Messtechnik und Prüfstände für Verbrennungsmotoren

Auch langfristig wird ein erheblicher Entwicklungsbedarf im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren bestehen. Teilweise werden Motoren unter bekannten Einsatzbedingungen optimiert, z. B. zur Erfüllung neuer Abgasstandards, zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und unmittelbar damit verbunden des Kohlendioxid-Ausstoßes sowie zur Erhöhung der Leistungsdichte (Downsizing). In neuen Domänen wie z. B. in kleinen Blockheizkraftwerken, die mit Erdgas Strom und Wärme für Wohngebäude erzeugen oder als Range-Extender, die in überwiegend elektrisch betriebenen Fahrzeugen ein Nachladen der Batterie während der Fahrt ermöglichen, ist noch mit grundlegenden Neuentwicklungen an Verbrennungsmotoren zu rechnen. Messungen an Verbrennungsmotoren werden nicht nur bei den Herstellern von Fahrzeugen und Motoren durchgeführt. Auch Zulieferer von Baugruppen oder Teilen für Motoren sowie deren Zulieferer sind auf Messungen und Tests angewiesen. Weitere Einrichtungen sind die Hersteller von Kraft- und Schmierstoffen, Tuner, Behörden, Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Dienstleister und natürlich auch die Hersteller der Mess- und Prüftechnik für Verbrennungsmotoren. Die Ziele der Messungen und Prüfungen können dabei sehr unterschiedlich sein, Beispiele sind Dauerlauftests, Leistungsmessung, Abgasmessung, Steuergeräteapplikation, Robustheitstests, Qualitätssicherung in der Produktion, Komponententests, Untersuchungen von Kraftstoffen, Schmierölen oder Kühlmitteln, akustische Optimierung oder EMV-Tests. Fast allen diesen Messungen und Prüfungen ist zunächst gemeinsam, dass sie einen Prüfstand erfordern, der den Betrieb des Motors außerhalb des Fahrzeugs unter realistischen Bedingungen ermöglicht. Produktionstests werden teilweise unbefeuert durchgeführt, auch bei der Untersuchung von Schmierstoffen können unbefeuerte Versuche stattfinden.

Das Ziel dieses Kapitels ist, kurz Grundlagen der Verbrennungsmotoren einzuführen und Hinweise auf die in der Entwicklung interessanten Messgrößen sowie auf sonstige Eigenschaften zu geben, die für den Betrieb am Prüfstand relevant sind. Nach einer Einordnung des Verbrennungsmotors in die Wärmekraftmaschinen werden unter diesem Aspekt die Gemischbildung, die Verbrennung flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe, die Thermodynamik, der Kurbeltrieb, die Abgasnachbehandlung, die Kühlung, die Schmierung und die Elektrik betrachtet. Dies beinhaltet auch die Betrachtung des Luftsystems, der Kraftstoffanlage, z. B. einer Common-Rail-Einspritzung, sowie der Zündung beim Ottomotor. Abschließend wird auf die Besonderheiten von Forschungsmotoren eingegangen.

Aus dem Aufbau und der Funktionsweise des Motors nach Kap. 2 folgt der Aufbau des Motorenprüfstandes. Die Edukte, also Kraftstoff und Luft, müssen dem Motor unter definierten Bedingungen zugeführt und deren Menge gemessen werden, die Prozesse der Gemischbildung und Verbrennung müssen gesteuert und gemessen werden und die Produkte (mechanische Arbeit, Verlustwärme und Abgase) müssen ebenfalls beherrscht und gemessen werden. Weiterhin müssen definierte Betriebsbedingungen herrschen. Die Hilfskreisläufe des Motors (Kühlmittel, Öl) müssen dazu herausgeführt werden, um reproduzierbare Temperaturen und Drücke einzustellen und um Messungen an diesen Medien durchzuführen. Einige wichtige und gut abgrenzbare Teilsysteme werden in den folgenden Kapiteln detailliert behandelt, einige Teilsysteme sind in diesem Kapitel am besten aufgehoben.

Um den Prüfstand herum sind Kontrollräume, Vorbereitungsräume, Kraftstofflager, Gaslager und andere Räume einzurichten. Die Anlage erfordert eine umfangreiche technische Gebäudeausstattung, die über den Bedarf anderer Laborgebäude hinausgehen kann. Aus mechanischer Sicht sind die beiden wichtigsten Geräte im Prüfstand der Prüfling selbst und die Belastungseinheit, die realistische Betriebsbedingungen des Motors unter Last erzeugen kann und oft durch eine elektrische Maschine realisiert wird.

Neben Motorenprüfständen gibt es andere Prüfstände für ähnliche Aufgaben, die in einigen Anwendungen mit Motorenprüfständen konkurrieren. Antriebsstrangprüfstände (Abschn. 4.1) erweitern den Triebstrang über den Motor hinaus (und oft sogar ohne diesen). Ergänzt man den Antriebsstrang weiter, kann man gleich ein ganzes Fahrzeug untersuchen; derartige Prüfstände heißen Fahrzeugprüfstände und werden meist als Rollenprüfstände ausgeführt (Abschn. 4.2). Eine wichtige Rolle in der Motorenerprobung spielen auch Straßenfahrten (Abschn. 4.3). Schließlich sind oft Motorkomponenten zu erproben, dies ist auch ohne den Motor auf oft hochspezialisierten Komponentenprüfständen möglich (Abschn. 4.4). In Abschn. 4.5 wird ein  kurzer Überblick über Prüfstände für Betriebsstoffe gegeben.

Wie bereits in Kap. 3 erläutert, befinden sich auf einer Grundplatte sowohl der Verbrennungsmotor als auch die Belastungsmaschine, beide sind mit einer Welle verbunden. Besonders der Verbrennungsmotor leitet nicht nur im Fahrzeug, sondern auch am Prüfstand störende Schwingungen ein, die wir in Abschn. 5.1 betrachten; deren Nichtbeachtung kann zu Schäden am Prüfling oder am Prüfstand führen, sowie die Umgebung des Prüfstandes stören. In Abschn. 5.2 werden wir kurz auf die Grundplatte eingehen. Während wir bereits bei der schwingungstechnischen Betrachtung in Abschn. 5.1 auf die Lagerung des Motors eingehen, werden wir das Thema in Abschn. 5.3 nochmals unter dem Aspekt des schnellen Prüflingswechsels aufgreifen. Recht ausführlich werden wir in Abschn. 5.4 eine nur scheinbar triviale Komponente betrachten, die Welle zwischen Prüfling und Belastungsmaschine. Während wir in Abschn. 5.1 linear gerichtete Schwingungen betrachteten, müssen wir bei der Welle Torsionsschwingungen, die nicht nur hochaufgelöste Messungen beeinträchtigen, sondern auch zur Zerstörung der Welle führen können betrachten. Auch können an der Welle Biegeschwingungen auftreten. Im Vergleich zum Motor trivial ist die Lagerung der Belastungsmaschine (Abschn. 5.5). Selten werden noch andere Komponenten wie Getriebe (Abschn. 5.6) oder Kupplungen (Abschn. 5.7) in den Wellenstrang integriert.

Sofern bei einem Fahrzeug nicht der Gang herausgenommen oder die Kupplung getrennt ist, wird der Motor im Fahrbetrieb mit einem Gegenmoment belastet. Einige Untersuchungen am Motor lassen sich am Prüfstand auch unbelastet durchführen, meist ist eine dem Fahrbetrieb ähnliche Belastung erforderlich. Zunächst einmal betrachten wir die im Fahrbetrieb auftretenden Kräfte am Fahrzeug und Momente am Motor, dann werden wir die Maschinen betrachten, die am Prüfstand diese Belastung erzeugen. Im 19. Jahrhundert entwickelte W. Froude Wasserbremsen (Abschn. 6.1), um Schiffsantriebe definiert zu belasten. Diese Bremsen konnten sich später auf Prüfständen durchsetzen. Da Wasserbremsen vergleichsweise träge sind, wurden später Wirbelstrombremsen (Abschn. 6.2) eingeführt, ohne die Wasserbremsen, die sich durch ihre hohe Leistungsdichte auszeichnen, vollständig zu verdrängen. Mit dem Fortschritt der Leistungselektronik wurden gut regelbare, hochdynamische elektrische Maschinen (Abschn. 6.3) erschwinglich, die nicht nur als Bremse, sondern auch als Antrieb benutzt werden können. Heute sind elektrische Maschinen bei Pkw-Prüfständen am stärksten verbreitet. Auf Prüfständen, welche die Vorteile elektrischer Maschinen nicht ausnutzen, werden immer noch Wirbelstrombremsen und Wasserbremsen als kostengünstigere Alternative installiert. Auf Prüfständen für Großmotoren dominieren Wasserbremsen, da hier deren noch unübertroffene Leistungsdichte zum Tragen kommt und keine hohen Anforderungen an die Dynamik gestellt werden. Als weitere Alternative ist auf Prüfständen für Kleinstmotoren die Hysteresebremse verbreitet (Abschn. 6.4). In Einzelfällen werden zwei unterschiedliche Belastungsmaschinen zu einer Tandembremse kombiniert (Abschn. 6.5). Neben diesen Typen gibt es noch einige ausgefallene Prinzipien von geringer praktischer Relevanz.

Wir werden uns in diesem Kapitel von den Schnittstellen des Motors in das Innere vorarbeiten (Abb. 7.1). Wir beginnen mit den äußeren Eingangsgrößen des Motors, dem Kraftstoffverbrauch und dem Luftverbrauch (Abschn. 7.1). In diesem Zusammenhang werden weitere Anwendungen der Durchflussmessung am Motor vorgestellt, auch wenn diese keine Eingangsgrößen sind. Äußere Ausgangsgrößen sind v. a. die mechanischen Größen Drehzahl, aktueller Drehwinkel (Abschn. 7.2) und Drehmoment (Abschn. 7.4) sowie die daraus abgeleitete Leistung (Abschn. 7.5). Kräfte und abgeleitete Größen wie Spannungen und Dehnungen sind keine typischen Ausgangsgrößen, sondern motorinterne Größen; da die Drehmomentmesstechnik auf der Kraftmesstechnik basiert, bietet es sich aber an, die Kraftmesstechnik zusammen mit der Messtechnik anderer mechanischen Größen zu behandeln (Abschn. 7.3). Neben den gewünschten mechanischen Ausgangsgrößen gibt es unerwünschte Eigenschaften des Motors, die ebenfalls an seinen Schnittstellen zur Außenwelt gemessen werden, nämlich Lärm (Abschn. 7.6), elektromagnetische Abstrahlung und die Empfindlichkeit gegenüber Einstrahlung (Abschn. 7.7) und Abgase (Abschn. 7.8). Wenn wir weiter ins Innere des Motors vorstoßen, so interessieren uns v. a. die thermodynamischen Zustandsgrößen Druck und Temperatur (Abschn. 7.9). Auch das Volumen ist eine wichtige Zustandsgröße der Thermodynamik, das aktuelle Volumen im Zylinder wird aber nicht gemessen, sondern aus dem Kurbelwellenwinkel berechnet. Andere, konstante Volumina im Motor (z. B. eines Einlasskrümmers) lassen sich aus Konstruktionsdaten berechnen. Neben Volumina sind auch Volumenströme und Massenströme wichtig. Diese werden in Abschn. 7.1 behandelt, weil sie v. a. an den Schnittstellen des Motors interessieren. Die letzte Stufe sind schließlich die Vorgänge im Herzen des Motors: die Strömung, Gemischbildung und Verbrennung im Zylinder. Die hierfür verwendete Messtechnik ist Gegenstand von Abschn. 7.10.

In früheren Zeiten enthielten die Motoren wenig elektronische Komponenten und ein Prüfstand war kein mechatronisches, sondern ein mechanisches System, das weitgehend manuell bedient wurde. Dies ermöglichte zwar einen einfachen Aufbau, erforderte aber viel Handarbeit im täglichen Betrieb und führte zu Ungenauigkeiten bei Messungen. Heute erfolgt die Bedienung bequem und sicher von der Warte, wiederkehrende Aufgaben können automatisiert werden, Messergebnisse verschiedenster Sensoren können mit einem gemeinsamen Zeitstempel zusammengeführt und aufgezeichnet werden. Neben dem Gerät selbst arbeitet auch die Gebäudetechnik zu einem Großteil automatisch. Der Prüfstand kann in die unternehmensweite Informationstechnik eingebunden werden, was z. B. den Zugriff auf zentrale Datenbanken ermöglicht, wenngleich die Anbindung an die Büro-IT auch Risiken birgt. Das Kapitel gibt einen Überblick über die vielen Ebenen, in denen heute am Prüfstand Daten verarbeitet und Funktionen gesteuert werden. Wichtige Themen sind auch die stabile Regelung eines Arbeitspunktes und die statistische Versuchsplanung (DoE).

Noch vor der technischen Ausrüstung des Gebäudes ist das Gebäude selbst zu betrachten (Abschn. 9.1). Wichtige Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) sind die Energieversorgung (Abschn. 9.2), die nicht nur elektrische Energie in den Prüfstand führt, sondern im Bremsbetrieb einer elektrischen Belastungsmaschine auch viel Energie aus dem Prüfstand herausführt, die Wasserversorgung (Abschn. 9.3), die am Prüfstand häufig auch die Kühlung von Wasser beinhaltet, die Druckluftversorgung (Abschn. 9.4), die Luftversorgung einschließlich Heizung und Kühlung (Abschn. 9.5), die Ableitung des Abgases (Abschn. 9.6), das Gaslager (Abschn. 9.7) und der Brandschutz einschließlich Brandmelde- und Löschtechnik (Abschn. 9.8). Der letzte Abschn. (9.9) befasst sich inklusive einer Checkliste mit der Projektierung des Prüfstandes, wobei deutlich wird, dass der größte Aufwand in Zusammenhang mit der TGA entsteht. Weitere TGA-Anteile wie die Tankanlage wurden bereits in früheren Kapiteln im Zusammenhang mit bestimmten Prüfstandskomponenten betrachtet. Ein Großteil der TGA bedarf regelmäßiger Wartung.

Wie jede Laborumgebung birgt auch ein Motorenprüfstand offensichtliche und latente Risiken für Personen, die sich im Prüfstand oder in dessen Nähe aufhalten und auch für die hohen installierten Sachwerte. Daneben führen an industriellen Prüfständen Schäden zu Ausfallzeiten und gefährden so den Terminplan von Entwicklungsprojekten mit entsprechenden Folgekosten. Auch Beeinträchtigungen für die Umwelt sind zu berücksichtigen. Unterschieden werden muss zwischen strikt zu vermeidenden Unfallereignissen, die z. B. zum Versickern von Betriebsstoffen ins Erdreich führen, und im Betrieb unvermeidbaren Beeinträchtigungen wie z. B. Lärm, die lediglich auf ein angemessenes Maß zu reduzieren sind. Die Angemessenheit definiert sich aus dem geltenden Recht und der Unternehmenspolitik auf der einen Seite sowie aus ökonomischen Erwägungen auf der anderen Seite. Beim Umweltschutz ist das Immissionsrecht berührt (Geräusche und Abgase) sowie das Wasser- und Bodenrecht (Leckagen).