Echtzeitmessung des Ölverbrauchs während der Fahrt

Ölemissionen aus dem Motor kosten unnötig Geld und stören die Abgasnachbehandlung. IAV hat seine seit vielen Jahren bewährte Messtechnik für dieses Problem jetzt mobil gemacht: Gemeinsam mit dem US-Motorenhersteller Cummins wurde im realen Fahrbetrieb und in Echtzeit untersucht, wie die Ölemission von Drehmoment und Drehzahl des Motors sowie verschiedenen Fahrzuständen abhängt. Diese Messmethode bietet neue Möglichkeiten, Motoren für einen minimalen Ölverbrauch zu optimieren.

Der größte Teil des Ölverbrauchs (rund 90 Prozent) besteht aus unverbranntem Öl, das beispielsweise als Blow-by über die Kolbenringe in den Abgastrakt gelangt. Die Folgen: unnötiges Nachfüllen des Öltanks und ein sinkender Umsetzungsgrad der Abgasnachbehandlungsanlage, beispielsweise durch Ash-Accumulation. Änderungen am Grundmotor – etwa an den Kolbenringen, am Turbolader oder am Ölabscheidesystem – bieten Potenzial zur Reduktion des Ölverbrauchs. Allerdings erfordern diese Anpassungen zunächst genaue Informationen über die Betriebszustände, in denen besonders viel Öl emittiert wird.

Dafür setzt IAV seit über zehn Jahren eine Messmethode ein, die die Emissionen mithilfe eines Massenspektrometers bestimmt. Das Alleinstellungsmerkmal ist das selbst entwickelte Kalibrierverfahren, das jederzeit am Prüfstand oder im Fahrzeug zum Einsatz kommen kann. „Normalerweise werden die Geräte vor der Messung einmal im Labor kalibriert“, erklärt Tom George, Leiter Business Development Commercial Vehicles bei IAV. „Wir können das bei Bedarf immer wiederholen, was zu einer höheren Genauigkeit der Ergebnisse führt.“

Bisher war die Messmethode auf den Einsatz auf Motoren- und Fahrzeugrollenprüfständen beschränkt, sodass sich keine Erkenntnisse aus dem realen Fahrbetrieb gewinnen ließen (zum Beispiel über den Einfluss von Kurvenfahrten oder Klima und Höhe). Außerdem erfordern künftige transiente Zulassungszyklen Verfahren, die sowohl präzise als auch echtzeitfähig sind. So entstand die Idee, das System mobil zu machen und das „IAV Mobile Oil Emission Measurement System“ aufzubauen. Als Partner konnte IAV den US-Motorenhersteller Cummins aus Indiana gewinnen, der für seine Dieselmotoren für Lkws, Pickup-Trucks und andere Nutzfahrzeuge bekannt ist. „Cummins verfügte bereits über einen Emissions-Messtrailer“, so George. „Wir haben unser Massenspektrometer dort integriert und konnten danach viele Versuchsfahrten auf Highways und Nebenstraßen durchführen.“

Zuvor galt es, einige Herausforderungen zu bewältigen. So störten zum Beispiel die Vibrationen im Trailer das empfindliche Massenspektrometer – Abhilfe schafften Silikon-Dämpfer, die die wesentlichen Schwingungen unterdrücken konnten. Zudem musste das Abgas über eine mehr als zehn Meter lange Leitung von der Zugmaschine in den Trailer geleitet werden. Wegen der geringen Strömungsgeschwindigkeit kam eine Unterdruckpumpe zum Einsatz, die für einen konstanten Gas-Fluss sorgte. Für eine korrekte Zuordnung von Messwerten und Fahrzuständen wurde eine Berechnungsmethodik entwickelt, die den Zeitverzug beim Durchleiten des Abgases durch die Entnahmeleitung berücksichtigte.

Nach diesen Vorarbeiten konnten die Messungen beginnen. Als Versuchsfahrzeug diente ein Truck vom Typ Peterbilt 579 mit einem 506 PS starken Dieselmotor. Die rund dreiwöchigen Messfahrten in Indiana zeigten den Experten von IAV und Cummins deutliche Unterschiede zwischen dem Verhalten auf dem Prüfstand und auf der Straße. So ließ sich nicht nur ein Einfluss von Kurvenfahrten feststellen, auch der Motorbremsbetrieb erwies sich als besonders kritisch. „Dabei treten sehr hohe Drücke und Temperaturen auf“, so George. „Vor allem nach dem Ende der Bremsphase steigt der Ölverbrauch stark an. Das ist am Prüfstand nur schwer nachzustellen.“ Die Ergebnisse der Messungen wurden auf dem SAE-World Congress in Detroit und auf dem internationalen Motorenkongress in Baden-Baden vorgestellt. Der Einsatz des mobilen Ölverbrauch- Messsystems ist auch im Pkw denkbar – erste Gespräche mit Kunden gab es bereits, und noch 2018 soll damit gestartet werden.

Dr. Thomas L. McKinley über das Projekt und die Zusammenarbeit mit IAV

Durch die Kombination des Know-hows von Cummins und IAV war es erstmals möglich, den Ölverbrauch in Echtzeit und im realen Fahrbetrieb zu messen. Cummins steuerte umfangreiche Versuchserfahrung und einen Emissionsanhänger mit hoch entwickelter Emissionsmessausrüstung und schnellen Datenerfassungssystemen bei. Das Team von IAV ergänzte dies seinerseits durch umfassende Erfahrungen mit der Massenspektrometrie.

„Dank früherer Realtime-Ölemissionsmessungen in unseren Prüfzellen wussten wir, dass wir auf IAV vertrauen können. Aber uns wurde klar, dass Versuche auf Motorenprüfständen deutlich kostspieliger und zeitaufwendiger sind und mehr Einschränkungen unterliegen als Versuchsfahrten auf der Straße”, erklärt Dr. Tom McKinley, System Integration and Validation Director bei Cummins. „Uns blieb nur ein kurzes, dreiwöchiges Zeitfenster, bevor der Emissionsanhänger für andere dringende Messaufgaben benötigt wurde. Durch die ausgezeichnete Planung und Vorbereitung der Messkampagne in beiden Unternehmen, konnten wir die Herausforderungen dieser neuen Messmethode meistern“, ergänzt McKinley. „Wir waren sehr beeindruckt, wie IAV mögliche Probleme vorhersah und uns vor Versuchsstart Lösungswege vorschlug. Einige dieser so entwickelten Innovationen werden auch die Prüfstandversuche verbessern. Herausstellen möchte ich, wie die beiden Unternehmen als ein Team zusammengearbeitet haben und dabei immer den Erfolg des Projekts im Blick hatten.”

Dank der Vorteile von geringeren Versuchskosten und einer modularen Versuchsplattform, die sich leicht von Lkw zu Lkw übertragen lässt, haben sich die Forschungsbemühungen ausgezahlt. „Unser vorrangiges Interesse war zwar, die Messfähigkeit unter Beweis zu stellen, aber wir haben auch neue Einblicke in das Ölverbrauchsverhalten gewonnen. Wir haben beispielsweise ein ‚Dynamikkennfeld‘ entwickelt, um den mittleren Ölverbrauch über verschiedene Anwendungen vorherzusagen sowie eine Methode zur Erkennung von Spitzen oder Ausreißern im Ölverbrauch.“

Dies ist außerdem erst der Anfang für diesen neuartigen Messansatz: McKinley fügt hinzu: „Wir möchten diese Methode nutzen, um unsere Kenntnis des Ölverbrauchs über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen und Anwendungen zu erweitern, einschließlich des Wettbewerbsvergleichs. Es ist unglaublich schwierig, genaue Daten zum durchschnittlichen Ölverbrauch im Feld zu bekommen, ganz zu schweigen davon, die transienten Zustände zu verstehen, die ihn beeinflussen. Die mobilen, dynamischen Messungen eröffnen uns ein breites Spektrum von Möglichkeiten.“