messtechnikundprüfständefür verbrennungsmotoren978-3-658-10118-3/1.pdf · vorwort wie werden...
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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