Messtechnik bei der Auslegung des Ventiltriebs

Messtechnik bei der Auslegung des Ventiltriebs
moderner Verbrennungsmotoren
Seminar Sensoren
12.07.2010
Thomas Mayer
Messtechnik bei der Auslegung des Ventiltriebs
moderner Verbrennungsmotoren
Inhaltsübersicht
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Einführung
Dehnungsmessstreifen
Laservibrometer
Druckmessdose
Temperatursensor PT100
Beispiel einer Messung
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Messtechnik bei der Auslegung des Ventiltriebs
moderner Verbrennungsmotoren
Einführung
• Ziel: Auslegung und Beurteilung des
Ventiltriebs (max. Belastungen,
Kinematik, Resonanzstellen)
• Kombination verschiedener
Messverfahren
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moderner Verbrennungsmotoren
Einführung
Öldruck- und Öltemperaturmessung im Versorgungskanal der hydr. Ventilspielausgleichselemente
DMS-Beklebung am Schlepphebel und am Ventilschaft
Laservibrometer auf Ventil
© www.not2fast.com/bmw/
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
© HBM
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Beklebung von Ventil und Schlepphebel
Ziel: Untersuchung der dynamischen
Belastung des Ventils und des Schlepphebels
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Wirkungsweise
Metallische Dehnungsmessstreifen
basieren auf der Änderung des
Widerstands durch Längen- und
Querschnittsänderung. Da der DMS fest
mit dem Messobjekt verbunden ist, wird
dessen Formänderung direkt auf den
DMS übertragen und ist im Bereich der
elastischen Verformung proportional zu
der wirkenden Kraft.
Bereich der elastischen
Verformung (Dehnung ~ Kraft)
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Spannungs-Dehnungsdiagramm (© bs-wiki.de)
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Widerstand eines unbelasteten DMS:
Widerstandsänderung:
ρ: spezifischer Widerstand
(temp.abhängige Materialkonst.)
l: Drahtlänge
A: Querschnittsfläche
D: Durchmesser des Drahtes
Relative Widerstandsänderung:
abhängig von
Somit folgt:
wobei
ε: relative Längenänderung
εq: relative Querschnittsänderung
μ: Querdehnungszahl
k: k-Faktor
Quelle: Wikipedia
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Im elastischen Bereich ist die Längenänderung proportional der wirkenden Kraft:
~ F
und somit
~ F
Somit liefert die Widerstandsänderung eine Aussage über die wirkende Kraft.
Um die Kraft absolut messen zu können muss vorher der k-Faktor experimentell
ermittelt werden. Dies erfolgt durch die Messung der Widerstandsänderung bei
einer vorgegebenen Kraft.
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Messung der Widerstandsänderung
Die Widerstandsänderung wird mit Hilfe der
Wheatstonesche Messbrücke gemessen
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Messung der Widerstandsänderung
Im abgeglichenen Zustand gilt
Zwei parallele Spannungsteiler
und somit ist U5 = 0
Jede Veränderung eines Widerstandes führt zu U5 ≠ 0
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© Wikipedia
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Laservibrometer
• Zur Messung von Ventilhub und
Ventilgeschwindigkeit
• Entweder Referenzlaser auf
Zylinderkopf (zur Kompensation von
Schwingungen am Aufbau) oder mit
Spiegel
Reflexion am
Ventilteller
Austritt Laserstrahl
aus flexiblen
Lichtwellenleiter mit
Abschlusslinse
© Polytec
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Laservibrometer
Das Laservibrometer arbeitet nach dem Doppler-Effekt:
Bewegt sich ein Körper auf den Beobachter zu, erhöht sich die Frequenz der
reflektierten (Licht-)Wellen, bewegt sich der Körper weg, sinkt die Frequenz.
Diese Frequenzverschiebung beträgt bei einer
Geschwindigkeit v des Objektes und einer
ursprünglichen Wellenlänge λ :
fD = 2 v / λ
Um also die Geschwindigkeit eines Objektes
bestimmen zu können, muss bei bekannter
Wellenlänge die (Doppler-)Frequenzverschiebung
gemessen werden. Dies wird mit Hilfe eines
Interferometers erreicht.
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(a) Schallquelle bewegt sich nicht, (b)
bewegt sich nach rechts, bzw. links (c)
© polytec
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Laservibrometer
Funktionsweise eines Interferometers:
Eine Lichtwelle wird in zwei Teile aufgeteilt. Diese zwei Wellen durchlaufen dann
unterschiedlich lange Strecken. Dadurch ergibt sich eine Phasenverschiebung
zwischen den zwei Wellen. Werden diese dann wieder zusammengeführt, kommt es
zur Interferenz und einem entsprechenden Interferenzmuster. Dessen
Modulationsfrequenz ist wiederum proportional zur Geschwindigkeit des
Messobjektes.
Interferometer, © Polytec
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Interferenzmuster, © Wikipedia
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Messung von Öldruck und Öltemperatur
Zum Ausgleich des Ventilspiels sind hydraulische Ausgleichselemente verbaut. Die
Funktion dieser Elemente hängt u. a. von Öldruck und Öltemperatur ab.
Um die Dynamik des Ventiltriebs zu untersuchen, muss sichergestellt sein, dass alle
Messungen unter den gleichen Randbedingungen durchgeführt wurden, d. h. alle
Messungen müssen bei gleichem Öldruck und gleicher Öltemperatur durchgeführt
werden.
Um dies zu gewährleisten, wird das Öl bei den Messungen extern konditioniert und
dessen Druck und Temperatur an einer geeigneten Stelle im Zylinderkopf gemessen.
Die Druckmessung erfolgt dabei mit einer Druckaufnehmer, die
Temperaturmessung mittels eines Pt100-Temperaturfühlers.
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Druckaufnehmer
Der Druckaufnehmer wird an Verlängerung des zu
überwachenden Ölkanals angebracht.
© Showa Measuring Instruments Co.,LTD
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Druckaufnehmer
- Der Druck steht an einer Membran an.
- An der Membran sind DMS angebracht,
die zu einer Wheatstoneschen
Messbrücke verschaltet sind.
- Durch entsprechende Kalibrierung ist
die ausgegebene Spannung
proportional zum anstehenden Druck.
- Temperaturschwankungen werden
durch die Messbrücke kompensiert.
© Showa Measuring Instruments Co.,LTD
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Pt100-Temperaturfühler - Allgemeines
- Pt100 basieren auf der Widerstandsänderung
von Platin unter Temperatureinfluss. Diese
Widerstandsänderung ist in DIN EN 60751 (200905) festgelegt.
- Die Zahl „100“ in der Bezeichnung des Sensors
steht für den Nennwiderstand R0 bei 0°C, d. h.
ein Pt100-Sensor hat bei 0°C einen
Nennwiderstand von 100 Ω. Weitere
gebräuchliche Typen sind Pt200, Pt500, Pt1000.
Vorteil der Standardisierung ist die leichte
Austauschbarkeit.
© omega.de
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Pt100-Temperaturfühler - Kennlinie
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Pt100-Temperaturfühler - Messschaltung
Die Widerstandsbestimmung erfolgt über eine Spannungsmessung bei
konstantem Strom (im mA-Bereich). Häufig misst man allerdings nicht
diese Spannung, sondern nur ihre Änderung gegenüber einem Anfangswert
mittels einer differenzbildenden Schaltung (Wheatstone-Brücke).
Zweileiterschaltung:
Der RAbgl gleicht die Brücke im Ausgangszustand ab. Ein ΔRLtg
ist nicht unterscheidbar von einem ΔRt . Somit verfälscht jede
Temperaturänderung der Leitung das Messergebnis.
© wikipedia
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Pt100-Temperaturfühler - Messschaltung
Dreileiterschaltung:
Bei gleichen Leitungen fällt RLtg heraus. RLtg1 wirkt wie ein
Quellenwiderstand.
.
Vierleiterschaltung:
mit
ist
Somit kann der Spannungsverlust in den Messleitungen
vernachlässigt werden. Und es folgt:
und damit
© wikipedia
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Beispiel einer Messung
- Ventilhub
- Ventilgeschwindigkeit
- Schlepphebelkraft
- Ventilschaftkraft
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Fragen?
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