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[Author] Dr. Matthias Laske, Projektmanager Vorausentwicklung, REINZ-Dichtungs-GmbH VICTOR REINZ Zylinderkopfdichtungen mit integrierten Sensoren für Kraftstoffersparnis und Emissionsreduzierung Innovative Motorenkonzepte zeichnen sich durch ein Höchstmaß an Variabilität aus. Die flexible Steuerung bislang konstanter Abläufe bestimmt die Trends der Motorenentwicklung. Das Ziel: Optimale Performance in allen Betriebszuständen - vom Start bis zur maximalen Leistungsanforderung. Mit Signalen aus dem Inneren des Motors kann die Effizienz des Motormanagements entscheidend verbessert werden. Der Dana Corporation ist es gelungen hochpräzise Sensoren in Zylinderkopfdichtungen zu integrieren und damit direkt am Brennraum zu positionieren. Diese intelligenten Zylinderkopfdichtungen liefern aktuellste Motordaten in Echtzeit. Die besten Voraussetzungen für leistungsstarke und umweltfreundliche Motoren. Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Reduzierung von umweltgefährdenden Emissionen gehören zu den wichtigsten Zielen der Automobilindustrie. Das Wärmemanagement von Motoren beinhaltet sehr große noch ungenutzte Potenziale, um diese Ziele zu erreichen. Motorbauteile mit optimalen Betriebstemperaturen erhöhen den Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrennung und reduzieren so den Verbrauch und den Ausstoß von Schadstoffen. Das gilt auch für den Katalysator. Vor allem bei häufigen Kurzstrecken verbessert eine beschleunigte Warmlaufphase deutlich die Abgasreinigung. Effizientes Wärmemanagement Mit dem Start des Motors startet die Kühlung - auch im Winter. Der heute meist an die Motordrehzahl gekoppelte Kühlmittelfluss produziert ab der ersten Motorumdrehung Kühlleistung und verhindert ein schnelleres Aufwärmen der an der Verbrennung beteiligten Bauteile. Die ideale Lösung: Die Wasserpumpe arbeitet unabhängig von der Motordrehzahl und aktiviert den Kühlmittelkreislauf erst bei Bedarf. Dazu ist allerdings ein entsprechend gemessener Wert aus dem Motorinneren erforderlich. Diesen Wert liefert der in die intelligente Zylinderkopfdichtung integrierte Temperatursensor. Die Temperatur in unmittelbarer Brennraumnähe wird durch die Änderung des elektrischen Widerstandes im Sensor gemessen. Der eingesetzte Sensor ist eine keramische Scheibe mit einem aufgebrachten Widerstand aus Platin. Die miniaturisierte Sensorik und das Dichtsystem sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass beide ihre Aufgaben dauerhaft erfüllen können. Durch die Auswertung der übertragenen Signale des Sensors kann der Kühlmittelkreislauf über das Motorsteuergerät variabel an den aktuellen Betriebszustand des Motors angepasst werden. Die Wasserpumpe bleibt in der Aufwärmphase abgeschaltet und wird bedarfsgerecht zugeschaltet. Das Erreichen der optimalen Bauteiltemperaturen wird im Durchschnitt um bis zu 50 % verkürzt. Gleichzeitig steigt die Öltemperatur schneller an - Viskosität und Reibung sinken. Optimales Kraftstoffgemisch Die Kraftstoffdirekteinspritzung hat die Gemischaufbereitung und den Verbrennungsprozess revolutioniert. Über die Einspritzdüsen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. In Testreihen werden Einspritzvolumina ermittelt, die unter festgelegten Motorbedingungen beste Verbrennungsergebnisse erzielen. Diese Werte werden als motorspezifische Kennfelder für charakteristische Betriebszustände im Steuergerät hinterlegt. Zylinder weisen jedoch Bauteildifferenzen auf, die sich möglicherweise negativ auf den Verbrennungsprozess auswirken. Das Kennfeld bietet teilweise nicht für exakt jeden Betriebspunkt die effizienteste Einspritzmenge an und auch laufzeitbedingte Veränderungen der Motorbauteile können das Ergebnis der Verbrennung beeinflussen. Die ideale Lösung: Das Motormanagement erhält Informationen über jeden einzelnen Verbrennungsprozess und steuert kontrolliert jede einzelne Einspritzmenge. Diese Informationen ermittelt die intelligente Zylinderkopfdichtung mittels integrierter piezo-resistiver Drucksensoren. Die direkt am Brennraum positionierten Sensoren messen den tatsächlichen Druck in den Verbrennungskammern. Die Messung des Brennraumdrucks gibt Aufschluss über die Qualität der Verbrennung und damit des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Für den sich anschließenden Verbrennungsprozess kann die Menge des eingespritzten Kraftstoffs - falls erforderlich - gesteuert werden. Das Ergebnis ist eine optimierte Verbrennung mit höchstmöglichem Wirkungsgrad und niedrigsten NOx- und Rußemissionen. Die Drucksensoren können Brennraumdrücke bis zu 260 bar erfassen. Und das bei Umgebungstemperaturen zwischen -40 °C und 250 °C sowie einer Genauigkeit von 2% des Momentanwertes. Für die hohen Anforderungen im Motormanagement ist die Drucksensor-Zylinderkopfdichtung bestens gerüstet. Umfassendes Analyseinstrument Mit der direkten Verbindung zum Brennraum ist die Zylinderkopfdichtung das ideale Instrument zur Verbrennungsdiagnostik. Die Entwicklung der intelligenten Zylinderkopfdichtung, ob mit integrierten Temperatur- oder Drucksensoren ist eine enorme Wertsteigerung für ein bislang rein funktionelles Bauteil. Die variable Steuerung des Kühlmittelkreislaufs über Temperatursensoren sowie der Verbrennung über die Messung des Brennraumdrucks eröffnen kostengünstige Möglichkeiten zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Der Entwicklungsprozess wird aktuell in Zusammenarbeit mit OEMs kontinuierlich vorangetrieben. Diverse Tests auf Motorenprüfständen haben Kraftstoffeinsparungen von 1 bis 6 % aufgezeigt. Ein wichtiger Schritt in den Bemühungen, die Entwicklung effizienter und umweltgerechter Motorenkonzepte voranzutreiben. Mittelfristig ist der Serieneinsatz der intelligenten Zylinderkopfdichtung geplant. Die Dana Corporation entwickelt und produziert unter dem Markennamen VICTOR REINZ Dichtungssysteme, Abschirmsysteme und Ventilhaubenmodule für Pkw und Lkw. Die REINZ-Dichtungs-GmbH, Mitglied der Dana Corporation, hat ihren Stammsitz in Neu-Ulm, Deutschland. Dana entwickelt und produziert Produkte für alle großen Automobilhersteller weltweit. Als führender Zulieferer von Antriebsaggregaten, Struktur- und Motortechnologien, beschäftigt Dana 35.000 Mitarbeiter in 28 Ländern. Bildunterschrift: Bild 1: a) VICTOR REINZ MLS-Zylinderkopfdichtung für Ottomotoren mit integrierten Temperatursensoren b) Prinzipdarstellung eines intelligenten Motorsystems mit integrierter Sensordichtung, Motormanagement und Kühlsystem Kontaktinformationen: REINZ-Dichtungs-GmbH Reinzstr. 3-7, 89233 Neu-Ulm, Germany, Internet www.reinz.com Dipl.-Kffr. Nicole Schuhmacher, Pressestelle Phone ++49 (0)731/7046-369, Fax ++49 (0)731/7046-400
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