Daimler-Mitarbeiter-Blog

Ein Einblick in den Motorenprüfstand

Die Mercedes-Benz Motoren verrichten, unsichtbar im Fahrzeug eingebaut, zuverlässig ihre Arbeit. Wie kommt es zu dieser Zuverlässigkeit? Wir gewähren einen Einblick in „die Folterkammer“, in der die Motoren auf Herz und Nieren geprüft werden. Es werden Motoren aller Motorbaureihen geprüft, vom ersten Prototyp bis zum Serienmotor, für den noch Verbesserungen in die Serie einfließen sollen.

Die komplett montierten Motoren werden vom Produktionswerk oder der Motorenmontage angeliefert und im AggregateVorbereitungsZentrum für den Prüfstandstest vorbereitet. Dies bedeutet, dass der Motor mit den Motorträgern, Hydrolagern und Getriebe wie im entsprechenden Fahrzeug ausgerüstet wird. Der so vorbereitete Motor wird auf einen Motoraufbaurahmen, der die geometrischen Befestigungspunkte des Fahrzeugvorbaus hat, aufgerüstet. Der Motoraufbaurahmen wird mit der Grundpalette verbunden. In der Grundpalette sind alle Kühler integriert, die zur Kühlung und Regelung der Betriebsmittel wie Kühlwasser-, Motor- / Getriebeöl notwendig sind. Es werden Thermoelemente zum Messen der Temperaturen wie Abgas, Kühlwasser, Motoröl usw. sowie Druckaufnehmer zum Messen von Öldruck, Kühlsystemdruck, Abgasgegendrücke in der Auspuffanlage eingesetzt. Dies sind die Standardumfänge für alle Motoren. Sondermeßtechnik wie z.B. Messen der Turbinendrehzahl des Abgasturboladers oder des Drucks im Verbrennungsraum wird je nach Versuchsaufgabe eingebaut. Ist der Motor soweit mechanisch fertig aufgerüstet, werden die Elektrik, Aktuatoren, Sensoren sowie das Steuergerät angeschlossen. Die oben genannten Meßstellen werden mit Normnamen identifiziert und der Meßbereich kalibriert. Ist der Motor mit Kühlmittel und Öl befüllt, wird der Motor auf den InBetriebNahme Prüfstand gebracht und die Palette mit der Infrastruktur des Prüfstands verbunden. Der dem Aufbauzustand des Motors entsprechende aktuelle Datenstand wird ins Steuergerät geflasht. Nun kommt der spannende Moment. Alles angeschlossen, Kraftstoffsystem befüllt:“ Springt der Motor an?“ Ist dies der Fall und ist ausreichender Öldruck vorhanden, wird der Motor warm gefahren und alle Sensoren und Aktuatoren auf Funktion geprüft. Treten bei diesen Tests Probleme auf, wird eine Fehlerdiagnose durchgeführt und Maßnahmen ergriffen, bis der Motor rund läuft und Gas annimmt. Ist der Motor kraftstoff-, wasser- und öldicht, wird er aus dem IBN Prüfstand gebracht und ins Prüffeld transportiert.

Bis an die Grenze: Optimierung von Abgaswerten und Kraftstoffverbrauch

Im Motorenprüffeld werden die Motoren je nach Verwendungszweck ganz speziellen Versuchsreihen unterzogen. Auf den sogenannten „Verbrennungsprüfständen“ wird die Leistungsentfaltung / der Drehmomentverlauf des Motors unter Berücksichtigung von guten Abgaswerten und geringem Kraftstoffverbrauch optimiert. Diese Aufgaben sind sehr aufwändig, da alle Stützpunkte im Kennfeld, welches im Steuergerät abgelegt ist, optimiert werden. Bei Prototyp Motoren erfolgen diese Arbeiten durch manuelle Verstellung. Der/die Prüfstandsführer/in fährt bei den ersten Prototypmotoren die verschiedenen Drehzahl / Last Stützpunkte von Hand an, verstellt Einspritzbeginn, Zündzeitpunkt, AGR Rate und speichert die gemessenen Werte ab. Dafür wird viel know how benötigt. Bei der Verstellung der Parameter kann der Motor schnell in einen Betriebszustand kommen, der z.B. für die Kolben thermisch zu hoch sein kann und somit  einen kapitalen Motorschaden zur Folge hat. Sind die ersten Kenndaten herausgefahren, werden im weiteren Entwicklungsverlauf die Programme automatisiert abgefahren. Der /die Prüfstandsführer/in parametriert die verschiedenen Last / Drehzahlstufen mit allen Grenzwerten im  Automatisierungssystem, so dass das System selbständig die verschiedenen Punkte anfährt, Optimierungsschleifen fährt und so die optimale Einstellung für Einspritzbeginn, Zündzeitpunkt, Abgasrückführrate und Nockenwellenstellung ermittelt. Diese Optimierungsschleifen werden so lange wiederholt, bis der Motor die Leistungs-, Verbrauchs- und Abgaswerte hat, um den besten Motor für unsere Fahrzeuge zu produzieren. Grenzwerte schützen den Motor vor Motorschäden. Bei Erreichen der Grenzwerte wird er abgeschaltet und es geht auf dem Bildschirm eine Meldung mit dem Grund der Abstellung auf. Der/die Prüfstandsführer/in hat die Aufgabe nach dem Grund der Abschaltung zu suchen und Abhilfemaßnahmen zu ergreifen.

Bei automatisierten Abläufen muß der/die Prüfstandsführer/in die Messwerte auf Vollständigkeit und Plausibilität prüfen und bespricht das weitere Prüfprogramm mit dem Versuchsingenieur.

Zuverlässige Motoren -- dauerhaft.

Ein weiterer großer Aufgabenbereich ist die Überprüfung der Dauerhaltbarkeit des Motors. Mit vermessenen Bauteilen, wie z.B. Kolben, Lageschalen, Kurbel-, Nockenwelle usw. werden Motoren in der Motorenwerkstatt zusammengebaut.

Der Ablauf, bis der Motor auf dem Prüfstand ist, geschieht analog zu den oben beschriebenen Schritten. Für diesen Dauerlaufmotor existiert bereits ein optimierter Datenstand. Die Motoren der verschiedenen Entwicklungsstufen werden einem zeitgerafften „Streßtest“ unterzogen. Die Programme haben eine Laufzeit von 500 Std. bis zu 2400 Std., sowohl mit vielen hohen Volllast- als auch niedrigen Teillastanteilen. Die Programme entsprechen umgerechnet in etwa einer durchschnittlichen Fahrgeschwindigkeit von 110 Km/h. Mit den hohen VL Anteilen wird das thermische Verhalten und die Haltbarkeit von Bauteilen abgeprüft. Die niedrigen Last / Drehzahl Anteile bewirken eine Versottung / Verschlammung von verschiedenen Bauteilen des Motors. Eine sehr große Belastung ist u. a. die starke Abkühlung der Kühlwassers innerhalb von max. 60 sec. von 110 °C auf ca. 25 °C und das schnelle Hochfahren des Motors unter Volllast auf Nenndrehzahl bei kaltem Wasser.

Die Arbeit an einem Vollmotorenprüfstand ist sehr abwechslungsreich und höchst interessant. Die neueste Motorentechnik wird auf den Prüfständen zur Serienreife entwickelt. Die Motoren werden dann in ca. 3 bis 4 Jahren in die  Mercedes Benz Fahrzeuge eingebaut. Die Mitarbeiter/innen haben überwiegend eine Ausbildung als Kfz- Mechatroniker/in und werden durch intensive Weiterbildung in die Prüfstands- und Motorentechnik eingearbeitet. Sie müssen die Prüfstandstechnik verstehen, damit sie bei Unregelmäßigkeiten den Fehler diagnostizieren und ggf. beheben können. Alle anfallenden Montagearbeiten am Motor werden von ihnen ausgeführt.

Komplexe Systeme brauchen Profis

Die heutigen Motoren und die der nächsten Generation sind bezüglich der Regelung/Steuerung sehr komplex. Nur mit diesem enormen Aufwand ist es möglich, die strengen Abgasgesetze einzuhalten und den Motoren den übermäßigen Konsum an Kraftstoffen abzugewöhnen. Hat der Motor eine Fehlfunktion, kommt der/die Prüfstandsführer/in bei der Fehlersuche schnell an seine/ihre fachliche Grenzen. Kann er/sie den Fehler nicht lokalisieren und beheben, kommt das „Diagnose Team“ ins Spiel. Die Kollegen / innen sind speziell in den verschiedenen Applikation / Diagnosetools geschult und haben vertiefte Kenntnisse im Zusammenspiel der Sensoren / Aktuaren sowie des Motor- / Prüfstandskabelsatzes. Liegt der Fehler nicht im Bereich dieser Bauteile, müssen die Spezialisten des Prüfengineerings die abgelegten Funktionen im Datenstand des Steuergeräts überprüfen. Für diese Aufgabe ist ein vertieftes Wissen der Strukturen und Funktionen des Steuergerätes notwendig.

Immer neue Herausforderungen

Eine neue Herausforderung für die Prüfstandstechnik ist die Entwicklung des Hybridantriebs sowie die Simulation von Abgasrollentest oder das Abfahren von Fahrzeugstreckenprofilen auf Vollmotorenprüfständen. Dafür wird eine sehr schnelle Regelung am Prüfstand benötigt, Schaltroboter für die Getriebe sowie eine Schnellkühlanlage zum Konditionieren von Kühlwasser und Motoröl kommt zum Einsatz. Auf diesen Prüfständen werden zusammen mit den Entwicklungsingenieuren Verblockungsstrategien entwickelt, die dann vom betrieblichen Engineering in den Systemen umgesetzt werden. Die richtige Abfolge des Programms sowie die Messwerte werden vom Prüfstandsfahrer überwacht und plausibilisiert.

Motorenprüfstände sind eine sehr komplexe Einrichtung. Sie müssen mit Kühlluft, Kühlwasser, Kaltwasser, Kraftstoff, Strom versorgt werden. Entsorgt werden müssen warme Abluft, Abgas sowie anfallende Emulsionen. Die Prüfeinrichtung mit aller Messtechnik muß kalibriert / zertifiziert werden. Die Instandsetzung / Instandhaltung der Technischen Gebäude Anlagen wird von Fremdfirmen durchgeführt. Die Beauftragung / Steuerung der Arbeiten erfolgt durch eigene Mitarbeiter. Da es sich sowohl um mechanische als auch elektrische /elektronische Umfänge handelt, ist eine entsprechende Ausbildung, großes Fachwissen und Erfahrung Voraussetzung für die Bewältigung dieser Aufgaben. Neben den technischen sind auch die betriebswirtschaftlichen Belange zu berücksichtigen.

Energierückgewinnung im Motorenprüfstand

Eine Besonderheit im Vollmotorenprüffeld ist die Tatsache, dass nur aktive Maschinen zur Leistungsabnahme der Motoren eingesetzt werden. Die Leistung, die der Motor abgibt wird nicht wie im Fahrzeug für die Fortbewegung in Längsrichtung genutzt, sonder wird in den Bremsen zu elektrischer Energie gewandelt und in das Stromnetz zurückgespeist. Dies ist ein nicht unerheblicher Beitrag der Daimler AG zum gelebten Umweltschutz.

Die Prüfstände laufen 24 Std/Tag an 365 Tagen/Jahr. Die anfallenden Aufgaben werden im vollen Unfang von Montag bis Freitag im 2 -Schichtbetrieb abgearbeitet. Von Montag bis Samstag übernimmt, nach Ende der Spätschicht, die Nachtschicht mit 6 Personen die Prüfstände. Am Wochenende wird der Betrieb von der Wochenendschicht von Freitag bis Montagfrüh übernommen.

Im Prüffeld werden die besten Motoren für begehrenswerte Fahrzeuge entwickelt, ganz nach dem Motto:
„Das Beste oder Nichts“