Wer misst, misst Mist - das alte Grundgesetz der Messtechnik fordert dazu auf, alles, was gemessen wurde, immer infrage zu stellen. Sicher zu Recht, und das gilt natürlich auch für uns - für sport auto.
Porsche 911 Turbo S als Anlass
Da unsere Messungen öffentlich und die Hersteller direkt davon betroffen sind, bleiben auch kleinste Fehler niemals unerkannt oder unkommentiert. So auch geschehen im Frühjahr 2014: Im Supertest des Porsche 911 Turbo S (sport auto 2/2014) sorgte die Leistungsmessung für Stirnrunzeln in Weissach. 607 PS statt der angegebenen 560 PS - eine satte Abweichung von 8,4 Prozent.
Unsere Leistungsmessungen wurden zuvor niemals infrage gestellt, egal welche Werte der Prüfstand auch ausspuckte. Aber man soll ja nicht so vermessen sein, das Vermessen auszuschließen. Porsche bestand auf Klärung, und wir nahmen das zum Anlass, uns noch einmal tiefer in die Materie hineinzuknien.
Vier Fragen galt es zu klären: Wie funktionieren Rollenprüfstände? Worauf muss man achten? Wo liegen mögliche Fehlerquellen? Und schließlich: Hatte der Porsche zu viel Leistung, haben wir zu viel Leistung gemessen oder - genauer - errechnet?
Wie ein Vulkanausbruch am Rand des Kraters
Beginnen wir die Geschichte bei Adam und Eva: Was macht ein Leistungsprüfstand, wie funktioniert er? Ortstermin beim Marktführer Maha in Haldenwang. Michael Pleinies, Prüfstandsexperte des Hauses und Schulungsleiter für Prüfstandstechnik, schnallt einen Porsche 911 Turbo S auf den Hausprüfstand. "Des ham wa glei, wirst scho seha." Schutzbrille auf, Ohrenstöpsel rein - und bitte bei der Messung nicht dämlich hinter dem Auto herumstehen, denn wenn da noch kleine Steinchen im Reifenprofil stecken, werden die mit bis zu 300 km/h nach hinten wegkatapultiert.
Das klingt etwas übertrieben? Von wegen! Wer eine professionell durchgeführte Leistungsmessung live miterlebt hat, weiß, dass der Vorgang eine gewisse Dramatik in sich birgt: Das volle Durchbeschleunigen von der Ausgangsgeschwindigkeit von gut 50 km/h bis zum erzielbaren Topspeed im Prüfgang ist ungefähr so, als betrachte man einen Vulkanausbruch vom Rande des Kraters aus. Das Rotieren der Räder, das Hochdrehen des Motors, das Wirbeln der Rollen steigert sich mit zunehmender Geschwindigkeit zu einer ohrenbetäubenden Kakofonie aus Fauchen, Pfeifen, Kreischen, Wimmern und Jaulen - bis man sich am Ende zum Schutz der Hörfähigkeit freiwillig ein paar Meter vom Geschehen entfernt.
Die Spanngurte sind zum Zerreißen gespannt, die Urgewalt der rotierenden Beschleunigung ist noch eindringlicher, als wenn man selbst am Steuer eines Supersportwagens sitzt. Man möchte sich als Zaungast gar nicht ausmalen, was passiert, wenn bei der Messung mal ein Reifen hochgeht. Nach gut 30 Sekunden ist der spektakuläre Spuk vorüber. Die Messung aber nicht - denn nun wird beim Ausrollen noch die Schleppleistung ermittelt.
Zwei Arten von Rollenprüfständen
Zwei Stunden später referiert Michael Pleinies in der Maha-Kantine den aktuellen Stand der Technik. Im Rollenprüfstand arbeiten verschleißfreie Wirbelstrombremsen, die mittels elektromagnetischer Kraft an der Rolle ein Gegenmoment zur Radkraft erzeugen - so wird das Fahrzeug gebremst, der Motor belastet. Wir als Physiklaien nehmen das jetzt mal unwidersprochen so hin.
Praxisbezogener ist der Hinweis, dass es zwei Arten von Rollenprüfständen gibt, den Doppelrollenprüfstand und den Scheitelrollenprüfstand. Die Frage, welches Konzept sich durchsetzt, ist schon geklärt: "Der Scheitelrollenprüfstand ist klar der Weg für die Zukunft", so Pleinies.
Wo liegen die Unterschiede? Beim Doppelrollenprüfstand drehen die Räder zwischen zwei Rollen, einer Stütz- und einer Bremsrolle, deren Durchmesser kleiner ist als die der Scheitelrollen, die bis zu einem Meter Durchmesser aufweisen können. Die Räder werden in einem abgesenkten Rollenprisma zwar stabil geführt, aber das System hat Nachteile.
Das Abrollverhalten der Reifen ist hier nämlich kaum vergleichbar mit den Bedingungen auf der Straße. Weil moderne Sportwagen immer stärker werden, besteht beim Doppelrollenprüfstand die Gefahr von zu viel Schlupf. Und Rollenschlupf ist ein großes Thema, wenn es um reproduzierbare Leistungsmessungen geht. "Auf der Doppelrolle muss man mit Hilfsmitteln arbeiten, um den Schlupf zu minimieren, zum Beispiel indem man das Auto runterspannt, die Reifen einsprüht oder mit Zusatzgewichten auf der Antriebsachse arbeitet", erklärt Pleinies. Die höhere Walkarbeit zwischen Reifen und Rolle bedeutet allerdings nicht, dass die Messung ungenauer wäre, da sich dies zwischen der Radleistungs- und Verlustleistungsmessung kompensiert.
Weniger Walkarbeit auf der Scheitelrolle
Die Zukunft gehört jedoch dem Scheitelrollenprüfstand, bei dem das Rad auf dem Scheitel (oder der Kuppe) einer Rolle läuft. "Das ist viel realistischer als bei der Doppelrolle, man hat weniger unerwünschte Belastungen auf den Reifen und dem Antriebsstrang", erklärt Pleinies. Die Kraftübertragungskette zwischen Reifen und Rolle funktioniert viel besser, was dazu führt, dass die Reifentemperaturen kaum noch über 65 Grad hinaus ansteigen.
Scheitelrollenprüfstände aus der MSR-Familie von Maha verkraften Höchstgeschwindigkeiten von 320 km/h und können pro Achse Leistungen von 260 kW bis 1.100 kW oder 1.500 PS als Dauerlast aufnehmen. Die beiden Rollensätze mit einem Durchmesser von 30 Zoll sind mit je einer Wirbelstrombremse und je einem Elektromotor ausgestattet. Die E-Maschinen mit 40 kW Leistung sorgen für einen synchronen Lauf der Fahrzeugachsen durch elektronisch geregelte Koppelung der Rollensätze.
Genug graue Theorie. Wie muss eine korrekte Messung in der Praxis ablaufen? Jede Leistungsmessung startet mit einem gründlichen Check des Prüffahrzeugs. "Dabei wird das Fahrzeug auf Leckagen oder Undichtigkeiten überprüft", so Moritz Müller, der mit seinem Maha-Prüfstand die Leistungsmessungen für den Supertest von sport auto in Backnang durchführt. Augenmerk gilt dabei den Reifen, denn für sie bedeutet die Messung Extra-Stress: "Die Reifen müssen die Motorleistung übertragen, daher muss der Luftdruck stimmen, und der Radsturz sollte nicht zu hoch sein, weil das den Grip auf der Rolle und damit die Messung negativ beeinflusst."
Einige Sachen verstehen sich von selbst, seien hier aber trotzdem noch mal erwähnt: Der eingefüllte Kraftstoff spielt bei der Messung ebenso eine Rolle wie seine Temperatur. Hat der Sprit wenig Oktan und ist er obendrein heiß, kann das die Messung deutlich negativ beeinflussen. Das Auto sollte vor dem Prüfstandslauf abkühlen, weil der Motor - nach Stadtverkehr oder Volllastbolzerei auf der Autobahn - zum Klopfen (unkontrollierte Selbstzündung) neigt, was die Software für das Volllast-Kennfeld auch wegen des Bauteilschutzes dazu veranlasst, Leistung wegzunehmen.
Referenzwerte von der Straße hilfreich
Bei sport auto gibt es obendrein einen Extracheck auf der Straße, der nicht zum regulären Umfang einer Leistungsmessung gehört: Mittels der OBD-Oberfläche (Onboard-Diagnose) werden Referenzwerte wie Ansauglufttemperatur und Ladedruck für den Prüfstandslauf ermittelt.
"So wird sichergestellt, dass wir bei der Messung mit korrekten Daten arbeiten", erklärt Moritz Müller. "Wenn die Ansauglufttemperatur im Fahrbetrieb bei mittlerer Last und 200 km/h beispielsweise 50 Grad beträgt, dann sollten wir auf dem Prüfstand mit ähnlichen Parametern arbeiten - andernfalls erhält man nämlich falsche Messwerte." Dazu werden bei Saugmotoren auch noch die Werte für Drosselklappenstellung, Zündwinkel und Abregeldrehzahl ermittelt. Dazu wird der korrekte Prüfgang ausgewählt, also jene Gangstufe, mit der die Messung vorgenommen wird.
"Die Messung erfolgt in einem hohen Gang, aber vom Drehzahlniveau so, dass man die Beschleunigung bei circa 50 km/h starten kann", erklärt Moritz Müller. Beim 911 Turbo S ist der fünfte Gang die optimale Stufe, die es erlaubt, bei der Messung einen Geschwindigkeitsbereich von 50 bis 240 km/h perfekt abzudecken.
Im zweiten Schritt wird das Fahrzeug auf dem Prüfstand mit Spannbändern fixiert, um es optimal auf der Rolle zu justieren. Nach der Fesselung des Autos erfolgt die Konditionierung auf dem Prüfstand. Neben einem Probelauf, bei dem gecheckt wird, dass keine Verspannungen auftreten und das Auto sauber positioniert ist, müssen Grundparameter in der Software angewählt werden - etwa der Radstand oder die zu erwartende Beschleunigungsleistung.
Kann der Prüffahrer das Ergebnis beeinflussen?
Bei einem 560 PS starken Porsche 911 Turbo S beträgt der Rampenwert 2,0 m/s, was dem mittleren Beschleunigungsvermögen dieses Fahrzeugs entspricht. Dazu wird der Gewichtswert der rotierenden Massen vorgewählt, bei 19-Zoll-Rädern im vorliegenden Fall also 80 Kilogramm.
Die Messung selbst ist zweigeteilt: Im ersten Schritt wird über die Beschleunigung im Prüfgang die Radleistung ermittelt. Ist die Drehzahlgrenze im Prüfgang erreicht, wird ausgekuppelt beziehungsweise bei automatischen Getrieben die neutrale Stufe eingelegt und beim Ausrollen die Schleppleistung ermittelt. Bei der Radleistungsmessung ist der gewählte Prüfgang aus zwei Gründen von besonderer Wichtigkeit.
Erstens muss das Fahrzeug in der Lage sein, sauber von der Startgeschwindigkeit von rund 50 km/h zu beschleunigen. Automatische Getriebe haben zudem für jeden Gang eine Mindestdrehzahl, die eingehalten werden muss, weil das Getriebe sonst automatisch zurückschaltet.
Zweitens darf im Prüfgang nicht die maximal erlaubte Geschwindigkeit des Prüfstands überschritten werden. Die meisten Scheitelrollenprüfstände verkraften heute Topspeeds bis 300 km/h.
Trotz anderslautender Storys hat der Prüffahrer bei der Radleistungsmessung kaum Spielraum einzugreifen, wie Michael Pleinies von Maha erklärt: "Es ist wichtig, dass der Fahrer zügig beschleunigt, sobald im Testgang die Ausgangsgeschwindigkeit anliegt. Vollgas geben bedeutet aber nicht, den Kickdown auszulösen, weil sonst das Getriebe herunterschaltet. Die Beschleunigung geht bis zum Drehzahlende, den Rest erledigt der Prüfstand. Beim Beschleunigen gibt es keine Möglichkeit für den Prüfer, das Ergebnis zu beeinflussen."
Addition von Radleistung und Schleppleistung ergibt Motorleistung
Beim Ausrollvorgang, also der Messung der Schleppleistung, könnte der Prüffahrer theoretisch durch Bremsen nachhelfen und so das Ergebnis pushen. "Aber das fällt sofort auf", sagt Pleinies, "denn die Schleppleistungskurve hat einen parabelförmigen Verlauf, und man schafft es nicht, eine parallele Kraft reinzubremsen, um die Kurve und damit die Leistung zu erhöhen. Das Ergebnis wäre immer ein ziemlich untypischer Kurvenverlauf!"
Die Addition von Radleistung und Schleppleistung ergibt die Motorleistung. Wieso? "Leistung ist Masse mal Beschleunigung mal Geschwindigkeit", erklärt Pleinies. "Es gibt Massenanteile am Prüfstand und am Fahrzeug. Prüfstand und Fahrzeug sind bei der Messung wie ein Sandwich, der Motor muss alles antreiben, und alle Massen sind Last für den Motor. Die Lasten der Bremse an den Rollen bildet den statischen Anteil, dazu muss als dynamischer Anteil auch die Schwungmasse hochbeschleunigt werden."
Der größte Feind der Messung ist Schlupf
Im Klartext: Auf dem Rollenprüfstand bilden der Antriebsstrang des Fahrzeugs und die rotierenden Komponenten des Prüfstands gemeinsam eine Anzahl von Verlusten, die den Motor während der Radleistungsmessung belasten. Diese statischen und dynamischen Verluste werden über die Schleppleistung ermittelt. Die Motorleistung ergibt sich aus der Addition von Radleistung und Schlepp- oder Verlustleistung.
Die Begriffe Rad- und Verlustleistung sorgen immer wieder für Konfusion: Viele sehen die gemessene Radleistung und glauben folglich, das sei die Leistung am Rad, aber das ist falsch. Fahrzeug und Prüfstand bilden eine Einheit: Wenn man das Auto vom Prüfstand wegnimmt, sind auch die Verluste und Massen vom Prüfstand weg. Aus diesem Grund wird die Radleistung auf dem Prüfstand kleiner - deshalb muss die Schleppleistung gemessen werden, um sie aufzuaddieren!
Moderne Prüfstände können die gesamten Verluste tatsächlich exakt und jederzeit reproduzierbar messen. Wenn, ja wenn die Rahmenbedingungen erfüllt werden. Und da gibt es einige: solche, die vom Prüfstand abhängen, von der Umgebung, und solche, die vom Gesetzgeber verpflichtend vorgeschrieben werden.
Ein großer Feind der Messung ist Schlupf: "Bei Sportwagen entsteht immer Schlupf auf der Rolle", weiß Pleinies, "und besonders bei Turbomotoren, wenn sich der Ladedruck voll aufbaut. Aber solange das im Bereich von sechs bis acht Prozent bleibt, ist das im Rahmen." Zweitens kann eine präzise Messung nur unter realistischen Bedingungen erfolgen. Wenn das Auto auf dem Prüfstand auf über 200 km/h beschleunigt wird, aber keine ausreichende Kühlung erhält, ist die Messung das Papier nicht wert, auf dem sie steht.
50.000 Kubikmeter pro Stunde als Untergrenze
"Die Kühlung ist das A und O bei der Messung, besonders bei Turbomotoren", so Pleinies. Die Ladeluft muss realistisch gekühlt werden, ebenso müssen Öl- und Wasserkühler gut und sauber angeströmt werden. Dazu muss die Luft auch den Motorraum durchströmen, das Getriebe hat ebenfalls Kühlbedarf.
"Bei Wärmestaus geht die Ansauglufttemperatur hoch, und die Elektronik nimmt Leistung weg", so Pleinies. Kurios: Manchmal stimmen alle Werte für den Motor, aber das Endergebnis passt trotzdem nicht, weil das Getriebesteuergerät zu hohe Temperaturen meldet. Als Folge reduziert das Steuergerät die Leistung. "Oft sind die Getriebe komplett eingepackt, bei V-Motoren mit seitlichen Katalysatoren sitzt es direkt zwischen diesen - das wird brutal heiß", so Pleinies.
Wenn das Auto dann auch noch tiefergelegt ist, kommt keine unterströmende Luft mehr an - die Kühlung liegt bei null. Wichtig sind auch die Kühlluftgebläse vor dem Auto: "Das Ziel sind 50.000 Kubikmeter pro Stunde mit einem Luftstrom von 130 bis 140 km/h als Untergrenze bei Sportwagen", so Pleinies. Nach oben gibt es kein Limit: "90.000 oder 150.000 m/h, dazu eine Anströmung von bis zu 200 km/h - das ist heute keine Seltenheit mehr! Da läuft der Stromzähler dann einen Tick schneller!" Profis verwenden zusätzlich sogenannte Bauteilgebläse, die mobil und variabel eingesetzt werden, zum Beispiel um die Einlassschächte für die Ladeluftkühlung gezielt anzuströmen.
Selbst wenn das alles passen sollte, so gibt es dennoch externe Umgebungsfaktoren wie Luftdruck und Raumtemperatur, die mit ins Kalkül gezogen werden müssen, und wo zum Teil auch noch Vorgaben vom Gesetzgeber zu beachten sind.
"Unsere Prüfstände haben ein Umweltmodul, das die Umweltdaten plus Ansauglufttemperatur aufnimmt", so Pleinies. Protokolliert werden Luftdruck, Raumtemperatur und auch die Luftfeuchte, weil die EWG-Norm 80/ 1269 den Luftdruck mit getrockneter Luft rechnet.
Wenn alte Normen auf neue Technik treffen
Diese EWG-Norm stammt aus dem Jahr 1980 und wurde daher für Motoren entwickelt, die kein Kennfeld hatten. Damals war der Einfluss von Umgebungsfaktoren wie Luftdruck und Ansauglufttemperatur sehr weitreichend, besonders beim Sauger. Daher hat man die Hochrechnung gemacht - je nachdem wo der Prüfstand steht. "Heute haben wir aber Kennfeldmotoren, die teilweise die Anpassung auf solche Faktoren selbstständig vornehmen", sagt Pleinies.
"Dazu bezieht die Software des Motorsteuergerätes auch andere Größen mit ein, zum Beispiel Bauteilschutz oder Emissionen. Der Korrekturfaktor sollte generell natürlich am besten so klein wie möglich sein."
Ergo sollte die Temperatur im Messraum bei 20 bis 25 Grad liegen. "Wenn man das schafft, hat man eine geringere Korrektur." Bleibt noch der Luftdruck, der natürlich abhängig ist von der Höhenlage des Prüfstands. Einen Ausgleich kann man hier nicht künstlich herstellen, sonst bräuchte man dicke Stahlwände, damit man den Raum sozusagen "aufpumpen" könnte.
Rein theoretisch könnte die Nutzleistung bei einer Höhenzunahme von 100 Metern um bis zu ein Prozent sinken. Bei einer Prüfstandstoleranz von zwei Prozent scheint das vernachlässigbar - doch zwischen 700 Metern und Normalnull liegen trotzdem noch volle sieben Prozent!
Minimale Abweichung von 3,6 PS beim 911 Turbo S
Damit kehren wir langsam zur Ausgangsfrage zurück, nämlich der Messung des Supertest-Porsche 911 Turbo S. Der wurde damals in Haldenwang bei Maha gemessen, und nicht in Stuttgart. Haldenwang liegt auf 757 Metern Höhe - ergo musste die Berechnung der Leistung laut EWG korrigiert werden. Das Problem: Der Porsche-Motor korrigiert die Höhenlage und damit den Umgebungsluftdruck in einem Bereich bis circa 1.000 Meter selbstständig. Wie? "Das Motorsteuergerät verfügt über einen Drucksensor und erkennt die Höhenlage", so Christian Kunde, Sachgebietsleiter Basismotor und Brennverfahren bei Porsche.
"Damit weiß die ECU genau, wie viel Ladedruck man für das Wunschdrehmoment benötigt. Die Anpassung erfolgt über das VTG-System des Turboladers. Die VTG ist das Stellorgan, um den Ladedruck einzuregeln. Der Verdichter braucht mehr Drehzahl, um die Füllung in der Höhe zu bewerkstelligen, und diese größere Luftmenge muss von der Turbine geliefert werden - und das wird über die Sollladedrucksteuerung geregelt."
Moritz Martiny, Leiter Fahrzeugapplikation Boxermotoren bei Porsche, ergänzt: "Die damalige Kurve beim Supertest ist entstanden, weil man unseren Turbomotor behandelt hat wie einen Saugmotor. Bei einem Saugmotor macht man das, um eine normierte Angabe der Leistung zu ermöglichen, wie sie der Motor auf Meereshöhe hätte. Bei einem modernen Turbomotor darf diese Korrektur nach EWG-Norm aber nicht angewendet werden. Für ältere Turbomotoren ist die Korrektur unter Umständen gerechtfertigt, weil sie ohne die sogenannte Sollladedrucksteuerung arbeiten, die auf Höhendifferenz und Luftdruck reagiert."
Lange Rede, kurzer Sinn: Was damals passierte, war eine Doppelkorrektur. Das Steuergerät registrierte die Höhenlage und passte das System über die VTG für die Höhenlage an, gleichzeitig korrigierte Maha vorschriftsmäßig das Ergebnis laut EWG-Norm für die Höhenlage - doppelt gemoppelt hält in diesem Fall nicht besser!
Die Nachmessung eines 911 Turbo S auf drei Maha-Prüfständen mit unterschiedlicher Höhenlage in Haldenwang, Stuttgart und Recklinghausen ergab - diesmal ohne Korrektur - minimale Abweichungen von 3,6 PS. Selbst Porsche war überrascht, dass die Messwerte in einem so engen Korridor von circa einem Prozent lagen. "Bei Porsche wird der Ladedruck mittels VTG gesteuert, damit bleibt die Füllung gleich, obwohl sich Umweltbedingungen wie der Luftdruck ändern", bilanziert Michael Pleinies. "Damit macht dann eine Korrektur nach EWG keinen Sinn mehr."
Ähnlich verfahren heute auch BMW und Audi. Die technische Entwicklung ist also den rechtlichen Normvorgaben davongelaufen. Die Folge: richtig gemessen, aber falsch gerechnet.
