Die Sensoren werden oftmals bereits während der Konstruktion von Motoren ein-designed und permanent an den einzelnen Zylindern eines Großmotors installiert. Im Betrieb des Motors liefern sie die Verbrennungsdrücke und damit DIE zentrale Information, um Kraftwerke oder Schiffsantriebe dauerhaft zu überwachen und zu regeln. Dabei ergeben sich unterschiedliche Ansätze, um die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit steigern und gleichzeitig den Verschleiß und die Emissionen zu senken:
- Zylindergleichstellung: die Verbrennungsunterschiede in unterschiedlichen Zylindern werden erfasst und so geregelt, dass Abweichungen deutlich reduziert werden.
- Steigerung des Maximaldrucks: Konventionelle, ungeregelte Motoren sind so ausgelegt, dass unter allen Betriebszuständen eine sichere Verbrennung gewährleistet ist – damit müssen größere Sicherheitsmargen zum optimalen Betriebspunkt des Motors berücksichtigt werden.
- Darüber hinaus ermöglichen die Zylinderdrucksensoren den Einsatz von Großmotoren bei stark schwankenden Gasqualitäten (Prozessgase, Bio- oder Deponiegase), die heute schwer oder gar nicht nutzbar sind und fungieren damit als enabling technology.
Bereits bei einer geringfügigen Effizienzverbesserung von typischerweise 0,5% bis zu 2,5% lassen sich enorme Treibstoffmengen einsparen. Neben den enormen wirtschaftlichen Vorteilen durch reduzierte Treibstoffkosten ergibt sich eine deutliche Reduzierung der CO2-Emissionen.
Sensor Technologie
Die besondere Herausforderung in der Überwachung und Steuerung von Großmotoren ist es, bei einer sehr guten Datenqualität eine Lebensdauer von mehreren Jahren unter den herausfordernden Bedingungen eines Großmotors zu gewährleisten. Die Sensoren sind dabei nicht nur hohen Druckstößen, sondern auch zeitgleich hohen Belastungen durch Hitzeschocks sowie enormen Beschleunigungen ausgesetzt. Die Piezomesstechnik ist für diese extremen Anforderungen besonders vorteilhaft, da sie im Gegensatz zu anderen Sensortechnologien wie beispielsweise Dehnmessstreifen (DMS) praktisch wegfrei misst. So sind durch die extrem steifen GaPO4 Kristalle die maximalen Wege vielfach im Bereich eines Mikrometers oder deutlich darunter – wohingegen DMS vergleichsweise weiche Verformungskörper benötigen, die oftmals die 10fache Wegstrecke im Betrieb benötigen. Diese geringeren Verformungen der piezoelektrischen Messtechnik ermöglichen unter den harten Umgebungsbedingungen eine substanziell geringere Materialermüdung und damit einen deutlichen Zuwachs an Lebensdauer und Ausfallsicherheit.
Die Großmotorensensoren sind mit einer Vielzahl von Technologien und ausgefeilten Konstruktionsdetails ausgestatten, von denen etliche patentiert oder zum Patent angemeldet sind. So sind neben der bewährten Double ShellTM Konstruktion, die Verformungen des Zylinderkopfes kompensiert oder einem innenliegendes Vorspannelement, die besonders robusten und temperaturstabilen GaPO4Messelementen verbaut. Alternative piezoelektrische Materialien verfügen im Vergleich zum GaPO4 über deutlich reduzierte Innenwiderstände. Werden solche Kristallelemente in Sensoren eingesetzt, geht eine Vielzahl von Ladungen durch den niedrigen Isolationswiderstand „verloren“, die Messignale solcher Sensoren unterliegen systematisch einer drehzahlabhängigen Verzerrung. Demgegenüber gestattet der auch bei hohen Temperaturen extrem hohe Isolationswiderstand der GaPO4Kristallelemente, gerade auch bei langsam laufenden 2-Takt Motoren eine richtige und unverzerrte Wiedergabe des Drucksignals.
Darüber hinaus sind die Piezocryst-Sensoren mit einem einzigartigen Leak ProofTMSicherheitsdesign ausgestattet. Dies ist so konzipiert, dass auch im unwahrscheinlichen Fall eines Membranbruchs ein Sensorteil die Funktion eines Sicherheitsventils übernimmt und im Sensor den Zylinder gegen die Umgebung abdichtet. Unter allen Umständen wird ein Austreten heißer Verbrennungsgase verhindert, das Bedienpersonal und der Motor werden geschützt, ungeplante Motorstopps werden vermieden.
Die Sensoren sind mit einem hochwertigen Ladungsverstärker ausgestattet. Dieser Ladungsverstärker „erkennt“ das Drucksignal und kompensiert automatisch jegliche Drift. Durch diese aufwändige Technologie werden die Schwächen einfacher Ladungsverstärker, die nur mit einem Rückkoppelwiderstand ausgestattet sind vermieden, die Signale werden exakt wiedergegeben.
