Mittwoch, 11. Juni 2025 · 0 min read
Motorindizierung von Hochleistungs-Motorkomponenten mit dem Dewesoft-Verbrennungsanalysator
Die Komponenten aktueller Premium- und Motorsport-Verbrennungsmotoren sind während des Betriebs hohen, wiederkehrenden Belastungen ausgesetzt. Die Validierung der Qualität gefertigter Leichtbaukomponenten wie Kolben und Pleueln ist für die Gewährleistung einer langen Lebensdauer unerlässlich. Messtechniker führen intensive Tests sowohl auf Zug- und Druckprüfmaschinen im Labor als auch auf Prüfständen unter realitätsnahen Motorbetriebsbedingungen durch. Die Testabteilung von Pankl Racing Systems bietet Einblicke in den täglichen Einsatz der Motorindizierung (Combustion Engine Analyzer, CEA) von Dewesoft zur Durchführung detaillierter Analysen.
Pankl Racing Systems hat ihre Zentrale in der kleinen Industriestadt Kapfenberg im Südosten Österreichs, am Zusammenfluss von Mürz und Thörlbach.
Der Geschäftsbereich Pankl High Performance ist ein Tier-One-Zulieferer, der sich auf die Entwicklung und Herstellung von Komponenten für Motoren, Fahrwerke und Getriebe spezialisiert hat. Zu den Kunden zählen die Automobilindustrie, verschiedene Motorsportteams und die Luftfahrtbranche.
Pankl zeichnet sich in diesen Nischenmärkten durch Leichtbaukomponenten aus hochwertigen, innovativen Materialien aus, die für extreme mechanische Belastungen ausgelegt sind.
Bauteilprüfungen
Die Motorsysteme-Abteilung ist auf Pleuel, Kolben und Kurbelwellen spezialisiert, die als Einzelkomponenten oder komplette Systeme erhältlich sind. Die Konstruktion der Komponenten erfolgt im eigenen Haus – vom ersten Entwurf bis zur FEM-Berechnung des gesamten Systems.
Diplom-Ingenieur (DI) Elias Hillebold ist für den Motorprüfstand verantwortlich. Er führte mich zunächst durch das gesamte Unternehmen, wobei mir die Komplexität dieses hochspezialisierten Entwicklungsprozesses bewusst wurde.
Pleuel für den Rennsport werden aus hochfestem Stahl und Titanlegierungen hergestellt, wofür Pankl eigene Fertigungsstrategien entwickelt hat. Die beteiligten Ingenieure übertragen ihre Erfahrungen aus dem Rennsport hier auch auf die Serienproduktion von High-Performance-Fahrzeugen.
Die Testingenieure schneiden Proben aus Serienprodukten, fertigen daraus Prüfkörper an und schleifen diese plan. Dann wird die Oberflächenstruktur mit einem Elektronenrastermikroskop analysiert. Zudem werden im Rahmen der Wareneingangskontrolle sowohl bereits verfügbare als auch neue Materialien geprüft; im gesamten Bürobereich hängen großformatige Farbaufnahmen von Metalloberflächen. Das detaillierte Verfahrens-Know-how und die Leidenschaft, mit der die Techniker ihre Arbeit verrichten, sind beeindruckend.
Neben den Zug- und Druckprüfmaschinen steht auch ein Ermüdungsprüfstand zur Verfügung. Gerade klemmen die Bediener eine Pleuelstange darin fest, an der sie Dehnungsmessstreifen anbringen. Die Resonanzimpulsanregung durchläuft ein Frequenz- und Amplitudenprofil für eine definierte Anzahl von Zyklen oder bis zum Eintritt der Ermüdung – unter ständiger Überwachung.
Schließlich betreten wir den letzten Raum am Ende des Flurs. Es riecht nach Metall und Kraftstoff. Der Raum beherbergt den Motorprüfstand und die zugehörige Werkstatt. Hier wird das interdisziplinäre Fachwissen der Mechatroniker deutlich: Multimeter und Sensoren stehen neben präzise gefertigten, oberflächenbehandelten Metallteilen.
Motorprüfstand und Testmotor
Pankl Racing hat einen eigenen Einzylinder-Verbrennungsmotor entwickelt, um die gefertigten Motorkomponenten unter realen Betriebsbedingungen zu testen. Dies reduziert die Abhängigkeit von externen Testzentren und ermöglicht die Durchführung von noch detaillierteren Untersuchungen.
Da während eines Entwicklungsprozesses nicht immer alles nach Plan verläuft, kann es zum Beispiel von entscheidender Bedeutung sein, gefährliches Klopfen bei hohen Drehzahlen mit Hilfe der Motorindizierung frühzeitig zu erkennen und zu beseitigen, um Schäden zu minimieren.
Pankl Racing hat somit zwei Hauptziele: die kontinuierliche Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und die interne Prüfung ihrer Komponenten.
Verwendete Ausrüstung und Software
Die 1-MHz-Hochgeschwindigkeitsversion des universellen SIRIUS-Messsystem von Dewesoft ist ideal für höchste Winkelauflösungsanforderungen geeignet.
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ – Hochgeschwindigkeits-SIRIUS-Messsystem mit bis zu 1 MHz pro Kanal, acht analogen Eingängen für Ladung/IEPE/Spannung und 2 schnellen digitalen Winkelsensoreingängen
DewesoftX CEA-BASE und CEA-ADVANCED – Softwareoptionen für Verbrennungsmessungen und die Berechnung von Verbrennungsparametern (z. B. Thermodynamik) in der Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssoftware DewesoftX
DewesoftX OPT-CAN (im Lieferumfang von SIRIUS enthalten, CAN-Port an der Geräterückseite) – Softwareoption für die Kommunikation mit der Steuereinheit (Empfangen und Senden von CAN-Bus-Daten)
L1B7m-3xBNC-BOX – Anschlussbox (Bayonet Neill-Concelman) zur Aufrechterhaltung der charakteristischen Impedanz des Kabels am Anschluss für den Kurbelwinkelsensor (3x BNC zu 100-MHz-SIRIUS-Zählereingang)
DewesoftX PLUGIN-CA-TESTBED – Softwareoption für die Ethernet-Kommunikation mit dem Prüfstand von KS Engineers
Messungen und Ergebnisse
Da das Formel-1-Reglement den Kraftstoffverbrauch auf etwa 100 kg pro Rennen begrenzt, müssen heutige Verbrennungsmotoren mit einem deutlich magereren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden. Das bedeutet, dass einzelne Komponenten – wie etwa die Zündkerzen des Zündsystems – kontinuierlich an den Motor angepasst und optimiert werden müssen.
Das Prinzip der Vorkammerzündung ist seit mehr als 100 Jahren bekannt. Es wurde ursprünglich bei frühen Dieselmotoren eingesetzt und findet bis heute breite Anwendung in Gasmotoren und großen Stromgeneratoren. In jüngerer Zeit wird es auch in der Formel 1 wieder genutzt, wo es als Zündsystem dient.
Das Prinzip erlaubt den Betrieb von Ottomotoren mit sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen, wodurch sich die Kraftstoffeffizienz verbessert, der Verbrauch um etwa 20 % sinkt und die Emissionen reduziert werden. Es funktioniert so, dass eine kleine Kraftstoffmenge in die Vorkammer eingespritzt und dort mit einer konventionellen Zündkerze gezündet wird.
Der dabei entstehende, extrem heiße Flammenstrahl strömt durch sternförmig angeordnete feine Düsenöffnungen in die Hauptkammer, breitet sich dort in alle Richtungen aus und zündet das restliche Gemisch schneller und vollständiger als eine herkömmliche Zündkerze. Die Zündung in der Hauptkammer erfolgt kurz vor dem oberen Totpunkt (OT).
Die Herausforderung bei der Entwicklung besteht darin, die Einspritzung in einer kleinen Kammer, die unter ständig wechselnden Motorbedingungen immer genau funktionieren muss, präzise zu steuern. Ingenieure führen zahlreiche CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsmechanik) durch, um ein tieferes Verständnis und genauere Verhaltensvorhersagen zu erhalten. Ein weiteres Problem ist die sehr hohe Temperatur im Inneren der Vorkammer.
Welche CEA-Parameter sind nun für die Kunden am interessantesten, wenn es darum geht, Leistungssteigerungen durch die Änderung von Komponenten zu bewerten?
Von höchstem Interesse sind die MFB-Punkte (Mass Fraction Burned, verbrannter Massenanteil) – bei 10 %, 50 % und 90 %“, erklärt Elias Hillebold. „Diese Punkte geben Aufschluss über die Verbrennungsgeschwindigkeit des Motors. Die Kurve sollte so steil wie möglich sein, um den maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.
Bei der Überprüfung der Messdaten für diese Fallstudie entdeckten wir zufällig die Option ‚Gasaustauschkurve‘ im CEA-Scope-Widget. Wir fanden diese Einstellung sehr nützlich; bisher mussten wir die Daten nach MATLAB exportieren, um auf die entsprechende Anzeige zugreifen zu können.
Die Ingenieure verwenden das Indiziermesssystem und die ermittelte Gasaustauschkurve, um zu bestimmen, wie das Abgassystem die Verbrennung beeinflusst. Am Auspuffrohr tritt ein Saugeffekt auf, der einen Druckimpuls am Einlass verursacht. Tuner nutzen diesen Effekt gezielt, um eine höhere Leistung zu erzielen.
Fazit – ein vielseitig einsetzbares Modul
Pankl Racing erwarb das SIRIUS-Messmodul und das CEA-Software-Plugin ursprünglich ausschließlich für die Motorindizierung, d. h. zur Aufzeichnung und Auswertung von Zylinderdrücken und Kurbelwinkeln. Die Messtechniker sammelten Daten und kalibrierten das Modell, um einen Vergleich mit der CFD-Berechnung zu ermöglichen.
Kurze Zeit später erwarb Pankl Racing Systems auch das Testbed-Plugin, das die direkte Live-Übertragung der Messdaten an den Tornado-Prüfstand von Kristl, Seibt & Co ermöglicht. Das Indiziermesssystem ist von entscheidender Bedeutung für die frühzeitige Erkennung von Klopfereignissen und deren Weiterleitung.
Seitdem ist der Anwendungsbereich um viele zusätzliche Messkanäle erweitert worden. Die Techniker überprüfen Steuergerätedaten (Parameterverifizierung), erfassen den Einspritzstrom mit Stromzangen und messen Verzögerungszeiten. Die gleichzeitige Aufzeichnung von Wägezellendaten liefert weitere Erkenntnisse. Das Testbed-Plugin und das CEA-Modul können kombiniert werden, um alle Einflussfaktoren zu identifizieren und die Steuergeräteparameter zu optimieren.