Messtechnik und Prüfstände fürVerbrennungsmotoren

Kai Borgeest

Messtechnik und Prüfständefür Verbrennungsmotoren

Messungen amMotor, Abgasanalytik,Prüfstände und Medienversorgung

Mit einem Beitrag von Georg Wegener

Kai BorgeestZentrum für Kfz-Elektronik und Verbrennungs-motorenHochschule AschaffenburgAschaffenburg, Deutschland

ISBN 978-3-658-10117-6 ISBN 978-3-658-10118-3 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-10118-3

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Vorwort

Wie werden Fahrzeugantriebe langfristig aussehen? Werden wir elektrisch fahren? Wer-den wir mit gasbetriebenen Verbrennungsmotoren fahren? Wird es weitere Antriebsalter-nativen geben?

Diese Fragen kann niemand beantworten, heute und in naher Zukunft dominiert abersicher der Verbrennungsmotor. Angesichts rasanter Fortschritte in der Elektromobilitätkönnte man vermuten, dass in die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren nichtmehr viel investiert werde. Tatsächlich wird aber mehr denn je an Verbrennungsmotorengeforscht und entwickelt, offenbar bieten diese immer noch erhebliche Optimierungspo-tenziale bei Leistung, Verbrauch, Emissionen und weiteren Eigenschaften.

Die zulässigen Emissionen und ihre Prüfvorschriften werden vom europäischen Ge-setzgeber zunehmend verschärft, ehrgeizige Klimaziele veranlassen den Gesetzgeber, zu-lässige CO2-Emissionen und damit auch den Kraftstoffverbrauch zu senken, der Fahrermöchte noch mehr Leistung aus einem kompakt bauenden Motor und die Kombinationdes Verbrennungsmotors mit Elektroantrieben in hybriden Antriebssträngen stellt wieder-um neue Anforderungen an den Verbrennungsmotor.

Um diese Ziele zu erreichen, bedient man sich in Forschung und Entwicklung zweierMethoden, der Simulation und der Messung am realen Motor. Diese beiden Verfahrenschließen einander nicht notwendigerweise aus, sondern können sich auch ergänzen.

Gegenstand dieses Buches sind Messungen an Motoren. Diese können im Fahrzeug aufder Straße oder auf dem Rollenprüfstand durchgeführt werden, meist wird aber der Motorohne Fahrzeug auf einem Motorenprüfstand betrieben.

Das Buch richtet sich an die Planer und Betreiber von Prüfständen, an die Entwicklervon Motoren, an die Entwickler der Elektronik im Antriebsstrang und v. a. an Studentender Mechatronik, des Maschinenbaus oder der Elektrotechnik.

Ich freue mich besonders, dass ich an der Hochschule Aschaffenburg mit meinemKollegen Georg Wegener einen Koautor gewinnen konnte, der seine Erfahrungen in derMessung von Drehmomenten einbringen konnte.

VII

VIII Vorwort

Für die Bereitstellung von Grafiken und Fotos danke ich Herrn Höldge von der VoithTurbo HighFlex GmbH & Co. KG, Herrn Mack von der Daimler AG, Herrn Martin vonD2T GmbH und Tony Guillou. Auch im Namen von Herrn Wegener danke ich den HerrenHaller und Stock von der Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH und Herrn Lorenz vonder Lorenz Messtechnik GmbH

Aschaffenburg, März 2016 Kai Borgeest

Abkürzungen und Symbole

Abkürzungen

Im allgemeinen Sprachgebrauch übliche Abkürzungen sind nicht gelistet.

AC Alternating Current Wechselstrom

AE AnzeigeeinheitAFR Air Fuel Ratio Luft/Kraftstoff-Verhältnis

Amd Amendment Nachbesserung

ANSI American National Standards Institute Normungsstelle der USA

ASME American Society ofMechanicalEngineers

Amerikanische Gesellschaft der Ma-schinenbauingenieure

ASS AbfüllschlauchsicherungAU Abgasuntersuchung (jetzt Teil der HU)BArbBl BundesarbeitsblattBCI Bulk Current Injection Störstrominjektion in den Kabelbaum

BGBl BundesgesetzblattBMEP BrakeMean Effective Pressure Prüfstandsmitteldruck

CAN Controller Area Network (Automobiles Bussystem)

CARS Coherent Anti-Stokes RamanScattering

Kohärente Anti-Stokes-Raman-Streu-ung

CCA Constant Current Anemometry Konstantstrom-Anemometrie

CEN Comité Européen de Normalisation Europäisches Komitee für Normung

CENELEC Comité Européen de NormalisationÉlectrotechnique

Europäisches Komitee für Normung(Elektrotechnik)

CFD Computational Fluid Dynamics Numerische Strömungsberechnung

CFR Code of Federal Regulations (Sammlung von Verordnungen derUSA)

CiA „CAN in Automation“ „CAN in Automation“

CNG Compressed Natural Gas Komprimiertes Erdgas

IX

X Abkürzungen und Symbole

CIFI Cylinder Individual Fuel Injection Zylinderindividuelle Kraftstoffeinsprit-zung

CLD Chemoluminescence Detector Chemolumineszenz-DetektorCoE CAN over EtherCAT CAN über EtherCAT

CPC Condensation Particle Counter Kondensationspartikelzähler

CPU Central Processing Unit Zentraleinheit einer SPS

CRT ContinuousRegeneration Trap (Abgasnachbehandlungsverfahren)

CTA Constant Temperature Anemometry Konstanttemperatur-Anemometrie

CVS Constant Volume Sampling Konstantvolumen-Probennahme

DAkkS Deutsche AkkreditierungsstelleDC Diffusion Charger Diffusionsauflader

DGV Doppler Global Velocimetry Globale Doppler-Geschwindigkeits-messung

DIN Deutsche Institut für Normung e. V.

DMA Differential Mobility Analyzer Differenzieller MobilitätsanalysatorDMPS Differential Mobility Particle Sizer (Gerät zur Partikelgrößenbestimmung)

DMS Strain Gauge DehnungsmessstreifenDN Diamètre Nominal Nennweite

DoE Design of Experiments Statistische Versuchsplanung

DOHC Double OHC Doppelte oben liegende Nockenwelle

DP Decentralized Peripherals Dezentrale PeripherieDUT Device under Test Prüfling

Dy:YAG Dysprosium-Doped YttriumAluminum Garnet

Dysprosium-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat

ECE Economic Commission for Europe Wirtschaftskommission für Europa

EKA EinlasskanalabschaltungELR European Load Response (Lastzyklus)

EMV Elektromagnetische VerträglichkeitEOBD Electronic On-Board-Diagnosis Elektronische Borddiagnose

EoL End of Line Bandende

EN European Standard Europäische NormESC European Stationary Cycle (Stationärer Abgaszyklus)

ESD Electrostatic Discharge Elektrostatische Entladung

ETC European Transient Cycle (Transienter Abgaszyklus)

EU European Union Europäische UnionFEM Finite Element Method Finite-Elemente-Methode

FSN Filter Smoke Number Filter-Rauchzahl

FTIR Fourier Transform Infrared Spectros-copy

Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie

GCMS Gas Chromatography,MassSpectrometry

Gaschromatographie/Massenspektros-kopie

GMBl gemeinsames Ministerialblatt

Abkürzungen und Symbole XI

GRPE Working Party on Pollution andEnergy

(UN-Arbeitsgruppe)

HELS Helmholtz Equation Least Square Helmholtz-Gleichung, kleinste Qua-drate

HFM Hot Film air mass Meter Heißfilm-Luftmassen-Messer

HFO Heavy Fuel Oil Schweröl

HP Horse Power Pferdestärke (PS)

Hrsg. Herausgeber

HTL High Threshold Logic Hochschwellen-Logik

IP Internet Protocol Internetprotokoll

IEC International ElectrotechnicalCommission

(Internationale Normungsorganisation)

ISO InternationalOrganization forStandardization

(Internationale Normungsorganisation)

IT Information Technology InformationstechnikJTC Joint Technical Committee Gemeinsamer technischer Ausschuss

LDA Laser Doppler Anemometry Laser-Doppler-Anemometrie

LDV Laser Doppler Velocimetry Laser-Doppler-Velocimetrie

Lkw LastkraftwagenLIF Laser Induced Fluorescence Laserinduzierte FluoreszenzLII Laser Induced Incandescence Laserinduzierte InkandeszenzLIP Laser Induced Phosphorescence Laserinduzierte PhosphoreszenzLNG Liquefied Natural Gas Verflüssigtes Erdgas

LPG Liquefied Petrol Gas Autogas (Flüssiggas)

LSB Least Significant Bit Bit mit der geringsten Wertigkeit

MSB Most Significant Bit Bit mit der höchsten Wertigkeit

MVEG Motor Vehicle Emissions Group Cycle = NEFZ

NAH Near Field Acoustic Holography Akustische Nahfeldholografie

NDIR Non Dispersive Infrared Spectroscopy Nichtdispersive Infrarotspektroskopie

Nd:YAG Neodymium-Doped YttriumAluminum Garnet

Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat

NEDC New European Driving Cycle Neuer Europäischer Fahrzyklus

NEFZ Neuer Europäischer FahrzyklusNMHC Non-Methane Hydrocarbons Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe

NTC Negative Temperature Coefficient (Heißleiter)

NVH Noise, Vibration,Harshness (Fahrzeugakustik)

OATS Open Area Test Site Freigeländetesteinrichtung

OHC Overhead Camshaft Oben liegende Nockenwelle

OT Oberer TotpunktPAK Polyzyklische aromatische

Kohlenwasserstoffe

PASS Photo Acoustic Soot Spectrometry Photoakustische Rußspektrometrie

XII Abkürzungen und Symbole

PDV Planar Doppler Velocimetry Planare Doppler-Velocimetrie

PEMS Portable EmissionMeasurementSystem

Portables Emissions-Messsystem

PFI Port Fuel Injection Saugrohreinspritzung

PIV Particle Image Velocimetry Partikelbild-Geschwindigkeitsmessung

PLIF Planar LIF Planare LIFPMD Paramagnetic Detector Paramagnetischer DetektorPMP ParticleMeasurement Program Partikelmessungsprogramm

PTV Particle Tracking Velocimetry Partikelverfolgung-Geschwindigkeits-messung

Pkw PersonenkraftwagenPTC Positive Temperature Coefficient (Kaltleiter)

PTFE Polytetrafluoroethylene PolytetrafluorethylenPVDF Polyvinylidene Fluoride PolyvinylidenfluoridPWG PedalwertgeberPWM PulseWidthModulation Pulsweitenmodulation

QCL Quantum Cascade Laser Quantenkaskadenlaser

QLS Quantitative Light Section Quantitativer LichtschnittRDE Real Driving Emissions Emissionen bei realer Fahrt

ROZ Research-OktanzahlS. SeiteSAW Surface AcousticWave Akustische Oberflächenwelle

SC Subcommittee Unterausschuss

SCR Selective Catalytic Reduction (Abgasnachbehandlungsverfahren)

SEFI Serial Fuel Injection Serielle Kraftstoffeinspritzung

SMPS ScanningMobility Particle Sizer (Gerät zur Partikelgrößenbestimmung)

SOF SolubleOrganic Fraction Löslicher organischer Anteil

SPS Speicherprogrammierbare SteuerungSR Systematische Rechtssammlung

SSI Synchronous Serial Interface Synchron-serielle Schnittstelle

SZ SchwärzungszahlTA Technische AnleitungTC Technical Committee Technischer Ausschuss

TCP Transmission Control Protocol Übertragungssteuerungsprotokoll

TEM Transversal ElectricMode Transversal-elektrischer Modus

TGA Technische GebäudeausrüstungTHC Total Hydrocarbons Gesamt-Kohlenwasserstoffe

TiRe-LII Time Resolved LII Zeitaufgelöste LII

TOF Time of Flight Laufzeit

TR Technische RegelnTRbF Technische Regeln für brennbare

Flüssigkeiten

Abkürzungen und Symbole XIII

TRBS Technische Regeln fürBetriebssicherheit

TRGS Technische Regeln für GefahrstoffeTRT Total Reduced Sulfur Gesamter reduzierter Schwefel

TRT Technische Regeln für TanksTTL Transistor Transistor Logic Transistor-Transistor-LogikTWC TubularWave Coupler Koaxialer Richtkoppler

UMA Untersuchung des Motormanagementsund Abgasreinigungssystems

UN United Nations Vereinte Nationen

USB Universal Serial Bus Universeller serieller BusUT Unterer TotpunktUV Ultraviolet UltraviolettVDI Verein Deutscher IngenieureVol. Volume Volumen

VTG Variable Turbine Geometry Variable Turbinengeometrie

WHSC World Harmonized Stationary Cycle Weltharmonisierter stationärer Zyklus

WHTC World Harmonized Transient Cycle Weltharmonisierter transienter Zyklus

WLTP Worldwide harmonized Light vehiclesTest Procedure

(Neue Abgastestprozedur)

Symbole in Formeln und Naturkonstanten

Physikalische undmathematische Symbole

Ein Punkt über einem Symbol symbolisiert die Ableitung der Größe nach der Zeit, einUnterstrich einen Vektor, ein vorangestelltes � eine Differenz und ein Zirkumflex (^)über einem Symbol einen Spitzenwert. Größen, die im Buch sowohl klein geschrieben(z. B. als zeitabhängige Größe) als auch groß geschrieben (z. B. als stationärer Wert oderEffektivwert) vorkommen, sind hier mit Großbuchstaben aufgeführt.

a Abstand

A Querschnittsfläche

A Empirische Konstante

AK Wirksamer Kolbenquerschnitt

B Magnetische Flussdichte

B Empirische Konstante

b Dämpfungskoeffizient

Cmet Meteorologische Korrektur des Schallpegels

c Steifigkeit

XIV Abkürzungen und Symbole

c Lichtgeschwindigkeit

c Schallgeschwindigkeit

c Strömungsgeschwindigkeit

c Konzentration (Stoff durch Index angegeben)

ci Gewichtungsfaktor

cu Strömungsgeschwindigkeit in Umfangsrichtung

cW Widerstandsbeiwert

d Bohrung

d Breite

d Durchmesser, Innendurchmesser der Welle

D Außendurchmesser der Welle

D Dämpfungsgrad (lehrsche Dämpfung)

D Dämpfungsmatrix

E Elastizitätsmodul

E Elektrische Feldstärke

f 0 Frequenz der Strahlungsquelle beim Doppler-Effekt

f 0 Freie Resonanzfrequenz

f ausg Ausgangsfrequenz

fmax Frequenz, bei der die Vergrößerungsfunktionmaximal ist

F Kraft

FAntrieb Antriebskraft

FC Coriolis-Kraft

FGas Gaskraft

FH Hangabtrieb

FL Luftwiderstand

FM Massenkraft

FMi Massenkraft i. Ordnung

FR Responsefaktor

FR Reibungskraft

FT Trägheitskraft

FW Fahrwiderstand

g Erdbeschleunigung (9,8m/s2)

G Schubmodul

G Wuchtgüte

h Plancksches Wirkungsquant (6,626 � 10�34 Js)

h Umkehrspanne

Hi (unterer) Heizwert

i Thermodynamische Zyklen pro Kurbelwellenumdrehung

i Zählindex

I Elektrischer Strom

I Intensität (Schall/Licht)

IA Ankerstrom

Abkürzungen und Symbole XV

IE Erregerstrom

Ip Polares Flächenträgheitsmoment

Ix Strom durch Heizdraht

JB Bremsseitiges Trägheitsmoment

Jges Gesamtes Trägheitsmoment

Ji Trägheitsmoment an Zylinder i

JM Motorseitiges Trägheitsmoment

JMS Trägheitsmoment des Motorschwungrades

J Trägheits- oder Massenmatrix

k Boltzmann-Konstante (1,381 � 10�23 J / K)

k Spezifische Absorption

k Proportionalitätsfaktor eines Dehnungsmessstrei-fens

k Torsionssteifigkeit

k Anzahl

ki Torsionssteifigkeit einzelner Wellenabschnitte

K Steifigkeitsmatrix

KI Schallpegelkorrektur für Impulshaltigkeit

KR Schallpegelkorrektur für Ruhezeiten

KT Schallpegelkorrektur für Tonhaltigkeit

l Länge (des Pleuels oder der Prüfstandswelle)

LAeq Mittelungspegel

LEX,8h über 8 Stunden gemittelter Schallpegel am Ar-beitsplatz

LpC,peak Spitzenschallpegel am Arbeitsplatz

Lr Beurteilungspegel nach TA Lärm

Lxk Drehimpuls in x-Richtung

m Faktor in Reaktionsgleichungen

m Masse

mein Bei einem Kolbenspiel einströmende Luftmasse

mKolben Kolbenmasse

mKraftstoff Kraftstoffmasse

mLuft(,stöchiometrisch) (stöchiometrische) Luftmasse

mth Theoretische Luftmasse

M Drehmoment

Mab Abtriebsmoment

Man Antriebsmoment

MD Drehmoment

Mkipp Kippmoment einer Asynchronmaschine

MMot Motormoment (wo es aus dem Zusammenhangeindeutig ist, nurM genannt)

XVI Abkürzungen und Symbole

MMi Aus Massenkräften n. Ordnung resultierendes Moment

Mxi Momente in x-Richtung

M Momentenvektor

n Faktor in Reaktionsgleichungen

n Anzahl

n Drehfrequenz (Drehzahl)

n Empirische Konstante

nS Synchrondrehzahl

p Polpaarzahl

p Druck

p Schalldruck

p0 Atmosphärendruck

pl Ladedruck

pm (indizierter) Mitteldruck

pmax Maximaldruck

pmin Minimaldruck

P Leistung

Pmech Mechanische Leistung

q Elementarladung (1,602 � 10�19 As)

Qab Abgeführte Wärme

Qzu Zugeführte Wärme

r Radius, Kurbelradius

r Tastverhältnis

R Widerstand

R" Dehnungsabhängige Widerstandskomponente

RT Temperaturabhängige Widerstandskomponente

Rx Heizdrahtwiderstand

s Hub

s Schlupf

S Strouhalzahl

S Signal, allgemein, ggf. durch Index spezifiziert

t Zeit

t Mechanische Remanenz

tr Laufzeit rückwärts

tv Laufzeit vorwärts

T Periodendauer

T Temperatur

Ti Temperatur, nach Zeit oder Ort indiziert,

Medium (z. B. Luft) ggf. als zusätzlicher Index angegeben

T i Lärmbeitragszeit

TK0 Temperaturkoeffizient für Nullsignal

TKC Temperaturkoeffizient für Kennwert

Abkürzungen und Symbole XVII

u Stellgröße

uf Energiedichte (auf die Frequenz bezogen)

u� Energiedichte (auf die Wellenlänge bezogen)

U Innere Energie

U Elektrische Spannung

U0 Speisespannung

Uaus Ausgangsspannung

ü Übersetzung

v Geschwindigkeit

v Schallschnelle

V(f ),V(!)

Vergrößerungsfunktion

VH Hubvolumen des Motors

Vh Hubvolumen eines Zylinders

W Arbeit

x Ortskoordinate (eindimensional oder zwei- oder dreidimensio-naler Vektor)

xi Variablen allgemein

z Zylinderzahl

z Zielgröße

˛ Knickwinkel

˛ Steigungswinkel

˛ Gaspedalstellung (als Winkel oder prozentual)

ˇ Pendelwinkel

" Dehnung

"0 Absolute Permittivität(elektrische Feldkonstante, Dielektrizitätskonstante)

"r Relative Permittivität

� Verhältnis der Frequenz zur (ungedämpften) Resonanzfre-quenz

�eff Effektiver Wirkungsgrad

�th Thermischer Wirkungsgrad

� (x,t) Torsionswinkel

� Kurbelverhältnis

� Luftzahl

� Wellenlänge

�a Luftaufwand

�max Wellenlänge maximaler Emission

�0 Emittierte Wellenlänge

� Reibungskoeffizient

�0 Absolute Permeabilität (magnetische Feldkonstante,4� � 10�12 As /Vm)

XVIII Abkürzungen und Symbole

�r Relative Permeabilität

� Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl)

Dichte (ggf. durch ergänzenden Indextext auf bestimmte Me-dien bezogen)

Spezifischer Widerstand

', Winkel, allgemein

' Kurbelwinkel

'0 Anfangswert des Kurbelwinkels

Ф Magnetischer Fluss

� i i-te Lösung der Helmholtzgleichung

! Winkelgeschwindigkeit 2�n, Kreisfrequenz 2� f

!ab Abtriebswinkelgeschwindigkeit

!an Antriebswinkelgeschwindigkeit

!s Synchrondrehzahl

!0 Resonanzkreisfrequenz 2� f 0 einer Schwingung

� Zugspannung

Laufvariable für eine Integration über die Zeit

Chemische Symbole und Formeln

CH Kohlenwasserstoff-Radikal

CH4 Methan

CO Kohlenmonoxid

CO2 Kohlendioxid

H2 Molekularer Wasserstoff

HC Kurzschreibweise für CmHn (Kohlenwasserstoffe)

H2S Schwefelwasserstoff

NH3 Ammoniak

NO Stickstoffmonoxid

NO2 Stickstoffdioxid

N2 Molekularer Stickstoff

N2O Distickstoffoxid (Lachgas)

O2 Molekularer Sauerstoff

O3 Ozon

S Schwefel

SO2 Schwefeldioxid

SO3 Schwefeltrioxid

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1 Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.1 Luftsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.2 Kraftstoffsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Kurbeltrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3.1 Gas- und Massenkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.2 Drehrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Abgasnachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.5 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.6 Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.7 Motorelektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.8 Forschungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 Aufbau von Prüfständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.1 Medienversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1.1 Kraftstoffversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.2 Kühlmittelkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1.3 Schmiermittelkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.1.4 Verbrennungsluftkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.1.5 Schnellkupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2 Prüfstände für besondere Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.1 Schwenkprüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.2 Klimaprüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.3 NVH-Prüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.4 EMV-Prüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.2.5 Prüfstände für Hybrid- und Elektroantriebe . . . . . . . . . . . . . . 573.2.6 Produktionsprüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3 Antriebsstrangprüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

XIX

XX Inhaltsverzeichnis

3.4 Fahrzeug-Rollenprüfstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.5 Teststrecken und Messungen im Straßenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . 65

4 Prüfstandsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.1 Schwingungen am Prüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.1.1 Lagerung der Grundplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1.2 Lagerung des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.2 Grundplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.3 Austausch des Prüflings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.4 Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.4.1 Drehschwingungen der Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.4.2 Biegeschwingungen der Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.4.3 Wellenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.5 Lagerung der Belastungsmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.6 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.7 Motorkupplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5 Belastungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.1 Hydraulische Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.1 Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 935.1.2 Technische Realisierung und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2 Wirbelstrombremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.2.1 Prinzip: Wirbelströme in rotierender Scheibe . . . . . . . . . . . . . 1005.2.2 Prinzip: Wirbelströme durch veränderliches Magnetfeld . . . . . . 1015.2.3 Technische Realisierung und Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.3 Elektrische Belastungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.3.1 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.3.2 Wechselstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.3.3 Drehstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.3.4 Fehler und Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.4 Hysteresebremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195.5 Tandembremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1205.6 Starten des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.1 Durchflussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.1.1 Kraftstoffverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246.1.2 Luftverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1306.1.3 Abgasmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1366.1.4 Leckgas (Blow-By-Gas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.2 Messung von Drehzahl und Kurbelwellenwinkel . . . . . . . . . . . . . . . 1406.2.1 Absolutwinkelgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Inhaltsverzeichnis XXI

6.2.2 Inkrementalwinkelgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.2.3 Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1456.2.4 Tachogeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466.2.5 Motorelektrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1466.2.6 Detektion des oberen Totpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

6.3 Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.3.1 Piezoelektrische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486.3.2 Kraftmessung durch Dehnungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 1496.3.3 Wägezellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.4 Drehmomentaufnehmer (Georg Wegener) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1556.4.1 Grundlegende Klassifizierung der Messprinzipien . . . . . . . . . . 1556.4.2 Dehnungsmessstreifen als Messprinzip für Drehmomentaufnehmer 1616.4.3 Übertragung von Versorgung und Messsignal . . . . . . . . . . . . . 1666.4.4 Messgenauigkeit und konstruktive Einflussfaktoren . . . . . . . . . 1696.4.5 Bauformen, Montage und Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1766.4.6 Kalibrierung von Drehmomentaufnehmern . . . . . . . . . . . . . . 179

6.5 Leistung und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.6 Akustische Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.6.1 Messung von Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.6.2 Messung von Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.7 EMV-Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1906.7.1 Messung leitungsgeführter Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926.7.2 Messung gestrahlter Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.8 Abgasmesstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1946.8.1 Abgasbestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1986.8.2 Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2036.8.3 Probennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2216.8.4 Messschränke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

6.9 Messung thermodynamischer Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2256.9.1 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2256.9.2 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2306.9.3 Wetterstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

6.10 Innermotorische Analytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.10.1 Physikalische Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2336.10.2 Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

7 Steuerung, Regelung und Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.1 Prüfstandregler und Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

7.1.1 Aufbau und Bedienung des Reglers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2477.1.2 Betriebsmodi des Prüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

7.2 Automatisierung der Gebäudetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2567.3 Automatisierung des Prüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

XXII Inhaltsverzeichnis

7.3.1 Statistische Versuchsplanung (DoE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2587.4 Interne Vernetzung des Prüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

7.4.1 AK-Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.4.2 Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2607.4.3 CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2607.4.4 Ethernet-basierte Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

7.5 Externe Anbindung des Prüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

8 Technische Gebäudeausrüstung, Projektierung, Bau und Betriebdes Prüfstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2658.1 Hochbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

8.1.1 Prüfstandsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2678.1.2 Warte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2688.1.3 Technikräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2688.1.4 Vorbereitungsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

8.2 Elektroinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2698.3 Wasserversorgung und Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2698.4 Druckluftversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2708.5 Luftaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2718.6 Abgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2738.7 Gaslager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2748.8 Brand- und Explosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

8.8.1 Baulicher Brand- und Explosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . 2758.8.2 Brandmelde- und Löschanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2768.8.3 Gaswarnanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

8.9 Projektierung eines Prüfstandes, Checkliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

9 Sicherheit und Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2839.1 Rechtsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

9.1.1 Rechtsgrundlagen der Arbeitssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . 2849.1.2 Immissionsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2859.1.3 Wasser- und Bodenrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2879.1.4 Baurecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

9.2 Wie ermittelt man Gefährdungen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2889.3 Gefährdungen durch rotierende Teile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2899.4 Gefährdungen durch elektrische Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . 2909.5 Gefährdungen durch brennbare Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 2919.6 Gefährdungen durch Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

9.6.1 Wasserstoff (H2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2919.6.2 Stickstoff (N2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2929.6.3 Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2939.6.4 Sauerstoff (O2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

Inhaltsverzeichnis XXIII

9.6.5 Kohlenmonoxid (CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2939.6.6 Kohlendioxid (CO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2949.6.7 Stickstoffmonoxid (NO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2949.6.8 Propan (C3H8) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2949.6.9 Ammoniak (NH3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

9.7 Schutz vor Lärm und Vibrationen im Prüfstand . . . . . . . . . . . . . . . . 2959.8 Umweltgefährdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2969.9 Umweltbelästigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

9.9.1 Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2979.9.2 Abgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

9.10 Abschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319