Leistungsmessung – Wie funktioniert ein Rollenleistungsprüfstand?

Die Leistungsmessung ist der Moment der Wahrheit. Hier zeigt sich in nakten Zahlen, was Kennfeldmanipulation, Abgasanlage oder neuer Turbolader nun tatsächlich verändert haben.

Das Prüfgerät zur qualifizierten Aussage über die Leistung eines Fahrzeugs ist der Rollenleistungsprüfstand oder Englisch Dyno. Doch wie funktioniert dieser überhaupt?

Motorleistung kann man eigentlich gar nicht messen

Traurig aber wahr: Mit einem Rollenleistungsprüfstand kann man die Motorleistung eigentlich überhaupt nicht messen. Man kann nur die Radleistung bestimmen und mit ein paar Schätzwerten auf die Motorleistung zurückrechnen. Genau genommen kann man nicht mal die Radleistung messen sondern “nur” Hilfsgrößen wie Kraft, Strom oder Drehzahländerung bestimmen. Mit diesen lässt sich, je nach Verfahren, die Radleistung errechnen.

Es gibt verschiedene Arten, wie man die Radleistung auf einem Rollenleistungsprüfstand bestimmen kann. Leistung ist dabei die verrichtete Arbeit pro Zeit. Ein angetriebenes Rad dreht sich mit einem Drehmoment (Arbeit) und erzeugt am Umfang eine Kraft. Je nachdem wie schnell (Drehzahl) es sich dreht, ist das dann mehr oder weniger Leistung.

Man sieht also, dass für die Bestimmung der Radleistung die Drehzahl und das Drehmoment notwendig ist.

Prüfstandsarten

Schwungmassenprüfstand

Jeder der schon mal versucht hat einen Güterzug anzuschieben weiß, dass es eine ganze Menge Trägheit gibt, die einen dabei hindert das Teil in Bewegung zu setzen. Nimmt man nun eine metallische Rolle und lässt das Rad diese träge Rolle beschleunigen, hat man vorher (z.B. mittels CAD-Software) das Massenträgheitsmoment um die Drehachse bestimmt, so kann man durch die Änderung der Drehzahl auf das Moment schließen. Die mathematische Formulierung davon ist:

Mit bekanntem Massenträgheitsmoment von beispielsweise J=15kgm² und einer Änderung der Drehzahl von 100U/min pro Sekunde (der Rolle!), ergibt sich:

Dieses Verfahren bietet sich für den Heim- und Hobbybedarf an und wird auch für kleinere Prüfstände professionell verwendet. Gemessen werden muss natürlich die Drehzahl der Rolle, welche dann für die Berechnungen entsprechend mathematisch behandelt wird. In größeren Prüfständen, welche auch noch für andere Aufgaben Anwendung (Abgasmessung, Verbrauchsmessung usw.) finden sollen, muss zusätzlich zu dem Massenträgheitsmoment noch eine dynamische Komponente verwendet werden, was zum Einsatz elektrischer Maschinen führt.

Wirbelstrombremse (passiv)

Der Einsatz einer elektrischen Maschine als Bremse der Rolle ist ein sehr häufiger Anwendungsfall. Damit lassen sich auch wesentlich mehr Messverfahren realisieren als mit dem einfachen Hochdrehen einer trägen Metallrolle. Die Wirbelstrombremse kann als passives, also nur bremsendes Element die Leistung des antreibenden Motors aufnehmen. Über eine pendelnde Lagerung und mittels Kraftmessdosen ist eine Berechnung des eingeleiteten Drehmoments möglich.

Asynchronmaschine (aktiv)

Die einer geregelten Asynchronmaschine kann man dann auch aktiv eine Leistung einbringen, also z.B. antreiben oder auch bremsen. Häufig wird bei diesem Verfahren mit einer Drehmomentmesswelle gearbeitet.

Wer sich für die unzähligen Verfahren und Varianten interessiert, der kann unter Motorenprüfstand in der Wikipedia eine Übersicht finden. Ich möchte im folgenden auf die Messverfahren zur Leistungsbestimmung eingehen.

Messverfahren zur Leistungsmessung

Statische Leistungsmessung

Dieses Verfahren setzt voraus, dass man die Kennwerte von Fahrzeug und Prüfstand kennt und auch einhält. Die Räder werden beschleunigt und beim Erreichen einer vorher eingestellten Geschwindigkeit bremst der Prüfstand die Räder automatisch ab, obwohl man voll auf dem Fahrpedal steht.

Dies setzt natürlich voraus, dass die elektrische Abbremsleistung höher ist als die antreibende Leistung vom Fahrzeug. Die Fahraufgabe wird oftmals in Form einer Rampe realisiert, das heißt der Fahrer hat Zeit in Ruhe auf die Wunschgeschwindigkeit zu beschleunigen und wird dann langsam auf Leerlaufdrehzahl runter gebremst.

Durch die Wahl der Übersetzung (Gang) und die Geschwindigkeit ergibt sich jeder beliebige Punkt im Leistungskennfeld. Man nennt dies “Diskrete Leistungsmessung”.

Dynamische Leistungsmessung

Diese Art der Leistungsmessung ist das, was man in 99% der Fälle sieht, wenn man auf YouTube nach Dyno sucht. Hierbei wird, ähnlich wie beim Schwungmassenprüfstand, die Drehzahländerung der trägen Rolle gemessen. Das Fahrzeug wird langsam bis in den Gang beschleunigt, in welchem die Getriebeübersetzung ungefähr 1:1 ist (meist der vorletzte Gang), um dann aus dem Drehzahlkeller bis Nenndrehzahl mit Volllast durch zu beschleunigen.

Über die Drehzahländerung pro Zeit kann mit bekanntem Massenträgheitsmoment auf ein Drehmoment gerechnet werden, welches multipliziert mit der jeweiligen aktuellen Drehzahl die aktuelle Radleistung ergibt.

Fehler bei der Leistungsmessung

Alle Prüfstände haben eines gemeinsam: Es kommen immer Kurven und Zahlen heraus! Allerdings möchte man ja die möglichst korrekten Zahlen ermitteln und nicht irgendwelche. Die häufigsten Fehler sind meiner Meinung nach schon bei YouTube zu finden. Ich möchte sie hier aufzählen.

Safety First: Fahrzeug fixieren!

Das Fahrzeug möchte auf dem Prüfstand mit aller Macht vorwärts!! Wenn man ein Fahrzeug mit 500Nm hat, dann müssen die auch irgendwie auf die Rolle gebracht werden. Bei einem Reifenhalbmesser von 0.3m und einer Gesamtübersetzung von 1:4 ergibt sich damit eine Zugkraft von

Das entspricht also etwa 680kg. Allerdings sollte nicht vergessen werden, dass es dynamische Kräfte in beträchtlichem Umfang gibt, dass die Gurte nicht immer ideal in Längsrichtung angebracht werden können und dass diese auch altern. Mehr ist also immer besser. Auch in Querrichtung (Lenkbewegung, Reifenplatzer, Unwucht etc.) und auch entgegen der Fahrtrichtung (sollte man z.B. Motorbremse oder Bremse benutzen) ist ein Gurt angebracht.

Fehlerteufel: Radschlupf

Freilich, ohne Schlupf geht gar nichts! Es gibt immer einen Schlupf zwischen Rad und Trommel, dennoch muss dieser begrenzt werden.

Gerade bei hochaufgeladenen Turbomotoren mit hohem Drehmomentgradienten gibt es mitunter ein Schlupfproblem an den Rädern, selbst wenn im 4. oder 5. Gang gemessen wird. Hierbei hilft nur die Achslast zu erhöhen oder das Fahrzeug nieder zu zurren.

Wärme und Belüftung

Es ist eigentlich jedem bekannt der etwas mit Verbrennungsmotoren zu tun hat. Dennoch wird gerade das Thema Belüftung echt Stiefmütterlich behandelt. Auf manchen Videos sieht man, wie 600kW Motoren vor einer Wand ohne Belüftung geprüft werden.

Ein Verbrennungsmotor benötigt Luftstrom! Da reicht auch kein Lüfter aus dem Baumarkt, den man davor stellt, auch dann nicht wenn die Motorhaube geöffnet wurde. Als Richtwert gilt, dass der Luftvolumentrom > 25.000m³/h und die Anströmgeschwindigkeit >90km/h (auch unter dem Fahrzeug) bei konstanten 20°C  gewährleistet sein sollte.

Auch die Frischluftzufuhr ist wichtig. Als Faustformel kann man sich merken, dass das 3-fache der Motorleistung im Raum als Wärmeleistung anfällt und demzufolge abtransportiert werden will. Misst man mehrere Stunden (Dyno-Days z.B.) in einer kleinen Werkstatt, so muss dafür gesorgt werden, dass die Wärme durch Abluftanlagen aus der Halle transportiert wird. Es bringt nichts, wenn die warme Luft vom Gebläse umgewälzt wird und wieder vom Motor angesaugt. Bei einer Fläche von 100m² sind ca. 5000m³/h Frischluftzufuhr nötig.

Gerade moderne Motoren messen die Ansauglufttemperatur und regeln die Motorleistung runter, sollte die Luft zu warm werden. Ein falsches Messergebnis ist die Folge.

Von der Radleistung zur Motorleistung

Zwischen dem Rad und dem Motor steht der Antriebsstrang. Man muss auf die gemessene Radleistung also noch die Verluste des Antriebsstrangs (Schleppleistung) drauf rechnen und erhält daraus die Motorleistung.

Bei der dynamischen Messung wird nach dem Erreichen der Maximaldrehzahl der Fuß vom Gas genommen und ausgekuppelt. Die Räder, Antriebswellen, Getriebe usw. drehen mitsamt der Rolle langsam wieder runter. Der Prüfstand ermittelt in der Zwischenzeit die Schleppleistung. Diese wird nach Ende der “Ausrollphase” auf die Radleistung drauf gerechnet und man erhält die Motorleistung.

Athmosphärische Korrektur

Mit dieser Motorleistung ist man allerdings immer noch nicht am Ziel. Die DIN70020 gibt Korrekturfaktoren für die Leistung für Umgebungsdruck und -temperatur vor. Der Prüfstand muss diese also bei der Leistungsmessung mit ermitteln.

Neuere Turbomotoren korrigieren die Umweltbedingungen allerdings selbst und erhöhen den Ladedruck selbstständig, um auch in großer Höhe noch maximale Leistung zu produzieren. Da ist keine Korrektur vom Prüfstand zu berücksichtigen! Auto Motor und Sport musste das erfahren…

Resultat

Ist nun alles korrekt gemessen worden, so ergibt sich eine Drehmomentkurve, welche mit der jeweiligen Drehzahl und 2Pi multipliziert die Leistung ergibt. Dazu eine Schleppleistungskurve, welche der korrigierten Radleistung hinzuaddiert wird. Die Leistungsmessung ist erfolgreich beendet.

[Update] Bitte auch die Kommentare beachten, dort sind interessante Informationen aus praktischer Sicht aufgeführt!