Temperaturmåling på et stempel i drift

Foto : MAN Energy Solutions

Temperaturmåling på et stempel i drift

Med 17 trådløse temperatursensorer har HH Instruments været i stand til at måle overfladetemperaturen på et stempel til en firetakts gasmotor fra MAN Energy Solutions, mens motoren kørte med 750 omdrejninger i minuttet.

Talemåden om, at noget skal listes ind med skohorn, kommer til sin ret i en løsning, instrumenterings- og rådgivningsvirksomheden HH Instruments har leveret til MAN Energy Solutions Holeby.

Opgaven bestod nemlig i at måle temperaturen på overfladen af et stempel i en firetakts gasmotor. Det er ikke nemt, når pladsen er trang, temperaturen 400-500 grader, det plasker med olie, og stemplet kører med 750 omdrejninger i minuttet.

Men det var nødvendigt, hvis MAN Energy Solutions skulle kunne garantere holdbarheden og performance over for underleverandøren, der fremstiller motoren, forklarer testingeniør Jimmi Ludvigsen fra MAN Energy Solutions:

»Projektet var en del af udviklingen af vores 'Dual Fuel Engines', som altså både er i stand til at forbrænde gas og diesel. Men vi var nødt til at kende temperaturen og fordelingen i stempelkronen og stempelringen for at være sikre på, at der ikke opstår hotspots, som på sigt kunne ødelægge effektiviteten og holdbarheden,« forklarer han.

Sensorspecialist tog over

Til den opgave henvendte de sig til HH Instruments i Højbjerg syd for Aarhus, som tidligere har gennemført måle-projekter for MAN.

Her kastede Rasmus Rossen, som er uddannet maskinmester og ejer af HH Instruments, sig over opgaven. Konkret lød den på at kunne måle temperaturen 17 forskellige steder cirka én millimeter under overfladen på stemplet, der blot er 22,5 cm i diameter, mens motoren kørte med 750 omdrejninger i minuttet.

Det skal her bemærkes, at MAN har samme udfordring, når det gælder de store totaktsmotorer. Men på grund af størrelsen er der ikke de samme udfordringer med at få plads til temperaturfølere og sendere. Også hastigheden på stemplet gør opgaven noget lettere, når det gælder totaktsmotorer.

man hh instruments
CAD-tegning, som viser placeringen af målepunkter på stempelhovedet.
Illustration: HH Instruments

»Foruden den snævre plads og det barske miljø så skulle temperaturfølerne kunne holde til de G-påvirkninger, der opstår, når stemplet vender. Det svarer til cirka 2.000 G. Samtidig skulle data kunne sendes trådløst,« fortæller Rasmus Rossen.

Løsningen blev 17 sensorer af typen PT100 modstandstemperaturfølere. Der blev boret 17 huller med en tykkelse på 1,5 mm i stemplet, hvor sensorer blev placeret. Derefter blev hullet dækket med lasersvejsning på præcis 1 mm tykkelse.

For at kunne overføre data trådløst blev der bag på stempelkronen ført ledninger ned til 17 sendere placeret i 3D-printede bokse, som var små nok til at kunne sidde mellem plejlstangen og cylindervæggen. Her skulle der også være plads til et batteri, så senderne kunne få energiforsyning. Selve signalet blev overført med 2,4 GHz-standard wifi.

Senderne kan fjernstyres og logges på en pc samt sendes til motorkundernes eget loggersystem for validering af teoretisk beregnede overfladetemperaturer.

Løsning kan bruges andre steder

Fra den første kontakt mellem MAN Energy Solutions og HH Instruments blev taget, gik der cirka seks måneder, før løsning og data var klar.

»Det var noget af en udfordring, men i dag kan vi se, at de løsninger, vi fandt, også kan bruges i andre typer af målinger over for andre kunder,« siger Rasmus Rossen. 

I den aktuelle MAN-løsning blev der overført målinger cirka seks gange i minuttet. Mere var ikke nødvendigt, da temperaturen ikke ændrer sig meget i løbet af et minut. Det havde også den fordel, at batteriet ikke blev drænet for hurtigt:

»Men når vi bruger teknologien til at måle belastninger ved hjælp af strain gauges på siden af for eksempel en tand på et tandhjul, måler vi 36.000 gange i sekundet. Vi bruger et andet teknologisk setup og sendeteknologi - dog stadig trådløst og batteriforsynet. Temperaturerne er tilsvarende høje temperaturer, og udstyret bliver udsat for et lignende hårdt kemisk miljø forårsaget af smøreolierne« siger Rasmus Rossen.

Man Energy Solutions har efterfølgende planlagt et tilsvarende projekt på en lidt større motor:

»Vi forventer selvfølgelig, at vi får samme samme gode resultat,« siger Jimmi Ludvigsen.