eDAQ-lite von HBM, installiert im Dragster von Thompson Engineering and Racing

Thompson weiß aus seiner langjährigen Tätigkeit als Versuchsingenieur, dass die Datenerfassung eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Leistung einzelner Komponenten und der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems spielt. Er hat diese Fachkompetenz in seine „zweite Karriere“ in der Rennwagentechnik eingebracht. Um die benötigten Messungen durchzuführen, nutzt Thompson intensiv alle Möglichkeiten des Datenerfassungssystems SoMat eDAQlite von HBM.

Einer der Gründe, warum sich Thompson für eDAQlite entschieden hat, liegt darin, dass das System nicht nur genaue Daten liefert, sondern auch gut mit dem im Innenraum des Dragsters verfügbaren knappen Platz auskommt. Die von eDAQlite bereitgestellten Daten und sein Wissen „wie es wirklich funktioniert“ ermöglichen Thompson, die ET-Konsistenz (für „Elapsed Time“ – verstrichene Zeit), Sicherheit und Zuverlässigkeit seiner Rennwagen zu verbessern.

Darüber hinaus hat das eDAQlite Fähigkeiten, die andere sonst häufig im Rennsport genutzte Datenerfassungssysteme nicht bieten können. Die meisten anderen Datenerfassungssysteme haben beispielsweise eine maximale Abtastrate von nur 100 Samples/s, das eDAQlite bietet dagegen bis zu 100.000 Samples/s.

Hinzu kommt noch, dass das eDAQlite von HBM eines von nur ganz wenigen Datenerfassungssystemen ist, die zum Einsatz in den Sportsman-Klassen der Championship Drag Racing Series zugelassen sind, die von der National Hot Rod Association (NHRA), der wichtigsten Drag-Racing-Organisation in Nordamerika, veranstaltet werden.

Messdatenerfassung auf einem 7-Sekunden-Dragster

Ein John Deere-Traktor ist kein Rennwaagen – zumindest ist er nicht schnell genug für Ray Thompson.

Thompson hat 35 Jahre Erfahrung als Ingenieur, hauptsächlich als Versuchsingenieur, in der Entwicklung von Prüfungen und bei der Fehleranalyse, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit von John Deere Traktoren zu verbessern.

Doch seine wahre Leidenschaft waren schon immer Beschleunigungsrennen, auch „Drag Racing“ genannt. Eine der traditionellen Distanzen beim Drag Racing ist eine Viertelmeile. Ray Thompson ist Straßenwagen gefahren, die diese Strecke in zwölf Sekunden zurücklegen, außerdem Chassiswagen, die dafür neun Sekunden benötigen, sowie Sieben-Sekunden-Dragster.

Nachdem er bei John Deere aufgehört hatte, gründete Ray Thompson seine eigene Firma Thompson Engineering and Racing, um sein Wissen über Fahrdynamik und Fehleranalyse auf den Rennsport und insbesondere das Drag Racing anzuwenden.

Schließlich hat sich Thompson für das eDAQ-lite entschieden, weil er mit SoMat von HBM seit langem vertraut ist. Er arbeitet schon seit den 1980er Jahren mit SoMat-Produkten und hat sie immer als genau und zuverlässig erlebt. Wenn doch einmal Fragen aufkamen, hat der technische Support von HBM stets gut mit ihm zusammengearbeitet und schnell eine Lösung gefunden.

Den Motor starten

Vor kurzem hat Thompson ein Projekt begonnen, dessen Ziel es ist, dass sich der Motor seines Sieben-Sekunden-Dragsters leichter starten lässt und der gelegentliche „Kick back“ vermieden wird. Thompson wusste, dass es für eine erfolgreiche Durchführung dieses Projekts notwendig sein würde, mehrere Motorparameter zu messen, darunter als wichtigsten die Motorstartdrehzahl.

Zum Aufzeichnen der Motordrehzahl wird üblicherweise das Ausgangssignal des Tachometers von der Zündanlage mit dem Daten-Logger verbunden. Dieses Ausgangssignal liefert vier Impulse/Kurbelumdrehung, was im Allgemeinen eine für die meisten Anwendungen ausreichende Auflösung ist.

Um den mechanischen Zustand des Motors zu überprüfen, werden jedoch detailliertere Informationen benötigt. Für diese Anwendung verwendete Thompson einen mit der Schwungscheibe verbundenen Drehzahlaufnehmer.

Dieser Aufnehmer erkennt die Zähne an der Schwungscheibe, die sich an ihm vorbeibewegen, und gibt 168 Impulse pro Kurbelumdrehung aus. Die Abtastrate wurde auf 200 Samples pro Sekunde eingestellt. Abbildung 1 zeigt einen Vergleich dieser beiden Messmethoden.

Das Diagramm in Abbildung 2 stellt die Motorstartdrehzahl des Dragster-V8-Motors mit 548 Kubikzoll Hubraum über einen Zeitraum von zwei Sekunden dar. Das Verdichtungsverhältnis des Motors beträgt 15:1. Die mittlere Startdrehzahl liegt zwar bei 150 U/min, doch während eines Arbeitstakts kann sie 225 U/min betragen, während eines Verdichtungstakts dagegen nur 85 U/min.

Bei einer Startdrehzahl von 150 U/min macht die Kurbelwelle 2,5 Umdrehungen pro Sekunde. Wie in dem Diagramm zu sehen ist, werden bei einem Viertakt-V8-Motor im Zeitraum von einer Sekunde zehn Arbeitstakte ausgeführt.

Allein anhand dieses Diagramms können die Schwankungen von Zylinder zu Zylinder verglichen werden. Alle mechanischen Probleme, die sich auf die „Pumpleistung“ des Zylinders auswirken, verändern die Startdrehzahl. Die regelmäßige Aufzeichnung der Motordrehzahl beim Starten und ein anschließender Vergleich der Kurvenform von Zylinder zu Zylinder ist eine schnelle Methode, um den mechanischen Zustand des Motors zu kontrollieren.

Viele erfahrene Rennfahrer können sogar am erzeugten Geräusch feststellen, ob ein Motor einen schwachen Zylinder hat. Mit der Messung der Motorstartdrehzahl und der Erstellung eines Diagramms wie dem in Abbildung 1 gezeigten lässt sich objektiv nachprüfen, was diese erfahrenen Rennfahrer schon immer gewusst haben.

Einen toten Zylinder finden

Um dieses Phänomen zu demonstrieren, führte Thompson zwei Messreihen der Motorstartdrehzahl durch. Die erste Messreihe machte er mit dem normal arbeitenden Motor. Vor der Durchführung der zweiten Messreihe baute er eine Zündkerze aus, um einen toten Zylinder zu simulieren.

Abbildung 3 ist ein Kurvenzug dieser Messungen, wobei die beiden Reihen übereinandergelegt sind. Die rote Kurve stellt den normalen Motorbetrieb dar, die blaue Kurve dagegen den Motorbetrieb mit einem toten Zylinder. Wenn sich der tote Zylinder dem oberen Totpunkt (OT) nähert, sieht man, dass die Motordrehzahl ansteigt, statt abzunehmen, wie es normalerweise der Fall wäre. Der Grund hierfür ist der fehlende Widerstand durch die Luftverdichtung. Zu beachten ist auch, dass die mittlere Startdrehzahl bei dem Motor mit dem toten Zylinder ungefähr 10 U/min höher war. Deshalb stimmen die beiden Kurven nicht gut miteinander überein.

Eine weitere Möglichkeit für die Analyse der Motorleistung besteht darin, eine Frequenzanalyse des Motordrehzahlsignals durchzuführen. Abbildung 4 zeigt einen Kurvenzug dieser Analyse. Die Frequenz mit dem höchsten Wert ist 10 Hz. Dies entspricht der Zündfrequenz eines Achtzylinder-Viertaktmotors bei 150 U/min. Man bezeichnet dies als Effekt 4. Ordnung, da er vier Mal pro Kurbelumdrehung auftritt.

Die Frequenzkomponente mit dem zweithöchsten Wert ist 20 Hz. Bei dieser Frequenzkomponente handelt es sich um einen Effekt 8. Ordnung, und er entsteht aufgrund der Dynamik der acht Zylinder des Motors. Diese dynamischen Effekte treten auf, weil sich die Drehzahl der Kurbelwelle während der Verdichtung jedes Zylinders verlangsamt. Obwohl diese dynamischen Schwankungen zwar durchaus üblich sind, können sie eventuell verringert werden, indem man die Massenträgheit der Baugruppe aus Schwungscheibe und Drehmomentwandler erhöht.

Aufgrund seiner Untersuchungen stellte Thompson fest, dass die mittlere Startdrehzahl von 150 U/min für ein gutes Startverhalten zu gering sein könnte. Nun gibt es mehrere Möglichkeiten, wie diese Drehzahl erhöht werden kann, beispielsweise:

Einen leistungsfähigeren Anlassermotor einbauen;
Die Batterieleistung erhöhen;
Batteriekabel mit größerem Durchmesser verwenden, um Spannungsabfälle zu vermeiden; und
Sicherstellen, dass eine durchgängige Masseverbindung von der Batterie zum Anlasser vorhanden ist.

„Kick backs“ vermeiden

Eines der Ziele von Thompson war es schließlich, die Möglichkeit eines Rückschlags, des sogenannten „Kick back“, zu vermeiden. Dieser „Kick back“ tritt auf, weil die Motoren von Rennwagen niedrigere Startdrehzahlen (ca. 150 U/min), eine größere Verdrängung, eine höhere Verdichtung und eine frühere Vorzündung haben als Serienmotoren.

Wenn ein Zylinder zündet, besteht die Möglichkeit, dass sich die Kurbelwelle zurückdreht und dabei die Zähne der Schwungscheibe in das Ritzel des Anlassermotors stößt, sodass dabei eventuell die Zahnradzähne beschädigt werden.

Eine Veränderung der oben genannten Parameter kann dazu beitragen, diesen „Kick back“ zu verhindern, doch dadurch kann sich die Motorleistung verringern. Aus seiner Erfahrung und der Auswertung der Daten hat Thompson herausgefunden, dass die Anzahl der „Kick backs“ erheblich verringert werden kann, wenn er den Zündzeitpunkt um einige Grade zurückstellt und gleichzeitig wartet, bis der Motor die volle Startdrehzahl erreicht hat, bevor die Zündanlage zugeschaltet wird.

Es ist klar, dass SoMat eDAQlite einer der Schlüssel zum Erfolg von Thompson auf dem Drag Strip ist. Die Daten, die er mit diesem kompakten, leistungsfähigen Datenerfassungssystem erfasst, sind genau das, was er auf seiner Suche nach immer höheren Geschwindigkeiten braucht.