

eine sehr genaue Kenntnis über den momentanen Zustand des Verbrennungsprozesses in jedem

Zylinder erfordern. Motorbetriebsgrenzen (z.B. Klopfen) müssen nicht nur zuverlässig erkannt

werden, sondern auch zuverlässig mit definiertem Abstand angefahren werden können.

Diese anspruchsvolle Aufgabe wird in einigen Fällen dadurch erschwert, dass wechselnde Gas- und

Diesel-qualitäten oder Umgebungsbedingungen eine Voreinstellung mit voroptimierten Parametern,

wie zum Beispiel dem Einspritzzeitpunkt bei Diesel-Gasmotoren, nicht oder nur mit Leistungs- oder

Wir-kungsgradverlusten erlauben.

Steigende zukünftige Anforderungen an die Kontrolle der Schadstoffemissionen erschweren das

Motormanagement zusätzlich. Großes Potential zur Lösung der genannten Aufgabenstellungen kann

mit Hilfe der Zylinderdruck basierten Regelung abgedeckt werden.

Der Beitrag gliedert sich im wesentlichen in drei größere Abschnitte. Zunächst werden in Abschnitt

“Langzeitstabiler Zylinderdrucksensor Typ HTT” der physikalische Aufbau des IMES HTT Zylin-

derdrucksensors beschrieben. Außerdem werden Langzeiterfahrungen von Sensoren mit mehr als

16.000 Betriebsstunden dargestellt. Die qualitative Güte der HTT Sensoren im Vergleich zu Refer-

enzsensoren wird in diesem Abschnitt beschrieben.

Im Abschnitt ”Messdatenerfassungs- und Visualisierungssystem von Verbrennungsdruckdaten für

Stationäre- und Serviceanwendungen zur Motoroptimierung” wird ein Messdatensystem beschrieben,

dass mit Hilfe der Fa. Wärtsilä Finnland für Motoroptimierungen an FAT-Prüfständen und bei

regelmäßigen Serviceintervallen an Wärtsilä Gasmotoren entwickelt wurde.

Im letzten Abschnitt werden erste Erfahrungen der zylinderdruckbasierten Regelung an Praxisbei-

spielen am Wärtsilä 50DF Motor vorgestellt.

Der Beitrag endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf zukünftige druckgeführte

Regelungsanwendungen.


Langzeitstabiler Zylinderdrucksensor Typ HTT Zylinderdrucksensoren auf Basis der Dünnfilm Titanoxynitrid (TION) Technologie wurden von IMES

für Serieneinsätze an Gasmotoren zur Serienreife entwickelt. Im Zusammenhang mit den

gewöhnlichen Qualitätsmerkmalen für Drucksensoren: geringe Hysterese, hohe Linearität, geringe

Temperaturabhängigkeit sind die IMES Zylinderdrucksensoren extrem langzeitstabil bzgl. Offset und

Spanneveränderungen und bestens für die Anforderungen im Dauerbetrieb an Gasmotoren geeignet.

Die thermodynamische Eigenschaften der IMES Zylinderdrucksensoren zeigen sehr gute Resultate

gegenüber wassergekühlten piezoelektrischen Referenzsensoren.

Berechnung der mechanischen Eigenschaften

Mit Hilfe von Finite Element Berechnungen (FEM) wird die Meßzelle (siehe Abb.1) für extreme

Volllastbeanspruchungen ausgelegt (siehe Abb.2). Die hellen Bereiche zeigen Stellen mit hohen

Belastungen, die dunkleren Bereiche zeigen Stellen der Meßzelle mit niedrigeren Belastungen. Durch

die FEM-Berechnung wurde die Meßzelle bzw. Membran optimal ausgelegt.

Abb.1: Messzelle Abb. 2: FEM (Finite Elemente Berechnung) der mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials.

Sensortypen Mit dem Sensortyp HTT (Abb.3) wurden die meisten Langzeiterfahrungen an Gasmotoren gesammelt. Der HTT-Sensor hat ein M14x1,25 Gewinde und ist bei Gasmotoren brennraumnah eingebaut (Abb.4). Der HTT-Sensor ist in verschiedenen Hülsen lieferbar und wurde für einen Druck bis zu 300 bar ausgelegt bei einer max. Temperatur am Messelement von bis zu 300 °C (kurzfristig bis zu 350°C). Die Sensorelektronik mit einem Ausgangssignal 4…20 mA ist über ein Kabel, das mit einem Panzerschlauch gegen mögliche Beschädigungen geschützt ist, mit dem Sensorkopf verbunden.

Mehr als 10.000 HTT-Sensoren wurden bis heute für Gasmotoreneinsätze gebaut.

Abb.3:Sensorkopf HTT-Sensor Bild.4: Einbauort HTT-Sensor

ANSYS 5.5.1MAY 21 199909:38:07PLOT NO. 1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.002293SMN =.908241SMX =221.106

1

MN

MX

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X

Y

Z

PRES4040.90824125.37549.84174.30898.774123.241147.707172.174196.64221.106


Sensorposition Speziell die bei der Druckmessung unter klopfender Verbrennung auftretenden hohen Wärmeströme in

die Brennraumwände, respektive Sensormembran, erfordern eine hohe Temperaturfestigkeit der

Sensoren. Die indirekte Kühlung der Sensoren erfolgt über die Brennraumwand.

Grundsätzlich gibt es zwei Einbaumöglichkeiten: Brennraumbündig (Abb.6) und Zurückversetzt

(Abb.7). Bei zurückversetztem Einbau kann die Möglichkeit von Pfeiffenschwingungen bestehen, was

eine Verfälschung des Messsignals bewirkt.

Abb.6: Einbau brennraumbündig Abb.7: Einbau zurückversetzt Klopfende Verbrennung kann in Abhängigkeit von der Häufigkeit und Intensität des Auftretens zu

Motorschäden aufgrund thermischer oder mechanischer Überbeanspruchung führen. Das

Zylinderdrucksignal bei klopfender Verbrennung ist mit hochfrequenten Durckschwingungen

überlagert. Aufgrund der lokalen und globalen Phänomene erfordert die sichere Detektion des

Klopfzeitpunktes und die Quantifizierung der Klopfstärke anhand der lokalen Messung des

Zylinderdruckes besondere Sorgfalt, sowohl bei Auswahl und Adaption der Sensorik als auch

innerhalb der Signalauswertung auf Grundlage gängiger Klopfanalysemethoden.

Langzeitstabilität Zur sicheren Messung klopfender Arbeitsspiele ist die Lebensdauer der Sensoren entscheidend, da

infolge des durch die klopfende Verbrennung verursachten hohen Wärmeeintrags das Messelement

sehr hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Die hohe Lebensdauer der

IMES Sensoren von 16.000 (und mehr) Betriebsstunden garantiert eine hohe Messpräzision auch nach

mehrjähriger Beanspruchung. Die Elektronik kann wahlweise auch eine automatische Nullpunkt-

abstimmung und Offsetkorrektur durchführen, um die Sensordrift zu kompensieren.


Abb.8: Kalibrierungsdaten Abb.9: Vergleich Kalibrierdaten Auswertungen am IMES Prüfstand von einer großen Anzahl im Dauereinsatz befindlichen Sensoren

zeigten nur sehr geringe Drifteigenschaften bei Offset- und Spanne (Abb. 8 und 9). Die Messungen

erfolgten über den kompletten Kalibrierbereich des Sensors. Die Sensoren hatten zum Zeitpunkt der

Nachmessung 16.000 Betriebsstunden.

Sensorgüte

Für zukünftige Regelungsaufgaben ist neben der Langzeitstabilität des Sensors auch die Sensorgüte

wichtig um thermodynamische Berechnungen wie Brenn- und Heizverlauf sowie Umsatzraten mit

hoher Genauigkeit durchzuführen. Hierzu wurden Sensorvergleiche mit selektierten thermodynamisch

hochgenauen wassergekühlten piezoelektrischen Sensoren (AVL Typ:QC34C) beim Large Engine

Competence Center (LEC) in Graz durchgeführt um die qualitative Sensorgüte des HTT-04 Sensors

zu bestimmen.

Abb.10: Qualitativer Sensorvergleich zwischen HTT-04- und Referensensor Die durchgeführten Messungen an einem Einzylinder Gasmotor (1500 RPM) bei Mitteldrücken von

10-, 18- und 25 bar Mitteldruck (siehe Abb.10 )zeigen gute bis sehr gute thermodynamische Eigen-

schaften der IMES HTT Sensoren. Die max. Pmi-Abweichung bei 25 bar Mitteldruck beträgt -0,6 bar

gegenüber dem Referenzsensensor.

Marine Classification Der HTT-04 Sensor hat alle Test bei der Klassifikationsgesellschaft Bureau Veritas erfolgreich

bestanden.


Messdatenerfassungs- und Visualisierungssystem von Verbrennungsdruck-daten für Stationäre- und Serviceanwendungen zur Motoroptimierung Das komplettes IMES Meßsystem für Online-Datenerfassung und -speicherung an einem Gasmotor

(Produktname: CMS = Combustion Monitoring System) besteht aus den Zylinderdrucksensoren,

Impulseingängen und 2 Stck. Elektronik Baugruppen für die Digitalisierung und Signalauswertung

und –Überwachung. Das CMS System (Abb.:11) wird für Prüfstandsanwendungen und Service-

anwendungen an Gasmotoren verwendet. Bei Serviceanwendungen sind die Komponenten in einer

mobilen Cargobox eingebaut (Abb.13+15). Für stationäre Prüfstandsanwendungen sind Elektronik

Baugruppen in Alu-Gehäuse eingebaut (Abb.14). Die max. Datenerfassung beträgt 20 Zylinder

gleichzeitig. Die Kurbelwinkelauflösung beträgt 0,5° KW.

Abb.11: Systemübersicht CMS Das CMS System ist Zylinderkonfigurationen von 1…20 einsetzbar und kann für alle Motoren des

Typs W32DF, W34SG and W50DF eingesetzt werden. Motorspezifische Daten sind im System hinter-

legt und müssen in der Visualisierungssoftware nur angewählt werden.

Folgende Funktionen sind in der Visualierungssoftware verfügbar (siehe auch Abb.12):

• Zylinderdruck Diagramm • Working cycle Klopfen • Working cycle Fehlzünden • Working cycle Pmax • Working cycle IMEP • Pmax balance • IMEP balance • COV /IMEP • Systemcheck Sensoren, -Pulse, -Datenerfassung


Abb.12: CMS Visualisierungsfunktionen Die Daten von Pmax, Klopfen, Fehlzünden, IMEP, COV of IMEP werden nach dem Starten der PC Software gespeichert und können später auch Offline visualisiert werden.

Abb.13: CMS Cargo Komponentenübersicht Abb.14: CMS für stationäre Anwendung

Abb.15: CMS Cargo Box

Pressure diagram

Working cycle

Pmax balance

IMEP balance

Main window


Anwendungen aus der Praxis Optimierung der Klopfüberwachung (Körperschall)

Abb.16: Vergleich Klopferkennung Körperschall und CMS Abb.17:Klopfzahlen ermittelt mit CMS und Lastabsenkung bei Erreichung Klopfalarm mit Körperschallsensoren Das CMS System mit Zylinderdrucksensoren kann das Klopfen eindeutiger bestimmen als eine

Klopfüberwachung mit Körperschallsensoren (Abb.16). Mit Hilfe von CMS wird die

Klopfüberwachung für den Betrieb eingestellt. In Abb.17 erkennt man, daß schweres Klopfen mit

CMS viel früher detektiert wird bevor die Körperschallüberwachung das Alarmsignal zur

Lastabsenkung sendet.

Zylindergleichstellung; Motor stabilität Prüfung des Kompressionsdrucks Abb.18: Working cycle Pmax und Pmax Gleichstellung Abb.19: Vergleich des Drucks bei 15° KW vor OT Mit dieser Softwareanwendung (Abb.18) soll die Gleichstellung aller Zylinder optimiert werden, um

die mechanische Belastung des Motors in Folge von ungleichmäßiger Belastung zu verringern. Als

erstes wird der laufende Pmax Wert jedes Zylinders bei verschiedenen Laststufen im Gas und Diesel-

Betrieb aufgenommen und so optimiert, dass nur geringe Abweichungen im laufenden Pmax Wert zu

sehen sind. Danach wird der Pmax Motorwert zum Pmax Durchschnittswert zu jedem Zylinder

verglichen.

Der Kompressionsdruck aller Zylinder sollte bei 15° KW vor OT nur um ca. +/- 2 bar abweichen

(Abb.19). Mit Hilfe dieser Softwareanwendung können z.B. fehlerhafte Kolbenringe rechtzeitig

erkannt werden.

Lastabsenkung nach Klopfalarm


Möglichkeiten der druckgeregelten Motorüberwachung Die Auswertung des Verbrenungsprozesses bei Gasmotoren ermöglicht ein Reihe von herkömmlichen

Überwachungsmethoden zu ersetzen wie z.B.: Körperschallsensoren, Lambda Sensoren und Tempera-

tursensoren für Abgasmittelwertüberwachung. Regelungsfunktionen mit Hilfe der Zylinderdruck-

überwachung werden sich im ersten Schritt auf Einspritzzeitpunktregelung (Zündzeitpunktregelung),

Klopfreglung und Regelung des Luft-/Kradtstoffmengenverhältnis beschränken. In der u.a. Liste

werden alle Applikationen, die mit Hilfe des Einsatzes von Zylinderdrucksensoren durchgeführt wur-

den können, dargestellt [1]:

• Pmax Gleichstellung aller Zylinder

• Erfassung von hohen Spitzendrücken

• Erfassung von Klopfen- und Glühzünden

• Erfassung von Schwach- und Fehlzünden

• Fehlerdiagnose durch Experten

• Optimierung der Einspritzung bei Dual-Fuel Motoren

• Luft/Gas -Gemisch Regelung

• Regelung der Abgasrückfürrate (EGR)

• Visualisierung zur Fehlererkennung

Die herkömmliche Abgasmittelwertüberwachung für die Gemischregelung ist veraltet, da sie zeitlich

verspätet reagiert und nicht den momentanen Wert wiedergibt. Deswegen ist diese Methode fehler-

behaftet und reagiert zu dem noch verspätet. Zylinderdruckregelung kann bei der Gemischregelung die

unvollständige Verbrennung erkennen und sofort Gegenmaßnahmen einleiten.

Beschleunigungssensoren werden meist für die Klopferfassung benutzt. Die Beeinflussung von

Störsignalen ist groß. Leichtes und mittleres Klopfen kann nur schwer erkannt werden, was auch

schon Motorschäden verursachen kann. Die Klopferfassung mit Zylinderdrucksensoren ist sehr genau.

Leichtes und mittleres Klopfen kann sehr gut erkannt werden um Regelstrategien einzuleiten. Die

Abb.20 gibt eine Übersicht über mögliche Methoden zur Auswertung des Zylinderdrucksignals.

Abb.20: Methoden um Zylinderdrucksignale zu analysieren


Applikation der druckgeführten Regelung und Erfahrungen aus Pilotprojekten am 50DF Motor Kopfregelung Die Abb.21 zeigt das sichere und schnellere Erfassen von Klopfwerten mit Zylinderdrucksensoren

gegenüber der herkömmlichen Methode. Bei zukünftigen Regelstrategien können die Zylinder viel

mehr an die Klopfgrenze gefahren werden, um so die Wirtschaftlichkeit des Motors zu erhöhen.

Abb.21: Vergleich Klopferkennung mit Körperschallsensoren und Zylinderdrucksensoren Gleichstellung der Zylinder Die Abb. 22 zeigt die geringe Pmax Varianz bei Gleichstellung aller Zylinder. Die Regelungsfunktion

vergleicht den Pmax Einzelwert zum Durchschnittswert aller Zylinder. Hierdurch wird die Wirtschaft-

lichkeit des Motors durch Verringerung der mechanischen Belastung erhöht. Man sieht sehr deutlich

die geringere Pmax Varianz der Zylinder bei der Regelungsfunktion Gleichstellung der Zylinder

Abb.22: Fortlaufende Pmax Werte von Zylindern ohne- und Abb.23: Klopfzahlen von Zylindern ohne- und mit Zylindergleichstellung mit Zylindergleichstellung Gleichzeitig findet bei Regelungsfunktion Gleichstellung der Zylinder ein bemerkenswerter Rück-

gang von leichten- bis mittleren Klopfen statt (Abb. 23). Dieses führt auch zu einer Erhöhung der

MTBF des Motors.


Zusammenfassung und Ausblick Dauerfeste und genaue Zylinderdrucksensoren sind für den Gasmotorenmarkt zu einem marktge-

rechten Serienpreis verfügbar. Die hier dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die technologische Basis

für den Einsatz im Serienbetrieb bereitsteht. Die druckgeführte Regelung hat ein große Potential für

die Zukunft traditionelle Regelungen zu ersetzen. Nach ersten Pilotprojekterfahrungen führt die druck-

geführte Regelung zu einer Emissionsreduzierung von bis zu 25 % niedrigeren NOx Werten,

10 % niedrigeren CO Werten und 5 % niedrigeren Kohlenwaserstoffwerten.

Literaturhinweis:

[1] Kaj Portin, Jenny Helén ; Gas engine control based on integrared cylinder pressure measurement, 6th. Dessau Gas Engine Symposium 2009

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