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Alt 25.05.2010, 13:01     #4
Martin   Martin ist offline
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BL-
Was passiert im EVZ? Oder: Die Wettermacher.

Die Aufgabe einer zukunftsfähigen Prüfstandslandschaft ist es, Instrumente und Methoden zur Verfügung zu stellen, um die Auslegung und Absicherung von Komponenten und deren Zusammenspiel effizient zu unterstützen. Die dabei durchgeführten Untersuchungen sollen nahezu sämtliche Beanspruchungen des Fahrzeuglebens realitätsnah abbilden und zudem möglichst viele der im Kundenbetrieb möglichen Fahrszenarien über die Erprobung im Prüfstand abdecken. Das neue Energie- und umwelttechnische Versuchszentrum der BMW Group (EVZ) leistet darüber hinaus noch einiges mehr: es ist eine „visionäre Prüflandschaft", deren Ausstattung bereits heute alle zukünftigen Mobilitätskonzepte und deren Auslegungs- und Absicherungsbedarf abdeckt.

„Das neue Energie- und umwelttechnische Versuchszentrum ist das Schweizer Taschenmesser der BMW Group bei der Entwicklung von neuen Lösungen für eine nachhaltige Mobilität. Hier haben wir alles, was wir für die tägliche Absicherung brauchen und können gleichzeitig Themen vorantreiben, die in fünf oder zehn Jahren aktuell sind." (Peter Hoff, Projektplanung EVZ)


Durch die Möglichkeit, im EVZ Umwelteinflüsse äußerst realitätsnah zu simulieren, können Fahrten in großer Höhe, mit Regen, Sonne oder Schnee mit Autos und Motorrädern erstmals im Prüfstand stattfinden. Damit erreicht die Betriebs- und Funktionsabsicherung auf dem Prüfstand eine völlig neue Dimension. Die Systeme des Prüfstands simulieren über verschiedene Fahrprofile die Rahmenbedingungen beispielsweise einer Berg- oder Autobahnfahrt, um sparsame und effiziente Betriebsstrategien für die Fahrzeuge zu entwickeln. Besonders für Themen wie die Optimierung von Motor- und Getriebeapplikationen, aber auch im Hinblick auf die Hybridisierung der Fahrzeuge ist dies eine große Erleichterung, da nun in der präzise justierbaren Umgebung des Prüfstands Tests durchgeführt werden können, die bisher auf der Straße nicht so genau bzw. gar nicht gemessen werden konnten. Mit Abgas- und Verbrauchsmessungen bei verschiedenen Fahrzyklen, sowie Messungen zum Verhalten der Motor¬Getriebekombination bei plötzlichen Änderungen der Lastvorgaben, können neue Optimierungspotenziale identifiziert und im Hinblick auf Dynamik, Verbrauch und Abgaszusammensetzung umgesetzt werden.

Insgesamt werden im EVZ fünf übergreifende Entwicklungs- und Absicherungsthemen adressiert, die sich gegenseitig ergänzen. Diese sind Energie- und Wärmemanagement, thermische Betriebssicherheit, Tieftemperaturverhalten, Betriebs- und Funktionsabsicherung unter Umweltbedingungen sowie die Entwicklung und Funktionsabsicherung des Heiz-Klimasystems. Versuche und Untersuchungen, die einen längeren Prüfzeitraum vorsehen, wie Korrosion, Dauerfestigkeit, Dauerhaltbarkeits- oder Laufleistungsversuche werden im EVZ dagegen nicht durchgeführt.



Die Prüfstände des EVZ - alle Straßen dieser Welt unter einem Dach.

Das EVZ verfügt über insgesamt fünf Prüfstände, die jeweils wichtige Alleinstellungsmerkmale besitzen, teilweise aber auch über ähnliche und identische Funktionalitäten und Umfänge verfügen. Diese Redundanz ist bewusst gewählt, um eine gewisse Flexibilität in der Belegung der Prüfstände zu gewährleisten. Damit ist ein Prüfablauf nicht auf einen bestimmten Prüfstand festgelegt, sondern einige Tests können in mehreren Prüfständen durchgeführt werden.

„Nicht jeder Prüfstand muss alles können, sondern er muss jeweils das Richtige können. Im EVZ haben wir das durch die intelligente Ausstattungskombination der Kanäle realisiert und können nun praxisnah und praxisgerecht prüfen."
(Peter Hoff)


Bei der Implementierung der Prüflandschaft des EVZ wurde einerseits darauf geachtet, eine maximale Überdeckung der Anforderungen darzustellen, um bestmöglich arbeiten zu können. Andererseits jedoch sollten gleichzeitig Kosten und Energie gespart werden. Im Vorfeld wurden alle Anforderungen der Fachabteilungen erhoben, um bestimmte Funktionen und Umfänge darstellen und abprüfen zu können. Anschließend wurden jedoch nicht einfach alle Wünsche erfüllt, sondern die Prüflandschaft wurde praxisgerecht auf die Anforderungen der Entwicklungsabteilungen aus dem Unternehmen zugeschnitten. So bietet nicht jeder Prüfstand jede Funktion, in der Summe jedoch decken alle Prüfstände jegliche abbildenswerte Umweltsimulationsmöglichkeit ab.


Drei thermische Windkanäle und zwei klimatisierte Kammerprüfstände - fünf individuelle Prüfstände der Extraklasse.

Das EVZ besteht zum einen aus drei spezifisch ausgestatteten Windkanälen: „Thermowindkanal", „Klimawindkanal" und „Umweltwindkanal". Diese drei Prüfstände dienen in erster Linie der Bauteil- und Systemabsicherung unter Extrembedingungen wie Hitze, Kälte, Regen und Schnee. Durch die identische Konzeption der drei Windkanäle in Größe und Geometrie wird sichergestellt, dass die Versuchsingenieure aus den verschiedenen Entwicklungsabteilungen bei gleicher Strömungsqualität zwischen den Kanälen wechseln können, ohne dass sich dies auf die Messergebnisse niederschlägt. Für Standarduntersuchungen ist damit beste Vergleichbarkeit bei größtmöglicher Flexibilität gegeben.

Eine architektonische Besonderheit ist die vertikale Luftführung der Windkanäle. Die Luft wird dabei nach Verlassen der Messstrecke über dem Prüfstand zurückgeführt. In dieser Rückführung befindet sich das Gebläse ca. fünfzehn Meter über dem Plenum. Um eine möglichst realistische Umströmung des Gesamtfahrzeugs zu erreichen, wird die Luft beim Eintritt in die Messstrecke durch eine Düse mit 8,4 Quadratmetern geführt und das Plenum entsprechend großzügig dimensioniert. Diese vertikale, raumökonomische Anordnung ermöglicht außerdem eine prozessoptimale Anordnung der drei Prüfstände.

Neben den drei Windkanälen unterstützen die beiden Kammerprüfstände „Höhenprüfstand" und „Kälteprüfstand" beispielsweise die Auslegung und Absicherung der Heiz-Klimasysteme und ermöglichen Emissionsmessungen unter Höhe oder Kälte.

Jeder Prüfstand verfügt neben der Messstrecke über einen separaten Leitstand. Von hier aus wird der Prüfstand bedient und kontrolliert. Ein hochmodernes Prüfstandsleitsystem steuert alle Komponenten und überwacht Hunderte von Parametern. Es gibt differenzierte Rückmeldungen darüber, ob die Rollen sich bewegen, der Ventilator sich dreht, mit welcher Geschwindigkeit der Wind weht und ob die Kältemaschinen arbeiten. Ohne ein solches System ist die Bedienung eines derart komplexen Prüfstands nicht möglich. Das Prüfstandsleitsystem ermöglicht es, hochdynamische Versuche mit wechselnden Umweltbedingungen detailliert und reproduzierbar abzufahren. Während der Fahrversuche überwacht der Prüfstandstechniker den Versuchsablauf in erster Linie am Computer - und hat damit hunderte von Messwerten im Blick und im Griff. So erkennt er sofort, falls etwas außerplanmäßig laufen sollte und kann entsprechend handeln. Intelligente Türverriegelungssysteme und die Videoüberwachung der Prüfstände tragen außerdem zur Sicherheit aller Beteiligten bei.

In jedem dieser Gesamtfahrzeugprüfstände ist das Fahrzeug über Fesselungen fest mit dem Prüfstand verbunden, bewegt sich also nicht vorwärts. Um dennoch die Straße im Labor zu simulieren, kommt zum einen Windkanaltechnik zum Einsatz, zum anderen sind in jedem der Prüfstände vier Rollenantriebe im Prüfstandsboden eingelassen. Diese zylindrischen Rollen haben bis zu zwei Meter im Umfang und simulieren an jedem der vier Räder den bewegten Untergrund. Dabei funktionieren die Rollen wie ein Dynamo an einem Fahrrad und können dadurch diverse längsdynamische Fahrsituationen simulieren. Bei Beschleunigungsversuchen, Bergauf- oder Hochgeschwindigkeitsfahrten bietet die Rolle den der Situation entsprechenden Fahrwiderstand und bremst das Fahrzeug. Die Rollen arbeiten dabei generatorisch und speisen den aus der Bremswirkung gewonnenen Strom ins EVZ Stromnetz ein.

„Die Rollen im Prüfstand sind unsere Straße - aber eine Straße die nie endet und beliebig bergauf oder bergab führen kann. Soll die Rolle im Prüfstand eine Bergabfahrt vom Großglockner simulieren, schiebt sie praktisch das Fahrzeug den ,Berg' hinunter, ganz so wie dies die Hangabtriebskraft mit einem Auto an einem realen Berg auch tut."

Da sich Fahrsituationen sehr schnell ändern können, muss sich die Rolle sehr schnell regeln lassen. Will man beispielsweise eine Notbremsung aus einer Autobahnfahrt mit 100 km/h simulieren, können die Rollen im EVZ eine Einregelzeit von nur 50 Millisekunden realisieren, das ist nur etwa halb so lang wie ein menschlicher Wimpernschlag. Und das mit unglaublicher Genauigkeit: Die Winkelsynchronisation zwischen den vier Rollen erfolgt mit einer maximalen Abweichung von lediglich plus/minus 0,05 km/h. Dies und die Tatsache, dass die großen Rollenantriebe kurzzeitig eine Maximalleistung von bis zu 1,4 Megawatt erbringen können, machen sie zu einem der technischen Highlights im EVZ.





Der Thermowindkanal - „cool" bleiben.

Der Thermowindkanal dient im Wesentlichen der klassischen thermischen Bauteilabsicherung und ist mit seinem Funktionsumfang dementsprechend ausgelegt. Hier werden vorzugsweise hohe Fahrzeuglasten gefahren, wie beispielsweise Hochlastfahrten mit einem Anhänger oder Höchstgeschwindigkeit in großer Hitze über einen längeren Zeitraum. Ziel ist es hier, alle Grenzlast bestimmenden Versuche, die der Kunde im „wahren Leben" auch fährt, zu simulieren und nachzuvollziehen. Besonders interessant ist dabei jedoch nicht die reine Höchstgeschwindigkeitsfahrt auf einer Autobahn allein, sondern vor allem die Lastwechsel: fährt man lange auf der Autobahn unter Volllast und steht kurz darauf im Stau, bedeutet das eine hohe Belastung für das Kühlsystem, da kein Fahrtwind mehr die Kühlung unterstützt. In diesem Fall nimmt das Kühlvermögen drastisch ab, aber der heiße Motor erzeugt noch sehr viel Abwärme. In diesen Grenzsituationen muss das Kühlsystem dennoch in der Lage sein, diese Abwärme abzutransportieren.

Da der Thermowindkanal vor allem auf Untersuchungen zur Kühlleistung und thermischen Betriebssicherheit ausgelegt ist, liegt der realisierbare Temperaturbereich zwischen 20° C und 45° C. Das Gebläse erzeugt Windgeschwindigkeiten bis zu 280 km/h, um auch Höchstgeschwindigkeitsfahrten zu simulieren. Darüber hinaus verfügt er über eine begehbare Mittengrube mit Glasboden, die beispielsweise thermographische Untersuchungen des Unterbodens ermöglicht.


Der Klimawindkanal - Beschleunigung wie ein BMW M5.

Im Grunde identisch mit dem Thermowindkanal, bietet der Klimawindkanal einige Besonderheiten. Neben der thermischen Bauteilabsicherung liegt der Fokus hier zusätzlich auf Untersuchungen zu Klimatisierung, Bremsenkühlung und Hochdynamikversuchen. Mit bis zu 250 km/h Windgeschwindigkeit erreicht der Klimawindkanal zwar nicht die Höchstgeschwindigkeit des Thermowindkanals, jedoch kann das Gebläse hier schneller beschleunigen. Durch die Verwendung von besonders steifen und leichten Kohlefaserrotorblättern - statt Aluminiumblättern wie in den anderen Kammern - lässt sich hier sogar die Beschleunigung eines BMW M5 darstellen, um beispielsweise dessen Kühlverhalten auf dem Nürburgring abzusichern.

Zudem verfügt der Klimawindkanal über eine Sonnensimulation. Eingemessen auf bis zu 1200 Watt pro Quadratmeter sorgen 24 Hochleistungsstrahler in diesem Prüfstand für eine realitätsnahe und homogene Sonneneinstrahlung. Dies erlaubt vor allem erweiterte Prüfumfänge zur Kühlleistung. Als besondere Belastung für das Kühlsystem des Fahrzeugs wird dieses nach einer simulierten Belastungsfahrt mit schwerem Hänger „windgeschützt" und in voller Sonneneinstrahlung abgestellt. Zu der Windstille und der warmen Umgebungsluft kommt außerdem eine hohe Bodentemperatur, die noch über der Lufttemperatur liegen kann. Auch hier wird der so wichtige Abtransport der Abwärme untersucht und abgesichert, damit kein Bauteil zu heiß wird. Um sicherzustellen, dass keine Luftbewegung mehr stattfindet, verschließt ein Rollo binnen fünf Sekunden die Düse des Gebläses. Die kontinuierliche Temperierung des Prüfstands wird währenddessen über Lüftungsgitter seitlich und oberhalb der Düse realisiert.

Neben zahlreichen Heißlanderprobungsumfängen lassen sich im Klimawindkanal auch Minusgrade bis zu -10° C Lufttemperatur darstellen, um beispielsweise das Zusammenspiel von Innenraumheizung und Motorkühlung zu untersuchen und zu optimieren. In diesem Windkanal werden außerdem Versuche zur Auslegung der Klimaanlage durchgeführt. Besonders die Belastungen im Leerlauf, im Stand, bei Bergfahrten und bei Stop-&-Go-Zyklen wie im Stadtverkehr, sind für Konzeption und Absicherung relevant. Wichtiger Aspekt mit Potenzial für die Zukunft ist auch das Zusammenspiel von Wärmemanagement und Klimatisierung.



Der Umweltwindkanal - Schneesturm im Sommer.

Der Auslegungs- und Absicherungsprozess in der Fahrzeugentwicklung bezieht sich jedoch nicht nur auf Untersuchungen in Wärme oder Kälte. Ziel der Prüfumfänge ist es außerdem, die Betriebs- und Verkehrssicherheit unter allen klimatischen Wetterbedingungen zu gewährleisten, also unter Regen, Schnee, Hitze oder Kälte und Höhe. Unter dem Begriff „komplexe Umweltsimulation" subsumiert, bietet das EVZ die einzigartige Möglichkeit, die Testfahrzeuge auch im Prüfstand unterschiedlichsten Witterungsbedingungen auszusetzen.

Grundvoraussetzung für eine realitätsnahe Umweltsimulation ist eine gleichmäßige Luftströmung bis in hohe Geschwindigkeiten, die das Fahrzeug zudem mit einer gewissen Strömungsqualität umgibt. Eine hohe Strömungsqualität bedeutet, dass die Umströmung des Fahrzeugs im Prüfstand nahezu identisch mit der tatsächlichen Umströmung während der Fahrt auf der Straße ist. Des Weiteren sind zusätzliche Faktoren wie Luftfeuchte, Temperatur, Sonne, Regen und Schnee zu realisieren, die auch jeweils konstant oder in bestimmten Kombinationen und Wechseln gleichzeitig gegeben sein müssen. Mit dem EVZ gelingt es nun erstmals, diese Anforderungen in einen Prüfstand zu integrieren: den Umweltwindkanal.

„Mit dem Umweltwindkanal verfügt die BMW Group erstmals über die Möglichkeit, sämtliche Umweltfaktoren in einem isolierten Prüffeld einzeln und in Kombination abprüfen zu können. Damit lassen sich verschiedenste Umweltsituationen detailgetreu und vor allem realistisch abbilden." (Christa Hornreich; entwickelte die Methoden für die thermischen Prüfstände)


Neben einer Sonnensimulation verfügt der Umweltwindkanal über Anlagen zur Niederschlagssimulation. Damit können die Versuchsingenieure im Prüfstand Regen und Schnee erzeugen - und das in verschiedenen Intensitäten. Sogar die Beschaffenheit des Schnees kann zwischen trocken und feucht, also Pulver- oder Nassschnee, variiert werden. Wie aufwendig die Schneeversuche in Alaska oder Skandinavien bisher waren, zeigt folgendes Beispiel: Eine besonders kritische Fahrsituation im Nordland ist die Fahrt hinter einem Lkw auf einer schneebedeckten Straße. Der Lkw erzeugt dabei eine große Schneefahne, in der die nachfolgenden Fahrzeuge fahren. Der Schnee in dieser Fahne ist so fein, dass er sich im Ansaugtakt des Motors festsetzt und den Luftfilter verstopfen kann. Ist dies der Fall, geht der Motor wegen Luftmangels aus. Sollten diese Bedingungen getestet werden, musste diese Situation stundenlang nachgestellt werden. Für Vergleichsfahrten wurden dabei immer drei Fahrzeuge und Fahrer benötigt. Dies alles kann nun deutlich sicherer und einfacher im Prüfstand erledigt werden: Bei Bedarf fährt die Schneelanze aus und simuliert die Schneefahne. Ein Fahrer wird für diesen Versuch nicht benötigt.


Weitere Versuche, die im Umweltwindkanal stattfinden können, sind beispielsweise die Überprüfung und Optimierung der Scheibenwischerfunktion, des Wasserfangkonzepts in der A-Säule zur Freihaltung der Seitenscheibe vor überlaufendem Wasser sowie der Außenspiegel-Eigenverschmutzung. Auch Untersuchungen zur Klimaanlagenfunktion in Heißklimaländern oder zur Auslegung des Heizsystems durch die Simulation der Kaltlanderprobung können durchgeführt werden. Mittels eines speziellen Messsystems werden hier auch Untersuchungen zur Bremsenabkühlung durchgeführt. Insgesamt ist im Umweltwindkanal ein Temperaturumfang von minus 20° C bis plus 55° C darstellbar.

Eine weitere große Besonderheit im Umweltwindkanal ist das Flachband, um auch Motorräder im Prüfstand bestimmten Umweltbedingungen aussetzen und deren Einfluss messen zu können. Die Möglichkeit, Motorräder im Prüfstand in diesen Umweltsituationen zu untersuchen, ist bisher einzigartig. Der Vorteil des Flachbands besteht in der hohen Simulationsgüte in Bezug auf die Straßenfahrt. Gegenüber einer Fahrt auf Rollen, bewegen sich nicht nur die Antriebsräder des Fahrzeugs, sondern der gesamte Boden darunter. Gerade bei Motorrädern ist dies wichtig, denn durch die Drehung des Vorderrads entstehen Luftströme, die die Kühlleistung wesentlich unterstützen (bei Motorrädern sitzt der Kühler hinter dem Vorderrad). Würde sich das Vorderrad nicht drehen, wären die Messergebnisse wertlos. Daher ist es gerade bei Themen wie der Kühlungsabsicherung oder der Entwicklung des Lufteintritts durch die Kühlung von großer Wichtigkeit, dass sich das ganze Motorrad auch im Prüfstand so bewegt, als würde es auf der Straße fahren. Des Weiteren besteht sogar die Möglichkeit, das Motorrad auf dem Band bis zu gewissen Geschwindigkeiten „heiß" - also mit Testfahrer - zu fahren. In allen anderen Fällen wird das Motorrad fixiert und aus dem Leitstand heraus betrieben.



Der Höhenprüfstand - ganz hoch hinaus.

Der Höhenklimaprüfstand ist das „Highlight" des EVZ. Auf den ersten Blick dem Kälteprüfstand recht ähnlich, fallen auf den zweiten Blick einige Unterschiede auf: Die Anzeigetafel im Prüfstand verfügt über ein Informationsfeld mehr, das die Bezeichnung Höhe trägt. Zudem erkennt man die ungewöhnlich dicken Fenster mit speziell verstärkten Rahmen und die schwere massive Stahltür, die die Messwarte vom Prüfstand trennt. Nur durch eine Druckschleuse kann man den Prüfstand betreten. Dieser Aufwand ist nötig, denn in diesem Prüfstand wird Höhe simuliert. Der Höhenprüfstand erlaubt Testfahrten bis auf 4200m Höhe über Normalnull, dies entspricht einem Absolutdruck von 620 Millibar. Damit trennen bis zu 400 Millibar Druckdifferenz die Messwarte vom Prüfstand.

„Der Höhenprüfstand lässt sich am besten mit einem U-Boot vergleichen. Dort gibt es ähnliche Druckverhältnisse und Krafteinwirkungen auf die Außenhülle."

Ein großes Gebläse evakuiert den gesamten Prüfstand entsprechend, schafft dabei aber immer noch einen Ausgleich zwischen der Luft, die der Motor zur Verbrennung benötigt und dem Abgas, das er dabei produziert. Auch Überdruck kann simuliert werden, sodass in München gleichermaßen Messungen auf Meereshöhe wie auf Alpenpässen simuliert werden können. Dies ist unter anderem wichtig für den Abgleich mit bisherigen Messungen auf dem Versuchsgelände in Miramas, Südfrankreich.

Aber der Prüfstand kann noch viel mehr. Zusätzlich zum Luftdruck, kann ein Temperaturbereich von minus 30° bis plus 45° C dargestellt werden, die Luftfeuchte ist variabel und der Prüfstand verfügt über eine Sonnensimulationsanlage. Damit ist eine komplette Umweltsimulation möglich. Praktisch alle Klimazonen der Welt können hier nachgebildet werden.

Auch wenn dieser Prüfstand in der Größe den thermischen Windkanälen deutlich nachsteht, verfügt er dennoch über die entsprechende Windkanaltechnik. Dank einer aufwendigen Simulation ist es dem Prüfstandsplaner gemeinsam mit den Aerodynamikexperten der BMW Group gelungen, auf kleinstem Raum einen aerodynamisch anspruchsvollen Prüfstand zu realisieren. Die Düse misst immerhin zwei Quadratmeter - ein Novum für einen Höhenprüfstand - und ermöglicht so eine sehr gute Anströmung des Motorraums. Der Kollektor im Fond sorgt zudem für eine definierte Abströmung im Fahrzeugheckbereich und am Unterboden. Die gesamte Luftführung ist optimal ausgestaltet, um Verluste zu reduzieren und Strömungsablösungen zu verhindern. Durch all diese Maßnahmen konnte erreicht werden, dass auch in diesem Prüfstand Windgeschwindigkeiten von 250 km/h dargestellt werden können und das mit einer realistischen Anströmung bis zur A-Säule des Fahrzeugs. (Christa Hornreich)

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal dieses Prüfstands ist die integrierte Messtechnik für Verbrauch und Emissionen. Während in den anderen Prüfständen die Messtechnik im Fahrzeug verbaut ist, stellt hier der Prüfstand die Messtechnik. Eine moderne CVS Abgasmessanlage ermöglicht zulassungsrelevante Messungen unter den Aspekten Höhe, Kälte und Hitze. Die Messtechnik ist geeignet, auch minimale Emissionen, wie sie die zukünftige Gesetzgebung vorschreibt, zuverlässig zu detektieren. Durch den im Vergleich zu einfachen Abgasrollenprüfständen erweiterten Geschwindigkeits- und Temperaturbereich können hier auch verbrauchsreduzierende Maßnahmen außerhalb der gesetzlichen Zyklen untersucht werden. Denn Efficient Dynamics bezieht sich auf den gesamten kundenrelevanten Fahrbereich. Mit all diesen Merkmalen ist der Höhenklimaprüfstand der ideale Prüfstand für die Motorenentwicklung.


Der Höhenprüfstand und der neue BMW TwinPower Turbo Vierzylinder.

Im Höhenprüfstand herrschen beste Voraussetzungen, um die Ingenieure bei der optimalen Auslegung und Applikation von Motoren zu unterstützen. Dies zeigt eindrucksvoll der neue BMW TwinPower Turbo Vierzylindermotor, denn bei der Entwicklung dieses Antriebs griff man bereits auf die Prüfmöglichkeiten des Höhenprüfstands zurück. Als erster BMW Vierzylindermotor mit Benzin¬Direkteinspritzung High Precision Injection und vollvariabler Ventilsteuerung VALVETRONIC setzt der neu entwickelte Motor Maßstäbe für Wirtschaftlichkeit auf höchstem Leistungsniveau. Zum äußerst direkten Ansprechverhalten des neuen Motors trägt vor allem das Aufladesystem bei, das nach dem TwinScroll Prinzip, sowohl im Abgaskrümmer als auch im Turbolader selbst, die Kanäle von jeweils zwei Zylindern voneinander trennt.

Gerade bei Motoren mit Turboaufladung ist die Untersuchung des Verhaltens unter Höhe sehr relevant, da beispielsweise der Ladedruck des Turboladers dem Luftdruck unter verschiedenen Höhen ständig angepasst werden muss. Je höher das Fahrzeug fährt, desto geringer ist der umgebende Luftdruck. Um auch in großen Höhen die optimale Drehmoment- und Leistungsentfaltung des Motors gewährleisten zu können, muss die Steuerelektronik durch eine intelligente Regelung des Ladedrucks die deutlich unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgleichen. Zudem muss die Regelung sicherstellen, dass durch die höheren relativen Ladedrücke, die in großen Höhen möglich sind, die zulässigen Drehzahlen des Turboladers nicht überschritten werden. Veränderungen des Ladedrucks und die Wirksamkeit entsprechender Gegenmaßnahmen lassen sich im Höhenprüfstand sehr gut ermitteln und applizieren. Entsprechend ist der neue BMW TwinPower Turbo Vierzylindermotor auch diesbezüglich optimal eingestellt.

Weiterhin werden im Höhenprüfstand zulassungsrelevante Prüfumfänge zur Emissionierung unter Höhe gefahren. Ein Prüfumfang beschäftigt sich dabei mit der Regelung von Emissionen über die Tankentlüftung. Mit zunehmender Höhe gast der Kraftstoff im Tank mehr und mehr aus. Diese Gase dürfen jedoch nicht an die Umwelt abgegeben werden, sondern müssen dem Motor zugeführt und dort mitverbrannt werden. Ein spezielles Ventil steuert die Tankentlüftung, dessen Öffnungstaktung an das Höhenniveau angepasst werden muss. Mit dem sogenannten „Denver-Zyklus" wird dann in einer simulierten Höhe von 1620 Metern geprüft, ob die für den amerikanischen Markt relevanten Grenzwerte eingehalten werden oder ob die Taktung des Ventils diesbezüglich noch optimiert werden muss.



Colorado in München.

Nach der Grundapplikation im Motorprüfstand musste die Feinabstimmung des Antriebsstrangs bisher meist auf aufwendigen Erprobungsfahrten, beispielsweise in Colorado, durchgeführt werden. Der Höhenprüfstand ermöglicht es dem Versuchsingenieur, nun seine Arbeitsweise bei der Grundapplikation auf die Feinabstimmung im EVZ zu übertragen. Messergebnisse und Methodik können übernommen werden. Wichtiges Untersuchungsthema im Höhenklimaprüfstand ist die Applikation Turbolader, aber beispielsweise auch die Abstimmung der Abgasnachbehandlung des Fahrzeugs.

Das Kraftstoffversorgungssystem ist ein weiterer wichtiger Untersuchungsschwerpunkt. So wie Wasser auf großer Höhe bei niedrigeren Temperaturen zu kochen beginnt, sinkt auch der Siedepunkt von Kraftstoff, sodass in der Höhe größere Mengen verdampfen. Dementsprechend muss die Kraftstoffeinspritzung angepasst werden. Die verdampfenden Kraftstoffanteile werden aufgefangen und wieder dem Motor zugeführt. Dies senkt den Kraftstoffverbrauch und schont die Umwelt.

Zusätzlich wird in diesem Prüfstand die On-Board-Diagnose Funktion (OBD) appliziert. Dabei handelt es sich um ein komplexes Diagnosesystem im Fahrzeug, dass während der Fahrt aktiv ist. Es überwacht alle Motor und Getriebefunktionen und informiert den Fahrer sofort, wenn eine Fehlfunktion auftritt. So werden emissionsrelevante Probleme frühzeitig erkannt und können schnell behoben werden. Das System überwacht Dutzende von Funktionen und muss in allen Fahrsituationen und unter allen Umweltbedingungen funktionieren. In den USA ist der Nachweis einer funktionierenden OBD über einen definierten Fahrzyklus Teil der Zulassung.

Nach erfolgreicher Applikation aller Einzelkomponenten kann im Höhenprüfstand als finaler Test eine reale Bergfahrt mit entsprechender Steigung und zunehmender Höhe sowie abnehmender Temperatur dargestellt werden.

Die Optimierung von Abgasemissionen und Verbrauch ist ein spezieller Bereich der Fahrzeugentwicklung, der weit über die Motorenentwicklung hinausreicht und die gesamte Fahrzeugentwicklung betrifft. Die Grenzwerte werden vom Gesetzgeber vorgeschrieben und in regelmäßigen Abständen verschärft. Zudem setzen verschiedene Länder unterschiedliche Schwerpunkte bei den Vorschriften. Die Entwicklung von Fahrzeugen, die einerseits diesen Vorschriften entsprechen und andererseits größten Komfort und Dynamik für den Kunden bieten, ist eine enorme Herausforderung. In diesem speziellen Klimaprüfstand kann das Thema gesamtheitlich betrachtet werden. Der Versuchsingenieur kann hier einen gesetzlich vorgeschriebenen Fahrzyklus und einen BMW typischen Zyklus direkt hintereinander fahren und bewerten.


Der Kälteprüfstand - Eiszeit im EVZ.

Als kleinster Prüfstand im EVZ adressiert der Kälteprüfstand vor allem die Versuche, die mit sehr tiefen Temperaturen zu tun haben. Da die hier gefahrenen Untersuchungen keine naturgetreue Gesamtfahrzeugumströmung erfordern, entfällt die aufwendige Luftführung und der Prüfstand kann baulich deutlich kleiner ausfallen. Der erzeugte Wind dient hier lediglich dazu, den Motor zu kühlen und so sicherzustellen, dass keine Fahrzeugkomponenten beschädigt werden.

Die Tests in diesem Prüfstand umfassen Kaltstartversuche ebenso wie die Überprüfung der Batteriefunktionalität unter extremen Bedingungen, die Auslegung und Funktionsprüfung des Heizungssystems und die Beschlagfreihaltung der Scheiben. Dazu wird das Fahrzeug bei minus 20° C mit Wasser vereist. Dann lässt man den Motor an und stellt die Heizung im Fahrzeug auf Defroststellung, um zu überprüfen, dass die Heiz-Klimaanlage die Scheibe in einem vorgegebenen Zeitrahmen wieder enteist. Zur besseren Nachverfolgung der Enteisungsversuche verfügt die Kältekammer über das sogenannte „Automatische Defrost-Analysesystem". Mittels vier Kameras an Front, beiden Fahrzeugseiten und dem Heck zeichnet ein Bildverarbeitungssystem voll automatisiert auf, wie schnell die Scheiben durch die Innenraumheizung des Fahrzeugs wieder frei werden. Anhand der Aufzeichnungen lassen sich verschiedene Durchgänge und Auslegungsstrategien analysieren, vergleichen und auswerten. Dieses Verfahren wurde bereits vor 16 Jahren entwickelt und zieht nun nochmals modernisiert in das EVZ mit ein. Der Versuch ist typprüfungsrelevant, ebenso wie der

Nachweis der Erfüllung von länderspezifischen Vorgaben (Typprüfungen ECE, USA, Japan etc.) bezüglich der Beschlagfreihaltung von Front- und Heckscheibe. Für diese Funktion gelten aus Sicherheitsgründen bestimmte Auflagen: Jedes Fahrzeug muss innerhalb einer, je nach Markt differierenden, gesetzlich vorgeschriebenen Zeit die Scheiben von Beschlag befreien. Um die Einhaltung der Vorgaben abzuprüfen, positioniert man ein Gerät auf dem Fahrersitz, das mittels Wasserdampf eine hohe Luftfeuchtigkeit im Innenraum erzeugt und die Scheiben von innen beschlagen lässt. Die „Scheibenentfeuchtung/-belüftung" des Heiz-Klimasystems sorgt nun innerhalb der vorgeschriebenen Zeit dafür, dass die Scheiben wieder beschlagfrei sind. Die Ergebnisse dienen beispielsweise der Entwicklung und Optimierung der Belüftungsöffnungen für den Fahrzeuginnenraum.

Gerade für Tests in tiefkalten Verhältnissen mussten bisher die Vorkonditionierungszeiten für die Fahrzeuge in der Prüfstandsbelegung mit eingeplant werden. Diese „Totzeiten" sind im EVZ Vergangenheit; die Fahrzeuge werden bereits vorkonditioniert in den Prüfstand eingebracht.


Soakrooms - Schockfrosten für Fahrzeuge.

Im Untergeschoss des EVZ befindet sich ein großer Beitrag zum effizienten Prüfprozess - die Vorkonditionierräume, auch „Soakrooms" genannt. In diesen acht kleinen Kammern findet die thermische Vorkonditionierung der Fahrzeuge für alle Prüfstände statt. Hier können die Fahrzeuge vor der Messung auf eine Temperatur zwischen minus 40° C und plus 55° C gebracht werden, je nachdem, ob eine Simulation von Heiß- bzw. Kaltlanderprobungen oder sogar Schneeversuchen durchgeführt werden soll. Zudem verfügen die Kammern über einen elektrischen Anschluss, damit Elektrofahrzeuge während der Konditionierung auch geladen werden können. Ein Soakroom ist mit einer Abgasabsaugung ausgestattet. Hier können einfache Startversuche durchgeführt werden. Damit muss kein Prüfstand für derartige Tests belegt werden.

Das Besondere an dem Konzept der Soakrooms ist die bewusste Trennung von Vorbereitung und Durchführung der Versuche. In anderen Prüfumgebungen müssen die Fahrzeuge im Prüfstand über mehrere Stunden auf Temperatur gebracht werden. Während dieser langwierigen Konditionierung können keine Versuche stattfinden. Durch die Soakrooms im EVZ dagegen sind eine parallele Vorkonditionierung der Fahrzeuge und eine schnelle Beschickung der Prüfstände ohne lange Warte- oder Belegzeiten möglich. So sind die Prüfstände nur für die Dauer des Versuchs besetzt, was deutlich mehr Versuche in weniger Zeit und damit eine deutlich bessere Auslastung des Prüffelds ermöglicht. Sollen beispielsweise zwei Fahrzeuge unter gleichen Bedingungen getestet werden, wird eines in den Prüfstand gebracht und das andere bleibt solange im Soakroom auf Temperatur. Sobald das erste Fahrzeug fertig ist, kommt das zweite mit der richtigen Temperatur in den Prüfstand und die Untersuchungen gehen weiter. Im EVZ betragen die Übergangszeiten beim Fahrzeugwechsel nur noch ca. eine halbe Stunde gegenüber oft mehreren Stunden in der alten Prüfstandsumgebung in Aschheim.

Nicht weit entfernt von den acht Soakrooms befindet sich der Warmsoakbereich mit bis zu zehn Stellplätzen. Hier werden die Fahrzeuge auf einer großen Fläche für die Abgasuntersuchungen auf eine Temperatur von 24° C gebracht. Besonders bei diesen Untersuchungen sind eine exakte Temperierung und eine schnelle Beschickung der Prüfstände ohne Temperaturverluste von großer Bedeutung.



Prinzip der kurzen Wege - alles greift ineinander.

Um die schnelle Beschickung zu gewährleisten, ist das EVZ konsequent nach dem Prinzip der kurzen Wege gebaut. Auch im Detail wurde darauf geachtet, die versuchsfertigen Fahrzeuge schnellstmöglich in den Prüfstand zu bringen. Über zwei speziell temperierte Aufzüge mit sehr geringer Luftfeuchtigkeit gelangen die Fahrzeuge aus dem Untergeschoss auf die Prüfstandsebene. Wäre die Luftfeuchtigkeit im Aufzug höher, würden die auf bis zu minus 30° C gekühlten Fahrzeuge sofort vereisen. Während der Fahrt nach oben bringen Drehteller in den Aufzügen das Fahrzeug bereits in Position, sodass es sofort in den Prüfstand eingebracht werden und der Prüfbetrieb starten kann. Damit die Transportwege für die gekühlten Fahrzeuge so kurz wie möglich bleiben, sind die Aufzüge zwischen den Prüfständen angeordnet, in denen vorkonditionierte Fahrzeuge getestet werden.


Hinter den Kulissen der Prüfstände - Die Infrastruktur des EVZ.

„Besonders wichtig war bei der Konzeption die Realisierung von möglichst kurzen Wegen. Das EVZ ist daher sehr kompakt und auf sehr geringer Fläche realisiert." (Peter Hoff, Projektplanung EVZ)

Insgesamt erstreckt sich das EVZ über drei Etagen und zwei Zwischenetagen, die Prüfstände befinden sich jedoch alle auf einer Ebene, dem Erdgeschoss. Es wurde eine Architektur geschaffen, in der die Hauptfahrzeugbewegungen nur auf einer Ebene stattfinden. Durch die kurzen Wege gelangen die Fahrzeuge schneller in den Prüfstand, was wiederum für schnellere Ergebnisse sorgt. Alle Tätigkeitsbereiche, die prüfbezogen, aber nicht unbedingt auf die unmittelbare Nähe der Prüfstände angewiesen sind, befinden sich im ersten Stock oder im Untergeschoss und sind über Aufzüge mit der Prüfstandsebene verbunden. Während im Untergeschoss die Fahrzeuge in den „Soakrooms" auf die im Prüfstand benötigte Temperatur gebracht werden, befinden sich im oberen Geschoss die Werkstätten für die Fahrzeuge, an denen noch größere Modifikationen für den Prüfbetrieb vorgenommen werden müssen.

Bevor ein Fahrzeug, egal ob Auto oder Motorrad, in den Prüfbetrieb kommt, passiert es den Central Space. Hier, im zentralen Eingangsbereich des EVZ und direkt vor den Prüfständen, finden die letzten Modifikationen für den Prüfstandsbetrieb statt. Bis zu sieben Fahrzeuge können hier parallel umgerüstet und vorbereitet werden. Die Vorgabe an die Entwicklungsabteilungen, dass die Fahrzeuge bereits versuchsfertig im EVZ angeliefert werden, ermöglicht einen kurzen Durchlauf.

Zunächst bekommen die Fahrzeuge sogenannte Rollenreifen. Dies dient der Sauberkeit in den Prüfständen und der Sicherheit, da sich auf der Rolle eine erhöhte Belastung ergibt. Der Reifen rollt nämlich auf einem Rollenscheitel ab und nicht auf der „flachen" Straße. Zusätzlich wird die Fahrzeugfesselung vormontiert, mit der das Fahrzeug später im Prüfstand fixiert wird. Versuche mit laufendem Motor erfordern einen speziellen Anschluss zur Abgasabsaugung, der ebenfalls bereits im Central Space angebracht wird. Die Mechaniker verkabeln die Fahrzeuge, damit man die Messdaten von der Messwarte aus überwachen kann. Zudem wird hier je nach Anforderung ein elektronisches Gaspedal verbaut. Es ermöglicht dem Prüfstandstechniker das Fahrzeug aus der Messwarte heraus zu beschleunigen. Denn während des Prüfbetriebs sitzt meist niemand im Auto. Der Computer steuert das jeweilige Fahrzeug präzise und exakt nach Vorgabe, um die Reproduzierbarkeit von Bedingungen und Ergebnissen zu gewährleisten.

Direkt an den Central Space grenzt ein kleiner Raum mit vielen Funktionen. Hier können alle Tätigkeiten durchgeführt werden, die einen geschlossenen Raum zur Vorbereitung erfordern. Das Tanken mit Spezialkraftstoffen, das Enttanken oder das erneute Auftanken der Versuchsträger ist hier möglich. Der Raum verfügt über eine eigene Tankanlage, die nicht nur Kraftstoff ins Fahrzeug bringt, sondern ihn auch abpumpen und sammeln kann. Auch die Wiederverwertung von Kraftstoff zeigt, dass das EVZ bis ins kleinste Detail auf einen nachhaltigen und äußerst effizienten Prüfbetrieb angelegt ist. Hier ist außerdem das ganze Jahr über Winterdiesel verfügbar, um auch im Sommer realistische Kaltversuche fahren zu können. Darüber hinaus verfügt der Multifunktionsraum aufgrund der hohen Sicherheitsbestimmungen im Umgang mit Sonderkraftstoffen über eine sehr effektive Lüftung, weshalb er auch als Schnelltrockenkammer für nass angelieferte Fahrzeuge benutzt werden kann.
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There are three types of people in this world: those who make things happen, those who watch things happen and those who wonder what happened.

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Geändert von Martin (25.05.2010 um 13:54 Uhr)
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