Testning av högpresterande motorkomponenter med Dewesoft förbränningsanalysator

Komponenterna i dagens förbränningsmotorer i premiumklassen och motorsport utsätts för höga, återkommande belastningar under drift. Att verifiera kvaliteten hos tillverkade lättviktskomponenter som kolvar och vevstakar är avgörande för att säkerställa en lång livslängd. Ingenjörer genomför omfattande tester både i laboratoriet, med drag- och tryckprovningsmaskiner, och på testbänkar i verkliga motorapplikationer. Testavdelningen hos Pankl Racing Systems ger en inblick i sin dagliga användning av Dewesofts förbränningsmotoranalysator (CEA) för detaljerad analys.

Pankl Racing Systems har sitt huvudkontor i den lilla industristaden Kapfenberg i sydöstra centrala Österrike, vid sammanflödet av floderna Mürz och Thörlbach.

Divisionen Pankl High-Performance är en förstaleverantör som specialiserar sig på utveckling och produktion av komponenter för motorer, chassin och transmissionssystem. Kunderna inkluderar fordonsindustrin, olika motorsportteam samt flygindustrin.

Pankl utmärker sig inom dessa nischmarknader med lättviktskomponenter tillverkade av högkvalitativa, innovativa material som är utformade för extrema mekaniska belastningar.

Komponenttestning

Avdelningen Engine Systems är specialiserad på vevstakar, kolvar och vevaxlar, tillgängliga som enskilda komponenter eller kompletta system. Den ansvarar för konstruktionen internt, från den första designen till FEM-beräkningen av hela systemet.

Diplomingenjör (DI) Elias Hillebold ansvarar för motorprovbänken. Först visade han mig runt i hela företaget, där jag fick en tydlig bild av komplexiteten i denna högspecialiserade utveckling.

Vevstakar för racing tillverkas av höghållfast stål och titanlegeringar, där Pankl har utvecklat egna tillverkningsstrategier. Ingenjörerna överför också erfarenheter från motorsport till serieproduktion av högprestandafordon.

Ingenjörer tar prover från serieproducerade komponenter, gjuter in dem i provkroppar och slipar dem plana. Ytstrukturen analyseras sedan med ett svepelektronmikroskop. De testar även befintliga och nya material vid mottagningskontroller, och förstorade, färgade bilder av metallytor pryder väggarna i kontoren. Man slås av det detaljerade processkunnandet och den passion teknikerna visar i sitt arbete.

Utöver drag- och tryckprovningsmaskiner finns här även en provbänk för utmattningshållfasthet. Just nu spänner operatörerna fast en vevstake som förses med töjningsgivare. En resonansbaserad pulsexcitation kör ett frekvens- och amplitudprogram under ett definierat antal cykler eller tills utmattning uppstår, under konstant övervakning.

Vi går in i det sista rummet i korridorens slut. Luften luktar metall och bränsle. Här finns motorprovbänken och tillhörande verkstad. Det är här mekatronikingenjörens tvärvetenskapliga kompetens blir tydlig, multimetrar och sensorer samsas med noggrant tillverkade och ytbehandlade metalldelar.

Motorprovbänken och testmotorn

Pankl Racing har utvecklat en egen encylindrig förbränningsmotor för att testa tillverkade motorkomponenter under verkliga driftsförhållanden. Denna uppställning gör dem mindre beroende av externa testcenter och möjliggör ännu mer detaljerade analyser.

Allt går inte alltid enligt plan under utvecklingen, därför är det avgörande att snabbt upptäcka farlig knackning vid höga varvtal och eliminera den för att minimera skador.

Pankl Racing har därför två huvudmål, kontinuerlig utveckling av förbränningsmotorer och intern testning av sina komponenter.

Använd utrustning och programvara

Det universella mätsystemet Dewesoft SIRIUS, i sin höghastighetsversion på 1 MHz, är idealiskt för de högsta kraven på vinkelupplösning.

• SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ – ett höghastighets SIRIUS-mätsystem, 1 MHz per kanal, åtta analoga ingångar för laddning/IEPE/spänning + 2 snabba digitala ingångar för vinkelgivare

• DewesoftX CEA-BASE och CEA-ADVANCED – programvarualternativ för förbränningsmätningar och beräkning av förbränningsparametrar (till exempel termodynamik) i DewesoftX-programvaran för datainsamling och signalbehandling

• DewesoftX OPT-CAN (ingår med SIRIUS, CAN-port på enhetens baksida) – programvarualternativ för kommunikation med styrenheten, inklusive mottagning och sändning av CAN-bussdata

• L1B7m-3xBNC-BOX – en anslutningsbox (Bayonet Neill-Concelman) utformad för att bibehålla kabelns karakteristiska impedans genom anslutningen för vevaxelns vinkelgivare (3x BNC till 100 MHz SIRIUS-räknaringång)

• DewesoftX PLUGIN-CA-TESTBED – ett programvarualternativ för Ethernetkommunikation med KS Engineers testbänk

Mätningar och resultat

Sedan Formel 1-reglerna har begränsat bränsleförbrukningen till cirka 100 kg måste dagens förbränningsmotorer arbeta med en betydligt magrare luft-bränsleblandning. Detta innebär att enskilda komponenter, såsom tändsystemets tändstift, ständigt måste anpassas och optimeras för motorn.

Förkammartändningsprincipen har varit känd i mer än 100 år. Ingenjörer tillämpade den först i tidiga dieselmotorer, och den används fortfarande i stor utsträckning i gasmotorer och stora kraftgeneratorer. Den har dock också fått en ny tillämpning inom Formel 1, där den fungerar som ett tändsystem.

Denna princip gör det möjligt för gnisttända motorer att arbeta med magra luft-bränsleförhållanden, vilket förbättrar bränsleeffektiviteten, sparar omkring 20 procent bränsle och minskar utsläppen. Den fungerar så att en mindre mängd bränsle injiceras i förkammaren och antänds med ett konventionellt tändstift.

Den extremt heta flamstrålen strömmar ut ur kammaren genom små munstycken, bildar ett stjärnformat mönster i alla riktningar och antänder resten av blandningen snabbare och mer fullständigt än ett traditionellt tändstift. Antändningen i huvudkammaren sker strax före ÖDP-punkten.

Utmaningen i utvecklingen ligger i att exakt styra insprutningen i en liten kammare, som måste fungera precist under alla varierande motorförhållanden. Ingenjörerna genomför många CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics) för att få en djupare förståelse och mer exakta förutsägelser av beteendet. Ett annat problem är den mycket höga temperaturen inne i förkammaren.

För att utvärdera prestandaökningen från komponentändringarna, vilka CEA-parametrar är nu mest intressanta för kunden?

”Massomvandlingspunkterna, MFB (Mass Fraction Burned), vid 10 %, 50 % och 90 % är av störst intresse”, förklarar Elias Hillebold. ”Dessa MFB-punkter ger insikt i motorns förbränningshastighet. Kurvan bör vara så brant som möjligt för att uppnå högsta möjliga motoreffektivitet.”

När vi granskade mätdata för denna fallstudie upptäckte vi av en slump inställningen för gasväxlingskurvan i CEA Scope-widgeten. Vi fann denna funktion mycket användbar; tidigare var vi tvungna att exportera data till MATLAB för att få tillgång till denna visning.

Ingenjörerna använder gasväxlingskurvan för att avgöra hur avgassystemet påverkar förbränningen. En sugeffekt uppstår i avgasröret, vilket orsakar en tryckpuls vid insuget. Trimningsexperter utnyttjar medvetet denna effekt för att uppnå högre effekt.

Slutsats – modulen har bred användning

Pankl Racing köpte initialt SIRIUS-mätmodulen och CEA-programvarupluginet enbart för förbränningsmätningar, det vill säga registrering och utvärdering av cylindertryck och vevvinkel. Ingenjörerna samlade in data och kalibrerade modellen, vilket möjliggjorde en jämförelse med CFD-beräkningarna.

Kort därefter införskaffade Pankl Racing Systems även Testbed Plugin, som möjliggör direkt och liveöverföring av mätdata till testbänken Kristl Seibt Tornado. Pluginet är avgörande för att tidigt upptäcka knackningar och vidarebefordra dem.

Sedan dess har användningsområdet utökats till att omfatta många ytterligare mätkanaler. Ingenjörerna verifierar ECU-data (parametervalidering), registrerar injektorström med strömtänger och mäter fördröjningstider. Samtidig registrering från en lastcell ger ytterligare insikter. Testbed Plugin och CEA-modulen kan kombineras för att identifiera alla påverkande faktorer och optimera ECU:ns parametrar.