Motorenversuche

Der MAHLE Standort in Muskegon/USA.

Die motorische Erprobung von Motorkomponenten ist ein unabdingbarer Bestandteil in der Motorenentwicklung. Eigene Motorenversuche liefern unbestechliche Fakten über die Funktion und Qualität von Produkten.

Der MAHLE Konzern unterhält weltweit dreizehn sogenannte Tech Center mit acht Motorenversuchen mit einer Gesamtkapazität von 92 Prüfstanden. Die Tech Center, und damit auch die Motorenversuche, sind in der Nähe der weltweit wichtigen Entwicklungszentren der Automobilindustrie angesiedelt und erlauben somit eine enge Zusammenarbeit mit Kunden vor Ort.

Die Entwicklung und Erprobung von Motoren und deren Komponenten erfolgt zunehmend dezentral. Informationstransparenz und -austausch unter den verschiedenen Motorenversuchsstandorten sind daher unerlässlich.

Die Standorte der MAHLE Motorenversuche sind über globale Datenbanken und Arbeitsplattformen untereinander vernetzt. Somit sind technische Daten jederzeit vor Ort verfügbar und der regelmäßige Austausch von Informationen und Erfahrungen garantiert. In Regelmeetings werden Strategien hinsichtlich motorischer Erprobung, Mess- und Auswerteverfahren sowie Laufprogrammen diskutiert und abgeglichen.

Die Aufgaben der MAHLE Motorenversuche sind vielschichtig und können im Wesentlichen in sechs Bereiche unterteilt werden.

  • Messverfahrensentwicklung
    Neue Mess-, Prüf- und Auswerteverfahren liefern wichtige Informationen für die Entwicklung neuer Produkte. Nach globaler Abstimmung und lokaler Entwicklung werden neue Verfahren weltweit innerhalb des MAHLE Konzerns ausgerollt. Somit können neue Verfahren an allen Standorten eingesetzt werden und liefern wertvolle Daten und Fakten sowohl MAHLE intern als auch für den Kunden.
  • Grundlagenforschung
    Hierzu zählt die Erarbeitung und Verifizierung allgemeingültiger Maßnahmenkataloge zu speziellen Problemstellungen und Themengebieten.
  • Motorische Erprobung neuer Produkte
    Bevor neue Produkte für die Kundenanwendung freigegeben werden, müssen diese einen bereits hohen Reife- und Funktionsgrad erfüllen. Neue Produkte werden daher intern in Motorprüfläufen erprobt bzw. validiert
  • Motorische Erprobung von Produkten bis zur Serienfreigabe
    Im Rahmen der Produktentwicklung werden bekannte Produkte an das Lastenheft des Kunden angepasst und in kundenspezifischen Motorprüfläufen erprobt. Ein ganzheitliches Erproben einer Power Cell Unit (PCU, unter anderem mit Kolben, Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen) ist unerlässlich, um Wechselwirkungen unter den einzelnen Komponenten zu bestimmen und entsprechend aufeinander abzustimmen.
  • Trouble shooting
    Bei Komplikationen mit Serienprodukten muss möglichst schnell reagiert werden. Feldausfälle müssen im Motorenversuch durch geeignete Prüfläufe reproduziert und mögliche Abhilfemaßnahmen erprobt werden.
  • Entwicklungsdienstleistung
    Der Motorenversuch kann aufgrund seiner Erfahrung und Fachkompetenz dem Kunden umfassende Hilfestellung anbieten und so als Entwicklungsdienstleister umfangreiche motorische Untersuchungen durchführen.

Die motorische Erprobung ist produktübergreifend einer der letzten Schritte in der Entwicklung. Denn erst der reale Motorbetrieb zeigt das wahre Betriebsverhalten von Komponenten sowie mögliche Interaktionen mit weiteren Bauteilen. Detaillierte Optimierungsmaßnahmen zum Erreichen der nachfolgend aufgeführten Hauptentwicklungsziele können somit erst während der motorischen Erprobung implementiert und deren Wirksamkeit nachgewiesen werden.

  • Nachweis von Funktion und Bauteilfestigkeit
  • Optimierung von Ölverbrauch und Ölabscheidung
  • Vermeidung von Ölkohleaufbau und Ablagerung diverser Rückstände
  • Optimierung der Bauteilkühlung und Bauteiltemperaturverteilung
  • Optimierung der Akustik und des Schwingungsverhaltens
  • Optimierung strömungstechnischer Systeme
  • Minimierung von Reibleistungsverlusten und Bauteilverschleiß
  • Analyse des Thermodynamik- und Emissionsverhaltens
  • Kennfeldapplikation und Bedatung.

Auf den MAHLE Motorprüfständen können Motoren vom kleinen Zweitakt-Motor über Pkw Otto- und Dieselmotoren bis zum schweren Nfz-Motor betrieben werden. Die Prüfstände decken ein Leistungsspektrum bis zu 1.200 kW ab.

Moderne Prüfstandautomatisierungssysteme sind heute Stand der Technik und erlauben einen wachfreien Motorbetrieb rund um die Uhr. Komplexe Logistiktools zur Planung von Versuchsabläufen sowie Motorschnellwechselsysteme zur Verkürzung der Motorrüstzeiten auf den Prüfständen erhöhen die Auslastung der Prüfstände erheblich und vermeiden unnötige Stillstandszeiten.

Neben einer Vielzahl von Mechanikentwicklungs- und Funktionsprüfständen sowie Prüfständen zur Thermodynamik- und Emissionsanalyse betreibt MAHLE diverse Sonderprüfstände auf denen weitere Entwicklungsschwerpunkte wie Reibleistung, Akustik und Kaltstart adressiert werden.

Mechanikentwicklungs- und Funktionsprüfstände


Für die mechanische Entwicklung, den Funktionsnachweis und die Erprobung der Festigkeit von Komponenten durch Dauerläufe werden sämtliche Motorbetriebsmittel prüfstandsseitig konditioniert. Aktive Prüfstandsbremsen erlauben den geschleppten Motorbetrieb und somit auch die Erprobung beispielsweise von Nfz-Motorbremssystemen.

Neben MAHLE spezifischen Prüfläufen können auch sämtliche kundenspezifischen Prüfläufe (z.B. Thermoschockläufe) durchgeführt werden.

Thermodynamikprüfstände


Zusätzlich zu den prüfstandseitigen Konditionierungsanlagen der Mechanikentwicklungs- und Funktionsprüfstände sind die Thermodynamikprüfstände mit einer Ansaugluftkonditionierung ausgerüstet. Für Thermodynamikuntersuchungen stehen Hoch- und Niederdruckindiziersysteme sowie entsprechende Auswertetools zur Verfügung. Für die Analyse der Abgasbestandteile stehen neben der üblichen Fünf-Komponenten-Analyse auch FTIR (Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer)-Anlagen zur Verfügung. Zusätzlich kommt eine Vielzahl von Messgeräten zum Einsatz, um die Partikelmasse oder auch die Partikelanzahl im Abgas zu analysieren.

Kälteprüfstand

Kälteprüfstände


Der Kälteprüfstand erlaubt die Beurteilung des Motorkaltstartverhaltens und die Erprobung diverser Oberflächenbeschichtungen hinsichtlich Schäden durch Kaltstartreiber. Hierzu kann der gesamte Prüfstand und somit auch die Kühlmittel-, Öl- und Ansauglufttemperatur auf bis zu -28 °C heruntergekühlt werden.

Akustikprüfstand

Akustikprüfstände


In reflexionsarmen Prüfständen erfolgen umfangreiche NVH (Noise, Vibration, Harshness)-Untersuchungen zur Optimierung des akustischen Verhaltens von Bauteilen wie z.B. Kolben, Lager, Ventiltriebskomponenten und Ansaugmodule. Es können sowohl Körperschall als auch Luftschallmessungen durchgeführt werden. Definierte Prüfläufe können Geräuschanregungen auf dem Prüfstand gezielt reproduzieren und erlauben einen objektiven Vergleich von möglichen Abhilfemaßnahmen.

Reibleistungsprüfstand für Vollmotor

Reibleistungsprüfstände


Ein wichtiger Beitrag zur CO2-Reduzierung ist die Minimierung der Motorreibleistung. MAHLE verwendet neben der Simulation und der außermotorischen Ermittlung von Reibkoeffizienten mehrere motorische Messverfahren zur Bestimmung und Minimierung der Reibleistung.

So können an einem Einzylinder-Floating Liner-Motor die Reibkräfte der Kolben, Kolbenring und Zylindergruppe über dem Grad Kurbelwinkel ermittelt werden, indem die axial wirkenden Kräfte der Zylinderlaufbuchse gemessen werden.

Mit dem Reibleistungsprüfstand für Vollmotoren verfügt MAHLE über ein Tool, welches mittels der Indiziermethode am geschleppten und befeuerten Vollmotor Reibmitteldruckkennfelder ermittelt. Eine große Vielfalt von konstruktiven Parametervariationen erlaubt somit den Vergleich von Maßnahmen im gesamten Betriebskennfeld. Unter Verwendung der ermittelten Reibmitteldruckkennfelder können durch geeignete Simulationstools CO2-Emissionen in kundenrelevanten Fahrzyklen berechnet werden.

Kundenmotoren können somit individuell hinsichtlich CO2-Ausstoß auch in gesetzlich relevanten Fahrzyklen optimiert werden.

Kühlmitteloberfläche einer durch Kavitation beschädigten Zylinderlaufbuchse

Kavitation

Kavitation, speziell an nassen Zylinderlaufbuchsen von großen Nfz-Motoren, kann zu einer Lochfraßschädigung an der Zylinderlaufbuchse und damit zum Ausfall des Motors nach langen Laufzeiten führen. Die Wirksamkeit von Abhilfemaßnahmen muss üblicherweise in langen, kostenintensiven Dauerläufen nachgewiesen werden.

Schliffbild einer durch Kavitation beschädigten Zylinderlaufbuchse

MAHLE hat ein komplexes Messverfahren und eine Auswertemethodik entwickelt, die in einem frühen Stadium erlauben, die Kavitationsneigung zu diagnostizieren und zu bewerten.
Die Wirksamkeit von Abhilfemaßnahmen kann somit kostengünstig und innerhalb kurzer Zeit nachgewiesen werden.

Stationäres Ölverbrauchskennfeld

Ölverbrauch

Neben den konventionellen gravimetrischen Methoden, wie der Verwiegemethode, oder den volumetrischen Methoden, wie die Ölpegelmessung in der Ölwanne zur Bestimmung des Ölverbrauchs, kommen bei MAHLE auch analytische chemische Verfahren zum Einsatz. Verfahren mit Tracern wie Schwefel oder Tritium werden ebenfalls verwendet wie auch analytisch chemische Verfahren ohne Tracer.

Ölverbrauch im dynamischen Prüflauf

Die Bestimmung des Ölverbrauchs mittels Massenspektrometrie ist solch ein analytisch chemisches Verfahren ohne Tracer, welches immer mehr an Bedeutung gewinnt. Das Verfahren liefert eine Vielzahl an Informationen innerhalb kürzester Zeit. So können innerhalb weniger Stunden stationäre Ölverbrauchskennfelder erstellt werden. Durch die kontinuierliche Messung der Ölkonzentration im Abgas ermöglicht das Verfahren, Ölverbräuche in transienten Betriebszuständen zu bestimmen. Durch das schnelle Ansprechverhalten des Messsystems können selbst hochdynamische Ölverbrauchseffekte wie z.B. bei schnellen Last- und Drehzahlwechseln ermittelt werden. Durch die Entnahme des Abgases direkt nach dem Brennraum sind zylinderselektive Messungen möglich.

Durch umfangreiche Studien werden Maßnahmenkataloge erarbeitet, durch die eine Ölverbrauchsoptimierung zielgerichtet erfolgen kann.

Kolbentemperatur

Für eine zuverlässige Lebensdauerberechnung von Kolben ist die Bestimmung der Kolbenbauteiltemperatur zwingend erforderlich. Je nach Anforderungsprofil werden für die Bauteiltemperaturmessungen unterschiedliche Messverfahren eingesetzt.

So kommt als schnelle und einfache Messmethode die Messung mittels Templugs (Stahlschrauben einer definierten Legierung) zum Einsatz, um die Kolbentemperatur in einem stationären Betriebspunkt zu bestimmen. Über die Resthärte und die Einsatzzeit der Templugs können die maximalen Temperaturen eines Bauteils ermittelt werden.

Pkw-Kolben mit applizierter NTC-Messtechnik

Für hohe Anforderungen wird das sogenannte NTC-Messverfahren angewandt. Als Messsensoren werden Halbleiter, sogenannte NTCs, eingesetzt. Die Datenübertragung erfolgt berührungslos mittels induktiver Kopplung an eine externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit. Pro Kolben können maximal drei Messstellen appliziert werden.

Nfz-Kolben mit applizierter RTM-Messtechnik

Für höchste Anforderungen – also für umfangreiche Messungen im gesamten Betriebskennfeld, Parametervariationen und transiente Messungen in kundenspezifischen Prüfläufen – wird das sogenannte RTM-System (Real-time Telemetry Piston Temperature Measurement System) eingesetzt. Bauteiltemperaturen werden hier mittels NiCr-Ni-Thermoelementen gemessen. Das analoge Spannungssignal der Messsensoren wird durch einen am Kolben angebrachten Sensorsignalverstärker in ein digitales Signal moduliert. Mittels Telemetrie wird das modulierte Signal an eine externe Datenerfassungs- und Auswerteeinheit berührungslos übertragen. An einem Kolben können bis zu sieben Messstellen angebracht werden.

Mit diesem Real-time-Messverfahren kann der Kunde bei MAHLE vor Ort seine Verbrennungsapplikation so gestalten, dass die maximal zulässigen thermischen Belastungen für das Bauteil nicht überschritten werden.

Pkw-Kolben mit Klopfschädigung

Klopfen

Klopfende Verbrennungsstörungen an Ottomotoren können zu Schädigungen am Kolben bis hin zum Motorausfall führen. Mit einem bei MAHLE entwickelten Mess- und Auswerteverfahren kann jedes einzelne Klopfereignis detektiert und quantifiziert sowie die Klopfintensität in Echtzeit bestimmt werden. Der Vergleich von Klopfamplituden und Zündwinkel lässt Rückschlüsse auf die Klopfregelung zu und ermöglicht somit die Optimierung und Verifizierung von Klopfregelungssystemen.