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Verfahren zur Druckregelung von konditioniertem Verbrennungsgas, insbesonders
Luft, für eine Verbrennungsmaschine, vorzugsweise in Prüfständen, wobei der Verbren- nungsmaschine zu jedem Zeitpunkt eine im wesentlichen konstante, vollständig konditionier- te Menge des feuchte- und/oder temperaturkonditionierten Verbrennungsgases im Ausmass von zumindest der maximal benötigten Menge bereitgestellt und das gesamte von der Verbrennungsmaschine nicht benötigte Verbrennungsgas an der Verbrennungsmaschine vor- beigeleitet und mit deren Abgas gemischt wird, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens, umfassend eine Versorgungsleitung zur Verbrennungsmaschine für feuchte- und/oder temperaturkonditioniertes Verbrennungsgas, allenfalls ein Gebläse in der Versor- gungsleitung.
Der Zustand der Ansaugluft beeinflusst in starkem Masse das Betriebsverhalten einer Verbrennungsmaschine. Da die Entwicklungsarbeiten von Verbrennungsmaschinen aufgrund der weltweit strenger werdenden Abgasgesetzgebung und der höheren Leistungsdichte im- mer höhere Anforderungen bezüglich der Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Versuchs- ergebnisse stellt, ist es daher erforderlich, sämtliche Einflüsse, welche die Versuchsergebnis- se bei der Motorenentwicklung beeinflussen, so weit wie möglich zu eliminieren. Da zu die- sen Einflüssen auch der Zustand der Ansaugluft zählt, ist es notwendig diese zu konditionie- ren, um vergleichbare Versuchsbedingungen am Motorenprüfstand zu erreichen.
Bekannte Systeme zur Konditionierung der Ansaugluft für Verbrennungsmaschinen sind am Markt käuflich verfügbar (z.B. "Combustion Air Conditioning Unit der Firma AVL-Ust GmbH, Graz/Österreich oder FEV AirCon der Firma FEV Motorentechnik GmbH, Aa- chen/Deutschland). Diese Systeme werden direkt an das Luftversorgungssystem der Verbrennungsmaschine angeschlossen, und müssen auf diese Weise bei Änderungen des Betriebszustandes der Verbrennungsmaschine und daraus folgenden Änderungen des Luft- durchsatzes direkt den Änderungen des Luftdurchsatzes der Verbrennungsmaschine folgen.
Bei schnellen und dynamischen Änderungen des Luftdurchsatzes der Verbrennungsmaschine können bekannte Systeme, wie etwa auch in der DE 40 15 818 C2 beschrieben, diesen Än- derungen nur eingeschränkt Folgen, so dass während der dynamischen Luftdurchsatzände-
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weicner eine sicnere, Konstante konditionlerung der verbrennugwsifut aucn unter aynami- schen und hoch dynamischen Betriebsbedingungen gewährleistet werden kann, indem zu jedem Zeitpunkt eine im wesentlichen konstante, vollständig konditionierte Menge des Verbrennungsgases bereitgestellt wird, welche zumindest der von der jeweiligen Verbren- nungsmaschine maximal benötigten Menge entspricht.
Durch diese Massnahme muss die Kon-
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ditionierung nicht dynamisch nachgeführt werden, sondern der Motor am Prüfstand zweigt sich aus einer für die maximal nötige Menge an Verbrennungsluft die jeweils für den aktuel- len Betriebszustand benötige Menge an Verbrennungsluft ab. Die vorgeschaltete Konditionie- rungsanlage muss ja ohnedies für die maximale Menge an Verbrennungsluft ausgelegt sein, wobei im erfindungsgemässen Fall die Konditionierungsstrecke von einem konstanten Mas- senstrom passiert wird und daher die Regelung entsprechend einfach möglich ist.
Aufgabe der Erfindung war es, das bekannte Verfahren und die Vorrichtung derart zu verbessern, dass sowohl mögliche Schwingungen des Gesamt-Regelsystems vermieden als auch die Regeldynamik wesentlich erhöht werden können. Sollwertänderungen sollen mit möglichst geringen Auswirkungen auf das Gesamt-Regelsystem sehr schnell durchführbar sein, was bei Prüfstandsanwendungen natürlich auch die Testzeit und-kosten verringert.
Andererseits soll der Feinabgleich bei stark dynamischem Betrieb der Verbrennungsmaschine optimiert sein, ebenso wie die Restdynamik zwischen Ansaug- und Abgasseite, welche sich durch die zugeführt und verbrannte Kraftstoffmenge ergibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekenn- zeichnet, dass der Volums- oder Massenstrom des Verbrennungsgases auf einer Seite der
Verbrennungsmaschine abhängig vom gewünschten Drucksollwert auf einen im wesentlichen konstanten Wert eingestellt wird, und dass der Drucksollwert auf der gegenüberliegenden Seite der Verbrennungsmaschine eingeregelt wird. Die bislang sowohl vor als auch hinter der Verbrennungsmaschine notwenige Einstellung und Regelung von Grössen kann damit bedeu- tend vereinfacht werden, da aufgrund der Wirkverbindung um die Verbrennungsmaschine herum sowohl die Einstellung des Volums- bzw. Massenstroms des Verbrennungsgases als auch die Regelung des Soll-Drucks auf jeweils einer Seite der Verbrennungsmaschine erfol- gen kann.
Die Ausdrücke "vor der Verbrennungsmaschine" und "hinter der Verbrennungsma- schine" bzw. jegliche Angaben über einander gegenüberliegender Seiten der Verbrennungs- maschine sind als Bezugnahmen relativ zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases und/oder des Verbrennungsgas/Kraftstoff-Gemisches bzw. des Abgas/Verbrennungsgas- Gemisches gemeint und werden auch nachfolgend immer in diesem Sinn verwendet.
Gemäss einer ersten Variante des Verfahrens wird der Volums- oder Massenstrom des Verbrennungsgases hinter der Verbrennungsmaschine eingestellt, wobei eine apparative Stellgrösse als definierte Funktion des Umgebungsdruckes, des gewünschten Drucksollwertes und apparativer Eigenschaften bestimmt wird, und dass der aktuelle Drucksollwert vor der Verbrennungsmaschine aus dem aktuellen Wert der apparativen Stellgrösse über eine defi- nierte Funktion bestimmt und vor der Verbrennungsmaschine eingeregelt wird.
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Eine andere Variante sieht dagegen vor, dass der Volums- oder Massenstrom des
Verbrennungsgases vor der Verbrennungsmaschine eingestellt wird, wobei eine apparative
Stellgrösse als Funktion des Differenzdrucks zwischen dem gewünschten Drucksollwert und dem Umgebungsdruck bestimmt wird, und dass der aktuelle Drucksollwert vor der Verbren- nungsmaschine hinter der Verbrennungsmaschine eingeregelt wird.
Vorteilhafterweise wird bei allen Ausführungsvarianten der Istdruck im Einlasstrakt der Verbrennungsmaschine, hinter der Abzweigung des an der Verbrennungsmaschine vor- beigeleiteten Verbrennungsgases, bestimmt.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Verbrennungsgas/Abgas-
Gemisch hinter der Verbrennungsmaschine abgesaugt, wobei vorzugsweise zusätzlich dafür gesorgt ist, dass das Verbrennungsgas/Abgas-Gemisch hinter der Verbrennungsmaschine mit definiertem Unterdruck, bezogen auf den Umgebungsdruck, abgesaugt wird.
Gemäss einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das Verfahren da- durch gekennzeichnet, dass das Verbrennungsgas der Verbrennungsmaschine unter erhöh- tem Druck, bezogen auf den Umgebungsdruck, zugeführt wird.
Anstelle der Verbrennungsmaschine das konditionierte Verbrennungsgas direkt in den Ansaugtrakt zuzuführen, kann gemäss einer Alternative dazu auch vorgesehen sein, dass die Verbrennungsmaschine, Teile davon oder damit verbundene Systemkomponenten vom kon- ditionierten Verbrennungsgas umströmt wird. Durch diese Massnahme kann die Beaufschla- gung allfälliger Undichtheiten der genannten Systemabschnitte mit Druckdifferenzen oder das Entstehen derartiger Undichtheiten aufgrund von Druckdifferenzen vermieden werden, was bei Prüfstandsanwendungen die Testergebnisse unbrauchbar machen würde.
Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe ist die Vorrichtung zur Druckregelung von konditioniertem Verbrennungsgas dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite der Verbrennungsmaschine eine Einrichtung zur Einstellung des Volums- oder Massenstroms des Verbrennungsgases abhängig vom gewünschten Drucksollwert und auf der gegenüberlie- genden Seite der Verbrennungsmaschine eine einstellbare Druckregeleinrichtung vorgesehen sind.
Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung zur Einstellung des Volums- oder Massenstroms des Verbrennungsgases hinter der Verbrennungsmaschine als Gebläse mit definierter Abhängigkeit zwischen einer Stellgrösse und dem geförderten Vo- lumen, vorzugsweise als Roots-Gebläse, ausgeführt. Das Rootsgebläse fördert annähernd konstanten Volumenstrom bei konstanter Drehzahl unabhängig vom Luftdruck. Jedoch än- dert sich der Luftmassenstrom entsprechend der Druckänderung. Um jetzt den Luftmassen- strom für die Konditionierstrecke annähernd konstant zu halten, kann das Gebläse abhängig
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vom Luftdrucksollwert entsprechend eingestellt werden, während die Führungsgrösse für die
Druckregelung entsprechend dem aktuellen Betriebszustand des Roots-Gebläses nachge- führt und der Solldruck dann in bekannter Weise, z.
B. über PID-Regler, eingeregelt wird.
Vorteilhafterweise ist in diesem Fall vorgesehen, dass eine Recheneinrichtung vorge- sehen oder in die Steuereinheit der Einrichtung zur Einstellung des Volums- oder Massen- stroms oder in die vorzugsweise als PID-Druckregler ausgeführte Druckregeleinrichtung in- tegriert ist, welche über eine definierte Funktion aus dem aktuellen Wert der Stellgrösse ei- nen Drucksollwert als Führungsgrösse für die Druckregeleinrichtung errechnet.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist derart ausge- führt, dass eine Vergleichseinheit zwischen dem Umgebungsdruck und dem gewünschten
Drucksollwert vorgesehen ist, deren Ausgang mit einer Einrichtung zur Einstellung des Vo- lums- oder Massenstroms des Verbrennungsgases vor der Verbrennungsmaschine verbunden ist.
Um nach Vorgabe eines Volums- bzw. Massenstroms den gewünschten Solldruck aus- regeln zu können, ist bei dieser Ausführungsform vorteilhafterweise hinter der Verbren- nungsmaschine ein Gebläse mit einstellbarer Regelklappe vorgesehen, welche Regelklappe über eine Regeleinrichtung, vorzugsweise als PID-Regler ausgeführt, angesteuert wird, des- sen Führungsgrösse der gewünschte Drucksollwert und dessen Messgrösse der Istdruck vor der Verbrennungsmaschine ist.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die Versorgungsleitung für zumindest die von der jeweiligen Verbrennungsmaschine maximal benötigte Menge an Verbrennungsgas ausgelegt, zweigt von dieser Versorgungsleitung eine mit der Verbrennungsmaschine verbindbare Ansaugleitung ab, und mündet eine mit der Verbrennungsmaschine verbindbare Abgasleitung hinter der Abzweigung der Ansaugleitung in die Versorgungsleitung ein.
Um eine weitestgehende Konditionierung zusammen mit der vereinfachten Druckre- gelung zu erreichen, ist gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass Einrich- tungen zur Einstellung und Regelung der Temperatur und/oder Feuchte vor der Abzweigung der Ansaugleitung zur Verbrennungsmaschine in der Versorgungsleitung vorgesehen sind, beispielsweise Gaskühler, Tropfenabscheider, Gaserhitzer und Dampfzufuhrleitungen, vor- zugsweise mit Dampfdosierventilen.
Eine weiter verbesserte Regelcharakteristik kann dadurch erzielt werden, dass parallel zu den Regelklappen zumindest ein Feinregelventil vorgesehen ist.
Als alternative Ausführungsform einer Vorrichtung, bei welcher die Verbrennungsma- schine, speziell deren Ansaugtrakt, über eine Leitung mit der konditionierten und druckgere-
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gelten Verbrennungsluft versorgt wird, kann weiters auch zumindest ein geschlossener Raum zur Aufnahme der Verbrennungsmaschine, von Teilen davon oder von damit verbundenen
Systemkomponenten vorgesehen sein, welcher Raum mit dem Abschnitt zwischen der Ab- zweigung der Ansaugleitung und der Einmündung der Abgasleitung der Versorgungsleitung verbunden ist.
Mit einer derart ausgestalteten Vorrichtung sind Beaufschlagung allfälliger
Undichtheiten der genannten Systemabschnitte mit Druckdifferenzen oder das Entstehen derartiger Undichtheiten aufgrund von Druckdifferenzen unterbunden, so dass bei Prüf- standsanwendungen keine Gefahr von dadurch unbrauchbaren Testergebnissen besteht.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die bei- gefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt die Fig. 1 eine schematische Dar- stellung einer Anlage mit Roots-Gebläse, d. h. Volumsstrom-Einstellung hinter der Verbren- nungsmaschine und Druckregelung davor, während Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit Volumsstrom-Einstellung vor und Druckregelung hinter der Verbrennungsmaschine ist.
Die erfindungsgemässe Anlage besteht im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aus einer
Konditionierungsstrecke - in Strömungsrichtung der Luft aus gesehen - aus einem Staubfil- ter 1, einem Wärmetauscher 2 mit Kondensatabscheider, einer Einrichtung zur Förderung von Luft, vorzugsweise einem Radialgebläse 3, dahinter einer Heizeinrichtung 4 für die Verbrennungsluft, einem Befeuchter 5, sowie Sensoren 6 zur Überwachung der Konditionie- rung, vorzugsweise zumindest Feuchtigkeits- und Temperatursensoren. Das konditionierte Verbrennungsgas verlässt die Konditionierungsstrecke 1 - 6 typischerweise mit einem ge- genüber dem Umgebungsdruck wählbar veränderten Druck.
Zwischen der Konditionierungsstrecke 1 - 6 und der Verbrennungsmaschine 7 befin- det sich, vorzugsweise noch vor der Abzweigung 8 der Bypassleitung 9 um die Verbren- nungsmaschine 7 herum, eine Druckregeleinrichtung, beispielsweise eine RegeHdappe 10.
Hinter der Verbrennungsmaschine 7 vereinigt sich die Bypassleitung 9 wieder mit dem Ab- gastrakt 11 der Verbrennungsmaschine 7. Nochmals hinter der Einmündungsstelle 12 ist ein Roots-Gebläse 13 vorgesehen, über welches bei der Ausführungsform der fig. 1 der Volums- bzw. Massenstrom des Verbrennungsgases eingestellt werden kann, der vorteilhafterweise zumindest der von der Verbrennungsmaschine 7 maximal verbrauchten Menge entspricht.
Zum Betrieb des Systemes und zum Einregeln der gewünschten Luftzustände ist.eine elektronische Steuer- und Regeleinrichtung 14 vorgesehen, in der alle zum Betrieb des Gerä- tes notwendigen Parameter und Prozeduren abgespeichert sind. Auch ein die Regelklappe 10 ansteuerndes Regelungsmodul 15 für den Solldruck kann vorgesehen sein, vorzugsweise als PID-Regler ausgeführt.
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Die Steuereinrichtung 14 gibt einen Solldruck für das konditionierte Verbrennungsgas vor und ermittelt daraus allenfalls gleich selbst einen Stellwert für eine Stellgrösse der För- dereinrichtung für das Verbrennungsgas, hier beispielsweise eine Sollfrequenz für das Roots-
Gebläse 13. Diese Frequenz, welche auch in der Steuereinrichtung für das Gebläse 13 be- stimmt werden kann, wird im Frequenzumrichter 16 des Gebläses 13 entsprechend einer vom Gebläse 13 abhängigen Funktion in eine Drehzahl umgesetzt, welche über eine Rampe angefahren wird. Während des Durchfahrens der Rampe wird die aktuelle Ist-Frequenz er- mittelt und entweder im Regelmodul 15 oder einer separaten Recheneinrichtung 17 in einen momentanen Drucksollwert zurückgerechnet.
Dieser momentane Drucksollwert ist also ma- thematisch genau determiniert mit dem gewünschten Drucksollwert gekoppelt und entspricht nach vollständiger Einstellung des Gebläses 13 dem letzteren ganz genau.
Während des Durchfahrens der Rampe durch das Gebläse 13 allerdings wird dem
Druckregler 10,15 nicht schon der gewünschte Drucksollwert als Führungsgrösse aufgege- ben, sondern der jeweilige, rückgerechnete aktuelle Drucksollwert. Dieser aktuelle Druck- sollwert wird mit dem über einen Istdruck-Sensor 18 ermittelten Druck im Einlasstrakt der Verbrennungsmaschine 7, vorzugsweise hinter der Abzweigung 8 der Bypassleitung 9, vergli- chen und im Regelungsmodul 15 in eine Stellgrösse für die Regelklappe 10 umgesetzt.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, wo die Einstel- lung des Volumens- bzw. Massenstroms der Verbrennungsluft hinter der Verbrennungsma- schine 7 erfolgt.
Die Verbrennungsluft wird in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 mittels der Konditionieranlage 1 - 6 konditioniert und tritt wieder mit gegenüber dem Umge- bungsdruck wählbar veränderten Druck aus.
In der Steuereinrichtung 14, speziell einer darin integrierten oder damit verbundenen Vergleichseinheit (23), welche meist softwaremässig realisiert ist, wird aus dem gewünschten Solldruck und dem gemessenen Umgebungsdruck ein Wert für den Differenzdruck bestimmt, der zusammen mit einer bestimmten Stellung einer Strömungseinstellklappe 19 zwischen der Konditionieranlage 1 - 6 und der Verbrennungsmaschine 7 einen definierten, im wesentli- chen konstanten Volums- bzw. Massenstrom der Verbrennungsluft ergibt. Welche Stellung der Strömungseinstellklappe 19 zu einem bestimmten Wert des Differenzdrucks gehört, muss einmal für jede Anlage ermittelt werden und bleibt dann in der Steuereinrichtung 14 bzw. dem die Strömungseinstellklappe 19 ansprechenden Regelmodul 20 abgespeichert, vorzugs- weise als Kennlinie der Klappenstellung über dem Differenzdruck.
Der Istdruck-Sensor 18 liefert auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung einen Eingangswert für eine Druckregeleinrichtung, welche beispielhaft durch das Regelungsmodul
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15, das auch in die Steuereinrichtung 14 integriert sein kann, und eine Druckregelklappe 21 vor einem Gebläse 22 gebildet ist. Den zweiten Eingang, der die Führungsgrösse für die Re- gelung des Drucks darstellt, ist der gewünschte Sollwert des Drucks der konditionierten Verbrennungsluft, wie er auch für die Ermittlung des Differenzdrucks herangezogen wird.
Beide Werte werden wieder vorzugsweise einem PID-Regelmodul 15 zugeführt, welches die
Druckregelklappe 15 ansteuert.
Neben der in den Fig. 1 und 2 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen mit di- rekter Verbindung des Ansaugtraktes der Verbrennungsmaschine 7 mit der konditionierten Verbrennungsluft ist eine weitere Ausführungsform möglich, bei welcher der Ansaugtrakt des
Motors 7, oder auch der gesamte Motor 7, inkl. Luftfilter, Auspuffanlage, Ansaugleitung und Abgasleitung 11, in eine gegenüber der Umgebung abschliess- und abdichtbare Box gestellt ist, deren Innendruck und damit auch der Umgebungsdruck für die von der Box umschlosse- nen Teile, in der oben erläuterten Weise geregelt wird. Dabei entnimmt die Verbrennungs- maschine 7 ihre Ansaugluft direkt dieser Box, womit dann an der Saugstelle des Motors 7 kein Rohr angeschlossen werden muss, das in manchen Fällen das Verhalten des Ansaugtrak- tes störend beeinflusst.
Allfällige vorhandene Undichtheiten von Teilen des Ansaugtraktes, des Motors 7 oder anderer zum System der Verbrennungsmaschine 7 gehöriger Teile, oder Undichtheiten aufgrund von Beaufschlagung mit Druckdifferenzen, für welche diese Teile nicht ausgelegt sind, können bei dieser Vorrichtungsvariante sicher vermieden werden. De- ren nachteiliger Einfluss beispielsweise auf die Testergebnisse bei Prüfläufen in Prüfständen kann auf diese Weise wesentlich verringert bzw. ganz verhindert werden, unbrauchbare Testergebnisse sind weitestgehend vermeidbar.
Selbstverständlich sind anstelle einer einzelnen Box, welche einen oder alle der ge- nannten Teile umschliesst, auch Anordnungen möglich, bei welcher separat druckregelbare Gehäuse für einzelne Teile oder Gruppen davon vorgesehen sind. Auch einzelne Boxen für einzelne Teile oder Gruppen von Teilen des Systems der Verbrennungsmaschine 7, welche Boxen miteinander druckausgeglichen in Verbindung stehen, sowie Kombinationen von sol- chen Gehäuse-Anordnungen sind möglich.