Bestimmung der Motorleistung mittels aktiver Verlustleistungsbestimmung

Technischer Bericht Nr. 1

Verfahren zur Bestimmung der Motorleistung auf einem Leistungsprüfstand mittels aktiver Verlustleistungsbestimmung

Die Radleistung wird auf einem Rollenprüfstand gemessen. Die Antriebsachse des zu messenden Fahrzeuges befindet sich dabei im Rollensatz. Die vorderen Rollen sind miteinander und zugleich mit einer elektrisch steuerbaren Bremse (Wirbelstrombremse) verbunden.

An dieser Bremse ist ein DMS-Kraftaufnehmer montiert, über den direkt die Zugkraft der Antriebsachse gemessen werden kann. Wenn der Antriebsmotor des Fahrzeuges den Rollensatz in Bewegung setzt, kann mittels der Wirbelstrombremse eine Last für den Verbrennungsmotor aufgebaut werden. Um eine eingestellte Zugkraft bzw. Geschwindigkeit zu halten, ist eine bestimmte Leistung des Fahrzeugmotors notwendig.

Da der Prüfstand durch eine elektronische Regelung die eingestellten Parameter (Zugkraft, aber vor allem Geschwindigkeit) konstant hält, kann die benötigte Leistung bei der vorgegebenen Geschwindigkeit direkt als Leistung ausgewiesen werden.

Die ausgewiesene Leistung ist allerdings, durch das Messprinzip bedingt, nur die Leistung, die am Messpunkt (hier Wirbelstrombremse) ankommt. In den Fahrzeugpapieren wird allerdings die Motorleistung angegeben, die immer größer als die auf der Straße ankommende Vortriebsleistung ist. Auf dem Weg vom Motor bis zur Straße bzw. beim Prüfstand bis zum Kraftaufnehmer treten z. B. folgende Verluste auf:

  • Getriebeverluste
  • Kardanverluste
  • Differenzialgetriebeverluste
  • Rollverluste zwischen Rad/Fahrbahn bzw. Rad/Rollen
Auf dem Rollenprüfstand kommen noch die Verluste im Prüfstand selbst hinzu:
  • Zwangskühlung der Wirbelstrombremse
  • Verluste in den Rollenlagern

Das Ziel der Leistungsprüfung ist, die vom Motor abgegebene Leistung zu bestimmen, die sich aus der gemessenen Leistung am Rollensatz zuzüglich der auftretenden Verluste bestimmt.

Das neue AHS Verfahren zur Bestimmung der Verlustleistung geht davon aus, dass die Verlustleistung auf dem Prüfstand bei vorgegebener Geschwindigkeit annähernd konstant ist, egal ob der Antriebsstrang durch den Verbrennungsmotor des Fahrzeuges oder durch einen externen Motor angetrieben wird!

In der praktischen Ausführung heißt dies, dass ein Elektromotor den Rollensatz antreibt. Der Elektromotor ist mechanisch so befestigt, dass sein Drehmoment auf einen DMS-Kraftaufnehmer wirkt und damit über die ebenfalls gemessene Drehzahl direkt in die abgegebene mechanische Leistung umgerechnet werden kann (wird durch den eingesetzten Microcontroller durchgeführt). Die vom Elektromotor abgegebene Leistung bei konstanter Drehzahl wird gebraucht, um die gleichen Verluste zu decken, die im Normalfall durch den Fahrzeugmotor auch zu überwinden wären.

Addiert man jetzt die gemessene Radleistung bei gegebener Geschwindigkeit und die gemessene Verlustleistung bei der gleichen Geschwindigkeit, kommt als Ergebnis die bei dieser Geschwindigkeit vorhandene Motorleistung heraus. Um eine Leistungskurve über einen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich aufzunehmen, müssen möglichst viele Messpunkte für die Rad-leistung und Verlustleistung aufgenommen werden. In der Praxis reichen allerdings wenige Mess-punkte aus, wobei die Zwischenwerte durch Interpolation gewonnen werden können.

Durchführung der Messung

Die Aufnahme der Motorleistung erfolgt in zwei Durchgängen.

Im ersten Durchgang werden in der Betriebsart konstante Geschwindigkeit Radleistungsmesspunkte aufgenommen. Ein Messpunkt wird aufgenommen, indem eine Geschwindigkeit über ein Einstellpoti vorgegeben wird. Das Fahrzeug wird jetzt auf diese Geschwindigkeit gebracht. Bei Erreichen der Geschwindigkeit wird Vollgas gegeben. Die maximale Leistung bei dieser Geschwindigkeit wird über einen Taster als Messpunkt aufgenommen. Analog werden weitere Messpunkte bei anderen Geschwindigkeiten aufgenommen.

Der Prüfstand wird über einen Schalter in den Verlustleistungsmodus geschaltet. Dabei wird die Wirbelstrombremse deaktiviert und ein Umrichter zugeschaltet, mit dem der Elektromotor stufenlos auf beliebige Drehzahl/Geschwindigkeit eingestellt werden kann. Es werden jetzt der Reihe nach mittels Umrichter die gleichen Geschwindigkeiten eingestellt, die auch bei der Radleistungs-messung als Messpunkte verwendet wurden. Die Aufnahme des Messpunktes erfolgt wieder über einen Taster.

Die Messpunkte werden über ein spezielles Prüfprogramm, das auf einem Standard PC läuft, aufgenommen. Das Prüfprogramm zeichnet die Messpunkte der Rad- und Verlustleistung auf und berechnet durch Summierung daraus die tatsächliche Motorleistung. Zwischenpunkte werden dabei durch Spline-Interpolation gewonnen.

Die Verlustleistungsmessung mit Hilfe eines über Umrichter gesteuerten Elektromotors hat den großen Vorteil, dass jede gewünschte Geschwindigkeit eingestellt und die Verlustleistung in diesem Punkt bestimmt werden kann. Die Messgenauigkeit ist nur abhängig von den Sensoren und unabhängig von im System Prüfstand/Fahrzeug vorhandenen Schwungmassen, da bei konstanter Geschwindigkeit gemessen wird und Massenträgheitsmomente deshalb keine Auswirkung auf die Messgenauigkeit haben.