Donnerstag, 13. Juni 2024 · 0 min read
Synchronisierte Verbrennungs- und NVH-Messungen auf einem Motorprüfstand
Bei der Entwicklung von Personenkraftwagen spielt das subjektive Fahrerlebnis eine immer wichtigere Rolle. Ein Schlüsselfaktor sind die Vibrationen und Geräusche, denen der Fahrer während der Fahrt ausgesetzt ist. Dabei ist der Antriebsstrang des Fahrzeugs der wichtigste Einflussfaktor. Die Grundlage für die Analyse und Optimierung ist die Kenntnis des zeitlichen Zusammenhangs zwischen dem Druckverlauf des Verbrennungsmotors, der Fahrzeugbussysteme und der Geräusche und Vibrationen im Fahrzeuginnenraum. Die Fachhochschule Frankfurt am Main stand mit ihren Prüfständen vor der Herausforderung, die Messungen zu vereinfachen und wertvolle Ausbildungskapazitäten hinzuzugewinnen. Dewesoft unterstützte sie dabei.
Viele Messsysteme beschränken sich auf eine einzige Anwendung und einen Datensatz. Für komplexe Aufgaben benötigt man oft mehrere Messsysteme und muss viel Zeitaufwand in die Nachverarbeitung investieren.
Für die Datenanalyse und -optimierung sind in der Regel drei bis sechs Exporte in verschiedene Softwarepakete erforderlich. Zudem müssen die erfassten Daten auf Plausibilität und Synchronisation geprüft werden. Mit Dewesoft wird für diverse Exporte nur eine einzige Messdatei benötigt, während die Analyse und die Optimierung weiterhin in jeder beliebigen Software durchgeführt werden können.
Die Dewesoft-Lösung half der Hochschule, synchronisierte Messungen mit direkter Visualisierung als Standardverfahren zu etablieren. Die hier beschriebene Problematik ist nur ein Beispiel für verschiedene Situationen, die unterschiedliche spezialisierte Messsysteme erfordern. Alle Erstausrüster, Tier-1-Zulieferer und anderen, die mehr als ein einzelnes Bauteil entwerfen oder prüfen, müssen sich mit vergleichbaren Herausforderungen bezüglich der Synchronisation und unmittelbaren Visualisierung auseinandersetzen.
Das Problem – Prüfstandszeit
Im hier beschriebenen Fall wurden die Messungen nach diesem Ansatz an der Fachhochschule Frankfurt (Frankfurt UAS) durchgeführt. Die Hochschule bietet rund 38 Studiengänge in den Bereichen Architektur und Bauingenieurwesen, Wirtschaft und Wirtschaftsrecht, Informatik und Ingenieurwissenschaften, Soziale Arbeit und Gesundheit an.
Der Laboringenieur Dipl.-Ing. Ingo Behr, M.H.Edu. ist seit 1988 an der Frankfurt UAS in den Laboren des Fachbereichs Informatik und Ingenieurwissenschaften mit dem Schwerpunkt Verbrennungsmotor tätig. Er hat Erfahrung in Fragen der Studienstrukturreform und ist an der Gestaltung konsekutiver Studiengänge im Fach Maschinenbau beteiligt.
Ingo Behr hatte jedoch ein Problem. Das Labor war nicht in der Lage, den Studierenden die wesentlichen Zusammenhänge zwischen dem Zylinderinnendruck eines Verbrennungsmotors und den NVH-Parametern zu demonstrieren. Eine Live-Visualisierung war mit separaten Systemen nicht möglich, und die Nachverarbeitung nahm viel mehr Zeit in Anspruch als der Test selbst.
Die aktuelle Herausforderung in der Hochschulausbildung besteht darin, dass eine große Anzahl von Studierenden die Grundlagen des Prüfstandsbetriebs erlernen muss. Und im Kontrollraum des Prüfstands ist nur Platz für drei bis vier Personen. Daher müssen wir unsere Zeit auf dem Prüfstand so effizient wie möglich nutzen.
Die Frankfurt UAS hat ein eigenes Motorenlabor, in dem an Verbrennungsmotoren geforscht wird. Das Laborteam ist auch für die Ausbildung der Studierenden auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren und in Bereichen wie der Messung verschiedener physikalischer Größen, Thermodynamik, Schwingungsanalyse oder Abgasmessungen zuständig.
Das Labor für Indiziermesstechnik verfügt über verschiedene Prüfstände für die Zylinderdruckindizierung:
klassische Motorenprüfstände
einen Prüfstand für die Klopffestigkeit von Kraftstoffen (Oktanzahl)
einen Prüfstand für Hochdruck-Diesel-Kraftstoffpumpen
Prüfstände für kleine Einzylindermotoren
Hinzu kommen verschiedene Arbeitsbereiche, z. B. für die Einstellung und Montage mechanischer Teile, die Kraftstoffmischung und die Nachverarbeitung.
Die Anwendung – Fahrkomfort
Die Wahrnehmung des Autofahrens bzw. der Autofahrt durch Fahrer und Passagiere spielt eine zunehmend wichtigere Rolle. Der Fahrkomfort ist heute ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal auf dem Markt. Automobilingenieure arbeiten daran, die subjektiven Erfahrungen von Fahrern und Passagieren in objektive und messbare Leistungsindikatoren (Key Performance Indicators, KPI) zu übersetzen und geeignete Testmethoden zu entwickeln.
Zu den Kriterien für das Komforterlebnis in Personenkraftwagen zählt die Vibrations- und Lärmbelastung der Fahrer. Traditionell verfügen Entwicklungsingenieure über eine Reihe von Messsystemen für die Bewertung dieser Belastungen, wobei jedes System spezifische Aufgaben wie Verbrennungsanalyse, Schwingungsanalyse oder spezielle Aspekte der Akustikanalyse übernimmt. Oftmals werden drei oder sogar vier Messsysteme parallel eingesetzt, die alle auf einen bestimmten Bereich spezialisiert und dafür relevant sind.
Ein Problem bei einem solchen Aufbau ist jedoch, dass diese Systeme nicht direkt synchronisiert sind und für die Analyse und Optimierung in vielen Fällen sogar zusätzliche Daten von anderen Systemen benötigen. Die erzeugten Messdateien sind nicht synchron, und der Datenabgleich ist zeitaufwändig oder gar unmöglich.
Der klassische Ansatz zur Lösung dieses Problems ist der Einsatz hochspezialisierter Systeme, die nur für eine spezifische Anwendung geeignet sind. Ein Messsystem für die Zylinderdruckindizierung wird parallel zu einem anderen für Schwingungs- und Akustikmessungen eingesetzt, während ein drittes Messsystem verschiedene Busdaten von CAN-FD oder FlexRay speichert. Jedes Messsystem hat seine eigene Software und erzeugt einen Datensatz, der nicht mit den anderen abgestimmt ist.
Dieser Ansatz hat mehrere Nachteile. So muss zum Beispiel jedes Messsystem von einem erfahrenen Benutzer bedient werden, und der Datenabgleich ist sehr zeitaufwändig. Dies ist nicht immer realisierbar. Der Dewesoft-Ansatz besteht darin, eine Optimierung und tiefere Analyse zu ermöglichen, indem alle Daten mit nur einem einzigen System gemessen und die rohen und berechneten Daten mittels verschiedener Exporte an spezialisierte Software verteilt werden.
Dabei können mit nur einem Messsystem alle Daten erfasst und in einer einzigen Datei gespeichert werden. Parallel dazu führt Dewesoft eine Standardberechnung aller beteiligten Anwendungen durch und stellt die resultierenden Werte online dar.
Die unmittelbare Visualisierung des Zusammenhangs zwischen der Verbrennungsanalyse und den Motorschwingungen ist der Schlüssel zur Erfüllung unserer Erwartungen.
Die Online-Ansicht bietet die Möglichkeit, die Daten unmittelbar zu überprüfen, um die Anzahl der durch äußere Einflüsse verursachten ungültigen Messungen zu reduzieren. Darüber hinaus können die Daten dennoch mit bereits etablierten Verfahren nachverarbeitet werden, und die Dewesoft-Software kann zur Vereinfachung dieser Vorgänge beitragen, indem sie die Nachverarbeitung durch verschiedene Exportformate unterstützt.
Abb. 1 illustriert diese Prozessvereinfachung. Die verschiedenen Systeme (A–D) können durch ein einziges System mit nur einer Online-Software ersetzt werden. Die bereits existierenden Analyse- und Optimierungsprozesse werden durch eine Exportfunktion unterstützt.
Die Lösung – kombinierte Zylinderdruckindizierung und NVH Messung
Die Motorenprüfeinrichtung umfasst zwei Räume: einen für den Prüfstand und einen Kontrollraum. Das Labor hat einen Standard-Pkw-Motor modifiziert, um den Studierenden die Hauptaufgaben des Prüfstands mit stationären Messungen und dynamischem Fahren zu demonstrieren. Dieser Motor ist an der Prüfstandsbasis angebracht, und die Prüfstandsbremse wandelt die erzeugte Leistung in elektrische Energie um. Der Motorenprüfstand umfasst auch verschiedene Systeme für
die Messung der mechanischen Leistung des Motors,
die Messung des Kraftstoffverbrauchs,
die Abgasanalyse,
die Verbrennungsmessung und
die NVH-Messung.
Die Studierenden müssen im Rahmen ihres Lehrplans diverse Tests in diesem Labor durchführen. Normalerweise werden sie während des Kurses in kleine Gruppen aufgeteilt, die unterschiedliche Messaufgaben haben. Die Gruppen besprechen ihre jeweiligen Ziele und planen ein Messverfahren. Dann führen sie die Messungen auf dem Motorprüfstand, die Online-Analyse und die Nachverarbeitung der Daten durch. Das alles findet in mehreren Sitzungen während eines Semesters statt. Schließlich präsentieren die Studierenden den anderen ihre Ergebnisse und Schlussfolgerungen und begründen sie vor den Prüfern.
In einem der Projekte müssen die Studierenden Daten erfassen und die Messergebnisse aus dem Verbrennungsmotor mit NVH-Daten korrelieren. Diese Daten stammen von Sensoren, die außerhalb des Motors angebracht sind. Ziel der Aufgabe ist es, die Korrelation zwischen dem Betrieb des Verbrennungsmotors, den Schwingungen, die dieser vor und hinter dem Lager verursacht, und dem von ihm erzeugten Geräusch zu ermitteln. Der durchgeführte Test ist auf die Entwicklung von Personenkraftwagen übertragbar, da er auf das generelle Problem in anderen Anwendungen angewendet werden kann.
Systemkonfiguration
Der Dewesoft-Messaufbau ist mobil ausgelegt und kann auf Straßen oder Teststrecken eingesetzt werden, ist aber auch z. B. für Rollenprüfstände geeignet. Die Messungen können entweder manuell oder über Systeme erfolgen, die als ferngesteuerte Slaves betrieben werden, wie z. B. Etas INCA (mobil) oder ein Automatisierungssystem (Prüfstand). Die Bedienung ist über Trigger, XCPoE oder ein Prüfstands-Plugin steuerbar.
Die Systemkonfiguration hängt von der Kanalanzahl und den Anwendungen ab. Typischerweise wird das Datenerfassungssystem aus folgenden Modulen kombiniert:
SIRIUSi-Hochgeschwindigkeits-(HS-)Modulen mit integrierten Ladungsverstärkern, die die Indiziermessdaten mit einer Abtastrate bis zu 1 MS/s erfassen
SIRIUS-DualCore- oder SIRIUS-High-Density-(HD-)Modulen mit IEPE-Eingängen, die die Schallquellen- und Schwingungsdaten mit einer Abtastrate bis zu 200 KS/s erfassen
Diese Systeme sind vollständig synchronisiert, und die Hardware versieht die analogen Messdaten mit einem Zeitstempel. Auch CAN-FD ist mit derselben Hardware messbar. Der FlexRay wird parallel erfasst und mit der Zeitinformation des Nachrichteneingangs weich synchronisiert. Die Dekodierung der Busspur erfolgt während der Messung direkt in der Software.
Hardwarekonfiguration
Die verwendete Hardwarekonfiguration umfasst die folgenden SIRIUS-Datenerfassungssysteme von Dewesoft (siehe auch Abb. 3):
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ mit CAN-FD-Upgrade und Ladungsverstärkern
SIRIUS-HD-16xACC mit CAN-FD-Upgrade und IEPE-Eingängen
Es ist zu beachten, dass diese Systeme auf unterschiedliche Weise konfiguriert werden können.
Die Motorkonfiguration (siehe Abb. 4) umfasste einen Kurbelwinkelgeber (1), modifizierte Zündkerzen zur Messung des Verbrennungsdrucks (2), Schwingungssensoren (3) und ein Mikrofon (4), die im Prüfstand platziert wurden. Die Sensoren wurden per Kabel mit den SIRIUS-Messmodulen im Motorenkontrollraum neben dem Automatisierungssystem verbunden.
Softwarekonfiguration
Über die Software DewesoftX Professional werden die SIRIUS-Messsysteme von Dewesoft als Slaves außerhalb des Prüfstandsautomatisierungssystems betrieben. Die Software DewesoftX nutzt für die Erfassung die Standardausstattung. Die Analog- und Zählereingänge sind definiert und die erforderlichen Berechnungen in den entsprechenden Plugins und Optionen vorgegeben.
Bei der verwendeten Software handelt es sich um:
DewesoftX Professional - Software für die Signalmessung, Datenaufzeichnung, Signalverarbeitung und Datenvisualisierung und -analyse
Dewesoft Combustion Engine Analyzer - erlaubt die Kaltstartanalyse im Zeitbereich und die Umrechnung der Zeitdaten in Grad Kurbelwinkel mit Berechnung der üblichen Resultatwerte. Die Option fügt auch den Verbrennungsbereich und die p-V-Diagramm-Anzeige hinzu.
Dewesoft Modul Sound Level Meter - erweitert DewesoftX um die Schallpegelmesser-Funktion.
Dewesoft FFT Modul - erlaubt die FFT-Analyse in Echtzeit auf einer unbegrenzten Anzahl von Eingangskanälen mit einer großen Auswahl an erweiterten Markern und Lagerfehlern.
Zusätzlich zum Schallpegelmesser kann Dewesoft auch vollständig synchronisierte Schallqualitäts-, Schallintensitäts- und Torsionsschwingungsmessungen bereitstellen. Dies eröffnet Möglichkeiten für zukünftige Analysen mit dem gleichen System.
Das hier beschriebene Beispiel zeigt vier piezoelektrische Zylinderdrucksensoren, die in der Brennkammer montiert und an ein SIRIUSi-HS-System mit Ladungseingängen angeschlossen sind. An dieses Gerät ist per Dewesoft-Supercounter auch der Kurbelwinkelsensor angeschlossen. Dies bildet mit einer Abtastrate von bis zu 1 Ms/s die Basis für die Verbrennungsmessung bei allen Motordrehzahlen.
Das Modul Dewesoft Combustion Engine Analyzer wird zur Verbrennungsmotoranalyse eingesetzt. Die vier gemessenen Drucksignale werden dabei vom Zeitbereich auf den Kurbelwinkelbereich übertragen und können zyklusweise dargestellt werden. Die Software berechnet auch die benötigten Messergebnisse, z. B. den Mitteldruck und den Verbrennungsschwerpunkt.
Laboringenieur Ingo Behr schloss die Schwingungs- und Schallsensoren an ein SIRIUSi-System mit IEPE-Eingängen an. Dieses System bietet eine Erfassungsrate von 200 kS/s bei einer Auflösung von 2 x 24 Bit pro Kanal, einen Dynamikbereich von annähernd 160 dB und perfekte Schalldaten.
Die Daten werden mit Hilfe des Schallpegelmessers und der FFT-Module in eine FFT oder einen gewichteten Schallpegel übertragen. Dieser Aufbau ermöglicht es, die hochfrequenten Komponenten der Schwingung und den durch das Motorlager induzierten Schall zu visualisieren. Die Verwendung zusätzlicher Beschleunigungssensoren erlaubt zudem den Vergleich der Motorschwingungen vor und hinter allen vorhandenen Lagern und somit die Messung ihrer Dämpfung.
Das Messsystem wurde als Slave außerhalb des Motorprüfstands-Automatisierungssystems unter Verwendung des Prüfstands-Plugins in DewesoftX konfiguriert. Der Slave-Betrieb ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann auch mit Steuergerät-Kalibrierungs- oder -Validierungstools eingesetzt werden.
Dies hat den Vorteil, dass das Automatisierungssystem nicht nur das Messsystem bedient (Start, Stopp). Die Dateinamen für die Messungen werden vom Automatisierungssystem vergeben und an DewesoftX Professional übertragen. Die Ergebnisse – also die Verbrennungs-, Schall- und Schwingungsmesswerte – werden kontinuierlich in der Betriebsübersicht und im Datenbankspeicher des Systems angezeigt.
Die Online-Ansicht hilft bei der direkten Überprüfung der Systemeinstellungen, was einen weiteren Vorteil dieses Ansatzes darstellt. Fehlerhafte Messungen sind sofort sichtbar und können korrigiert und wiederholt werden. Abb. 5 zeigt die Konfiguration des Analogeingangs mit den Kanälen 1 bis 4 und 9 bis 11.
Die Messungen
Die beiden gebräuchlichsten Arten von Tests für die Motorentwicklung sind der Stufentest und der Beschleunigungs- oder Sweep-Test.
Bei einem Stufentest wird der Motor mit konstanter Drehzahl betrieben, bis er sich stabilisiert hat und die Daten erfasst werden. Anschließend wird die Motordrehzahl auf den nächsten Sollwert geändert. Der Vorteil des Stufentests besteht darin, dass die Trägheit des Motors und der Prüfstandsbremse die Drehmomentmessung nicht beeinflusst. Ohne Beschleunigung kann der Test konsistenter sein.
Beim Stufentest braucht der Motor lediglich für kurze Zeit mit einer konstanten Drehzahl zu laufen. Das ist jedoch kein Zustand, der bei Motoren unter realen Betriebsbedingungen anzutreffen ist, und kann sich auf die Abstimmung auswirken. Dies ist ein wesentlicher Grund, warum die optimale Abstimmung auf dem Motorenprüfstand und auf der Teststrecke unterschiedlich ausfallen kann.
Beim Sweep- oder Beschleunigungstest wird der Motor mit einer konstanten Rate beschleunigt, z. B. 100 U/min/s oder 300 U/min/s. Sweep-Tests sind in der Regel das Ergebnis einer kontrollierten Laständerung an der Prüfstandsbremse zur Anpassung der Drehzahl.
Sweep-Tests simulieren die Bedingungen auf der Teststrecke besser als Stufentests, die Beschleunigungskontrolle wirkt sich aber auf die Drehmomentmesswerte aus. Während des Tests – und zwischen den Tests – muss die Beschleunigungsrate konstant sein. Das Steuerungssystem der Prüfstandsbremse trägt zur Konsistenz zwischen den Sweep-Tests bei.
Die Software DewesoftX unterstützt verschiedene Anzeigen und Widgets und bietet so eine ganze Reihe von Datenvisualisierungsoptionen. Ziel der Visualisierung ist es, einen klaren Überblick über die relevanten Daten zu erhalten, um die Gültigkeit der Messung zu überprüfen.
Der Messbildschirm in Abb. 6 zeigt die verschiedenen Daten in separaten Bereichen an. Dabei entspricht jeder Quadrant einem Datenbereich. In unserem Beispiel sind das
1. die Verbrennungsmessung,
2. die Schwingungsmessung,
3. die Schallmessung und
die Busdaten und die Datenkorrelation.
Fazit – vereinfachtes Testen
Mit einem schlanken Aufbau ermöglichte der Dewesoft-Ansatz die Erfassung aller erforderlichen Parameter. Die Anzahl der Messsysteme – und der Interaktionen zwischen den verschiedenen Systemen – wurden auf ein Minimum reduziert. Diese Reduzierung führte zu einer wesentlich stabileren und weniger störungsanfälligen Testumgebung und zu einer geringeren Anzahl von Prüfstandsstunden.
In our practical test, the Dewesoft approach simplified the data acquisition process and required no adjustments in the established analysis process.
Das Labor kann das System als eigenständiges System für mobile Tests verwenden. Es erwies sich aber auch als geeignet für einen Prüfstandsaufbau (Motor- oder Rollenprüfstand), einschließlich der Unterstützung von Anforderungen wie Road2Rig und einer ganzen Reihe von Fahrzeugbussen wie CAN-FD und FlexRay, einschließlich dynamischer Protokolldateneinheiten (Protocol Data Unit, PDU). Es gibt nicht viele Messsysteme, die eine ähnlich umfangreiche Palette von Fahrzeugbussystemen unterstützen.
Der Erfolg dieser Lösung beruht hauptsächlich auf zwei einzigartigen Eigenschaften:
der Fähigkeit zur synchronen Erfassung von Rohdaten und Fahrzeugbusdaten und zur Durchführung der erforderlichen Berechnungen für verschiedene Bereiche wie Verbrennungsanalyse, Schallanalyse und Schwingungsanalyse;
der Fähigkeit zur Unterstützung aller erforderlichen Datenexporte und zur Bereitstellung der Daten an die involvierten Teams und Prozesse.
Die große Vielfalt der von DewesoftX unterstützten Anwendungen und Exporte erlaubt die Anpassung dieses Ansatzes an verschiedene Kombinationen wie z. B.:
Analyse von Hybridmotoren: Verbrennungsmotoranalyse + Elektromotor-Leistungsanalyse.
NVH-Analyse von Elektroautos: elektrische Leistungsanalyse + Schallpegel + Schallintensität + Ordnungsanalyse + Schwingungsanalyse