"Gentlemen, start your vector drives!"

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1 "Gentlemen, start your vector drives!" Inhaltsverzeichnis Fahren Sie Ihre Vektor-Antriebe hoch!...2 Warmtest-Verfahren?...3 Kalttest-Verfahren?...4 Heißes wird kalt!...5 Nachteile des Warmtest-Verfahrens...5 Vorteile des Kalttest-Verfahrens...5 Das Kalttest-Verfahren...6 Die Lösung wird angesteuert!...7 Drehmoment-Beobachter...7 Digitaler Stromregler...7 Den Fehlern auf der Spur!...8 Mängelbeseitigung durch Kalttest-Verfahren...8

2 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Fahren Sie Ihre Vektor-Antriebe hoch! Bevor die digitalen Drehstromantriebe geschaffen wurden, konnte man Motorschäden nur auf eine Art entdecken. Jetzt gibt es die Alternative. Mit digitalen Drehstrom-Vektorantrieben, wie dem Unico 2400 von der Firma Unico Inc., können an Testständen teilmontierte Motoren auf Schäden untersucht werden. Diese Teststände sind nicht nur in der Lage, die Fehler zu finden, sondern stellen auch die wahre Ursache für den Fehler genau fest. Motor-Kalttest UNICO Deutschland GmbH 02. Mai 2007

3 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Warmtest-Verfahren? Allzu oft geschieht Folgendes in Motorenwerken in der ganzen Welt: Nach vielen Montageschritten kommt ein Gas- oder Dieselmotor vom Band. Um sicherzustellen, dass alle Teile korrekt aufeinander abgestimmt sind, schließt ein Arbeiter den Motor an einem "Warmtest-Stand" an. Der Motortest offenbart, dass der Öldruck zu gering ist, allerdings ohne die eigentliche Ursache anzuzeigen. Folglich wird der Motor zur Reparatur gegeben, und die beim Bau des Motors gewonnene Zeit und die eingesparten Kosten werden nun dort aufgebraucht.

4 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Kalttest-Verfahren? Wird die neue Methode, das Kalttest-Verfahren, angewendet, kann Folgendes passieren: Spezielle Schäden, wie z. B.: undichte Ventile Lager mit zuwenig oder zuviel Spiel fehlende oder beschädigte Kolbenringe werden mit bemerkenswerter Präzision aufgedeckt. Den Herstellerfirmen war das Kalttest-Verfahren bereits seit Jahren bekannt. Allerdings waren die typischen Drehstromantriebe nicht in der Lage, die hierfür benötigten Drehzahlen und Lastwechsel zu regeln. Die Kalttest-Systeme existierten deshalb quasi nur als Entwürfe auf dem Papier. Dies änderte sich allerdings mit der Entwicklung der volldigitalen Drehstrom-Vektorantriebe. Dank der digitalen Drehstrom-Vektorantriebe ist das Testen von Motoren einfacher, schneller und kostengünstiger geworden.

5 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Heißes wird kalt! Wenn es um das Aufdecken von Problemen geht, verrät das Warmtest-Verfahren, wo man suchen muss und nicht mehr. Diese Methode sagt etwas über die Symptome (z. B. Öldruck zu gering) aus, nicht aber über die Ursachen (z. B. Ölpumpe defekt). Außerdem können die hohen Lasten und Drehzahlen, wie sie beim Warmtest erforderlich sind, im Fehlerfall noch größere Schäden verursachen. Nachteile des Warmtest-Verfahrens Hoher Zeitaufwand Hoher Platzbedarf Aufwändige Schutzmaßnahmen (Entlüftung, Kühlung, Kraftstoff, Feuer) müssen getroffen werden Im Gegensatz zum Warmtest spielen diese Faktoren beim Kalttest nur eine geringe oder gar keine Rolle. Deshalb wäre der Kalttest für viele Motorenhersteller das bevorzugte Verfahren. Vorteile des Kalttest-Verfahrens Genaue Bestimmung spezieller Schäden Risiko, dass ein Motor während des Tests beschädigt wird, wird verringert Echtzeitdaten über den Herstellungsprozess werden geliefert Dadurch, dass der Test durchgeführt wird, bevor der Motor komplett eingebaut und eingestellt wird, werden Kosten eingespart Das Kalttest-Verfahren schließt auch Impulse durch die Kraftstoffverbrennung aus. In Verbindung mit geringen Testgeschwindigkeiten wird hierdurch eine hohe Signalempfindlichkeit erzeugt. Dadurch gelangt man mit Hilfe des Verfahrens zur Wurzel des Problems, wie z. B. zu einem losen Zündkabel in Zylinder Nr. 5 oder zu einem Problem mit dem Abgasventilsitz im Zylinder Nr. 2. Außerdem verringern geringere Drehzahlen und Lasten das Potential für Kollateralschäden an defekten Motoren. Der Test nimmt weniger Zeit in Anspruch, da der Motor nicht erst noch warmlaufen muss. Schließlich verringert sich noch die Wahrscheinlichkeit, dass die Arbeitsstätte durch undichte Stellen (Entweichen von Abgasen, Auslaufen von Kraftstoffen oder Kühlmitteln) verunreinigt wird.

6 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Das Kalttest-Verfahren Was jetzt noch fehlt, ist der richtige Antrieb. Beim Kalttest-Verfahren wird ein externer Elektroantrieb benötigt, der einen Motor bei geringen Geschwindigkeiten ( rpm) drehen lässt. Während der Motor dreht, misst eine A/D-Umwandlungshardware (Abtastbereich 200kHz - 1MHz) das Ansprechverhalten des Motors. Die Daten werden mit einer Auflösung von 1-88 Punkten pro Grad auf die Position der Kurbelwelle synchronisiert. Normalerweise stellt ein Datensatz eine Umdrehung des Motors oder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle dar. Ein typischer Test misst das Drehmoment, das erforderlich ist, um die Kurbelwelle des Motors rotieren zu lassen, während der Kolben angetrieben wird. Mithilfe dieses Tests kann überprüft werden, ob der Motor ordnungsgemäß zusammengebaut wurde.

7 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Die Lösung wird angesteuert! Für die Diagnosegenauigkeit beim Kalttest ist es entscheidend, dass die Kurbelwellengeschwindigkeit innerhalb eines genauen Toleranzbereiches bleibt. Bevor es die Drehstrom-Vektorantriebe gab, war diese Genauigkeit gering. Die ersten Antriebssysteme konnten die Motordrehzahl nicht halten, weil sich die Last während der Motorumdrehungen drastisch veränderte. Geschwindigkeitsschwankungen von ± 40 % waren keine Seltenheit. Den Herstellern von Testsystemen gelang es, diese Schwankungen auf ± 20 % reduzieren, indem sie den Antriebsstrang um ein Schwungrad erweiterten. Dies verkomplizierte allerdings das Antriebssystem und trieb die Kosten in die Höhe. Andererseits gab es kaum eine Verbesserung bei der Diagnosegenauigkeit, weil die Geschwindigkeiten noch immer zu sehr schwankten. Erst mit der Verwendung eines digitalen Drehstrom-Vektorantriebes, der geringfügig modifiziert wurde, um Teststand- und Dynamometer-Funktionen erfüllen zu können, haben die Entwickler ein probates Mittel gefunden, diese Schwankungen zu reduzieren. Auf der Grundlage der Istwerterfassung durch einen Inkrementalgeber, der mit 4 khz abgetastet wird, aktualisiert der geschlossene Regelkreis des Antriebes die Motorposition, die Geschwindigkeit und das Drehmoment. Durch die Istwerterfassung des Gebers bewegen sich die Geschwindigkeitsschwankungen in einem Bereich von bis zu ± 3 %. Im Verhältnis dazu liegen die Geschwindigkeitsschwankungen bei Einsatz von Schwungrädern in einem Bereich von ± 20 %. Das Besondere an diesem modifizierten Antrieb ist, dass ein Drehmoment-Beobachter (torque estimator) und ein digitaler Stromregler integriert sind. Drehmoment-Beobachter Der Drehmoment-Beobachter überwacht Motorstrom und Motorspannung. Dadurch kann er Schwankungen viel schneller erkennen als ein Lageregler. Auch gleicht er Temperaturschwankungen und andere Veränderungen aus. Da durch den Drehmoment-Beobachter der Einsatz eines teuren Drehmomentwandlers überflüssig geworden ist, hat sich der komplette Antriebsstrang verkleinert, was zur Kosteneinsparung beiträgt. Digitaler Stromregler Der digitale Stromregler, der mit 10 khz betrieben wird, erhöht die Ansprechzeit des Motorantriebes. Daraus ergibt sich, dass der Antrieb innerhalb von 10 msec auf Lastschwankungen reagiert und somit in der Lage ist, die Geschwindigkeitsschwankungen auf ca. ± 3 % zu verringern.

8 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Den Fehlern auf der Spur! Das Motor-Mapping ist ein kritischer Schritt beim Kalttest-Verfahren. Mit diesem Prozess werden der Solldruck des Motors, die Last und die Durchflusseigenschaften bestimmt, während der Motor mit einer bestimmten Drehzahl dreht. Mit den erfassten Informationen können die Ingenieure die endgültigen Testgeschwindigkeiten und Messkonfigurationen optimieren, wie z. B. offene im Verhältnis zur geschlossenen Ansaugung ein Zylinder oder mehrere pro Sensor Drehen in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung Dadurch wird die Möglichkeit einer maximalen Diagnostik geschaffen. Mit Hilfe des Motor-Mappings wird auch die Toleranz innerhalb einer Motorreihe bestimmt. Im folgenden wird beschrieben, welche Mängel das Kalttest-Verfahren aufdecken kann. Mängelbeseitigung durch Kalttest-Verfahren Bei der Beurteilung, ob Ventiltrieb und Zylinder unversehrt sind, wird im Test während des gesamten Zyklusses der Abgasdruck, der auf die geschlossenen Ventile wirkt, verglichen. Dadurch werden undichte Stellen aufgespürt. Durch einen Druckabfall beim ersten Öffnen des Ventils kann der Öffnungswinkel des Abgasventils bestimmt werden. Ein hoher Druck am Ventilsitz deutet darauf hin, dass die Zylinderkompression in Ordnung ist, ein Druckabfall zeigt an, dass das Einlassventil geöffnet ist und ein mittlerer Druck indiziert ein Leck am Ventilsitz. Ist der Kipphebel am Abgasventil "locker", öffnet das Ventil 3-40 später, und es entsteht dabei ein hoher Abgasdruck. Eine undichte Stelle am Ventilkopf oder am Ventilsitz zeigt sich anhand eines erhöhten Abgasdruckes während des Kompressionstaktes des Zylinders. Die Fähigkeit, die Nockenwellenverstellung zu messen, ist ebenfalls erwähnenswert. Bei einer Verstellung um einen Zahn kann das Abgasventil um ca. 22 früher öffnen. Der Vektor-Antrieb ist in der Lage, eine konstante Geschwindigkeit beizubehalten. Dies verhindert Drehzahlschwankungen, durch die diese Schäden vor allen Dingen während des Kompressionstaktes verdeckt werden könnten. Durch Überwachung von Ölverteilungsfluss und Ölverteilungsdruck Ölpumpenfluss und Ölpumpendruck Ölstandskontrolle können mit Hilfe des Kalttest-Verfahrens solch bedeutende Schäden, wie nicht passende oder fehlende Lager und Stecker, erkannt werden. Bei geringen Drehzahlen sind Ölpumpen nicht sehr effizient. Bei hohen Drehzahlen kann das Abgasventil Schäden verdecken. Aus diesem Grunde wird beim Kalttest-Verfahren gewöhnlich ein externes Versorgungssystem verwendet, das mit gleichbleibendem Druck und konstanter Temperatur das Öl liefert.

9 "Gentlemen, start your vector drives!" Seite: Da die Kurbelwelle langsam dreht, wird der Ölfluss überwacht, um Signale mit einer hohen Wiedergabetreue zu produzieren. Ein Pumpendruck, der geringer ist als normal und der in Abhängigkeit vom Motortakt schwankt, deutet auf eine undichte Stelle im Kurbelwellengehäuse hin. Ein zusätzliches Lagerspiel von nur inches an der Pleuelstange wird einen hohen Ölverteilungsfluss vor dem OT bewirken. Hauptsächlich durch die Zündspuleninduktion, aber auch durch andere Methoden der Direkteinspritzung beim Kalttest-Verfahren werden Zündfehler erkannt. Duch die Zündspuleninduktion wird die Grundspannungskurve überwacht. Mit ihrer Hilfe werden fehlende oder zu kurze Zündkerzenkabel entdeckt und lokalisiert. Bei der Zündspuleninduktion werden niederohmige, berührungslose Sensoren benutzt. Sie machen elektrische Anschlüsse an die Zündkerzen überflüssig und liefern dennoch die Signale mit der gleichen hohen Wiedergabetreue. Direkteinspritzung zündet das Hochspannungs-Spulensystem, ohne dass der Motor drehen muss. Bei den meisten Applikationen kann der Zündkerzenspalt an den Zündkerzensteckern auf ± inches erhöht werden. Es gibt allerdings Einschränkungen. So stellt das Kalttest-Verfahren keine Mittel für das direkte Messen der Motorleistung (PS) oder der Drehmomentausgabe zur Verfügung, obwohl die Ausgangsleistung gesichert wird durch enge Übernahmetoleranzen. Auch wird die einzige Wärme, die produziert wird, von Pumpverlusten und Reibung im Motor verursacht. Dadurch erreichen die Dichtungen und Dichtungsringe nicht die betriebswarmen Temperaturen. Auch ist der Spitzendruck in den Zylindern gering, weil dort keine Verbrennung stattfindet. Glücklicherweise ist aber keiner dieser Faktoren für den Testaufbau von Bedeutung.