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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
und Regeln einer Eingangsgröße, insbesondere
eines geforderten Ladedrucks oder einer Temperatur der Ladeluft,
einer mittels eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Die Erfindung findet bevorzugt bei Motorprüfständen oder Motortesteinrichtungen
Anwendung.
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Die
im Stand der Technik bekannten und heute verfügbaren Verdichter, Verdichteranordnungen
und zugehörigen
Regelungskonzepte eignen sich nicht für eine gezielte Aufladung von
Einzylinder-Brennkraftmaschinen, da einerseits jeder Verdichter
bei kleinen Luftmassenströmen
hinsichtlich der erzeugbaren Ladedrücke durch die Pumpgrenze des
Verdichters begrenzt ist, und die von Einzylinder-Brennkraftmaschinen
benötigen
Ladeluftmassenströme
zumeist nicht ausreichen, um ein Pumpen von heute verfügbaren Verdichtern
zu verhindern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zum Steuern und Regeln einer Eingangsgröße einer
mittels eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine anzugeben,
welche sich insbesondere zum Einsatz bei einer Einzylinder-Brennkraftmaschine eignen
und hierbei einen geforderten Ladedruck bzw. eine Temperatur der
Ladeluft schnell und zuverlässig regeln.
Dabei sollen insbesondere heute verfügbare Verdichter einsetzbar
sein.
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Die
Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und
12. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in den Figuren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern und Regeln einer Eingangsgröße einer mittels eines Verdichters
aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei in der Luftleitung von Verdichter
zur Brennkraftmaschine ein Bypass-Ventil angeordnet ist, umfasst
folgende Verfahrensschritte. Zunächst
erfolgt ein Vorsteuern der Eingangsgröße in Abhängigkeit von einem Sollwert
der Eingangsgröße mittels
einer Vorsteuerung, wobei die Vorsteuerung das Bypass-Ventil und
den Verdichter entsprechend steuert. Anschließend wird die Eingangsgröße mittels
eines Reglers in Abhängigkeit
eines Ist-Wertes der Eingangsgröße und eines
Sollwertes der Eingangsgröße geregelt,
wobei der Regler das Bypass-Ventil und/oder den Verdichter und/oder
einen Verdichterantrieb steuert.
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Die
Brennkraftmaschine ist bevorzugt eine Einzylinder-Brennkraftmaschine.
Das Verfahren ist jedoch auch problemlos bei Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen
anwendbar. Als Eingangsgröße wird
bevorzugt ein Druck der Ladeluft (Ladedruck) oder eine Temperatur
der Ladeluft gewählt.
Zur Ermittlung des Ist-Wertes der Eingangsgröße sind entsprechende Sensoren
vorhanden, bspw. sind zur Erfassung des Ist-Wertes des Ladedruckes
ein oder mehrere Drucksensoren, oder zur Erfassung der Ist-Temperatur
der Ladeluft ein oder mehrere Temperatursensoren im Ladeluftstrom
vorhanden.
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Die
Erfindung basiert zunächst
auf der Idee, den über
den Verdichter geführten
Gesamtluftmassenstrom so zu erhöhen,
dass in allen gewünschten Betriebszuständen der
Kombination aus Verdichter und Brennkraftmaschine im Verdichter
ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze des Verdichters vorherrscht,
so dass der Verdichter pumpfrei betrieben werden kann. Dies wird
dadurch erreicht, dass in der Verbindungsluftleitung zwischen Verdichter
und Brennkraftmaschine ein ansteuerbares Bypass-Ventil angeordnet
ist, mit dem eine vom Verdichter bereitgestellte, aber von der Brennkraftmaschine
nicht benötigte
Luftmenge abgeblasen werden kann. Der Verdichter wird dabei vorzugsweise
derart ausgewählt
und betrieben, dass er in jedem Betriebszustand der Kombination
aus Verdichter und Brennkraftmaschine einen größeren Luftmassenstrom bereitstellen
kann bzw. bereitstellt, als von der Brennkraftmaschine benötigt wird,
wobei dieser Luftmassenstrom einen pumpfreien Betrieb des Verdichters ermöglicht.
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Ausgehend
von einem bekannten Kennfeld des Verdichters setzt ein „pumpfreies” Anfahren
bzw. Bereitstellen einer bestimmten Eingangsgröße (bspw. eines gewünschten
Ladedrucks oder einer Temperatur der Ladeluft) eine entsprechende
Verdichterdrehzahl voraus. Zum Anfahren des Systems aus Verdichter,
Brennkraftmaschine und Bypass-Ventil erfolgt zunächst ein von dem gewünschten
Sollwert der Eingangsgröße (bspw.
einem Soll-Ladedruck oder einer Soll-Temperatur der Ladeluft) anhängiges Vorsteuern
des Bypass-Ventils sowie des Verdichters. Vorzugsweise erfolgt das
Vorsteuern des Verdichters durch eine entsprechende Steuerung der
Verdichterdrehzahl und/oder einer Steuerung einer Einstellung von
Leitschaufeln des Verdichters und/oder einer Steuerung einer Einstellung
eines Strömungsquerschnittes
des Verdichters und/oder einer Steuerung einer Drehzahl des Verdichterantriebs.
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Anschließend wird
die Eingangsgröße mittels
eines Reglers in Abhängigkeit
eines Ist-Wertes der Eingangsgröße und eines
Sollwertes der Eingangsgröße geregelt,
wobei der Regler das Bypass-Ventil (d. h. eine Einstellung des Bypass-Ventils)
und/oder den Verdichter und/oder einen Verdichterantrieb steuert.
Bevorzugt wirkt der Regler dabei hauptsächlich auf das Bypass-Ventil.
Im Hinblick auf den Verdichter steuert der Regler bevorzugt die
Verdichterdrehzahl und/oder eine Einstellung von Leitschaufeln und/oder
eine Einstellung eines Strömungsquerschnitts
des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichterantriebs. Das
Vorsteuern und das Regeln der Eingangsgröße erfolgt dabei auf Basis
eines bekannten Kennfeldes des Verdichters.
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Der
Regler ist bevorzugt als PI-Regler (Proportional-Integral-Regler)
ausgebildet. Weiterhin vorzugsweise wird der Verdichter von einem
steuer- bzw. regelbaren Antrieb, insbesondere einem Elektromotor,
angetrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Verdichter
mittels Riementriebs angetrieben, wobei der Regler einen Schlupf
im Riementrieb berücksichtigt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Steuern und Regeln einer Eingangsgröße, insbesondere eines Ladedrucks oder
einer Temperatur eines Ladeluftstroms, einer mittels eines Verdichters
aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei in der Luftleitung zwischen
Verdichter und Brennkraftmaschine ein Bypass-Ventil angeordnet ist.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vorsteuerung
zum Vorsteuern der Eingangsgröße in Abhängigkeit
von einem Sollwert der Eingangsgröße vorhanden ist, wobei mittels
der Vorsteuerung das Bypass-Ventil (d. h. eine Einstellung des Bypass-Ventils)
und der Verdichter steuerbar sind, und dass ein Regler zum Regeln
der Eingangsgröße in Abhängigkeit
eines Ist-Wertes der Eingangsgröße und eines
Sollwertes der Eingangsgröße vorhanden
ist, wobei mittels des Reglers das Bypass-Ventil und/oder der Verdichter
und/oder ein Verdichterantrieb steuerbar ist/sind. Vorzugsweise
ist die Brennkraftmaschine eine Einzylinder-Brennkraftmaschine.
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Die
Vorsteuerung ist vorzugsweise derart ausgelegt und eingerichtet,
dass mit ihr eine Verdichterdrehzahl und/oder eine Einstellung von
Leitschaufeln des Verdichters und/oder einen Strömungsquerschnitt des Verdichters
und/oder eine Drehzahl des Verdichterantriebs und/oder eine Einstellung
des Bypass-Ventils steuerbar ist/sind.
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Der
Regler ist bevorzugt derart ausgelegt und eingerichtet, dass mit
ihm die Einstellung des Bypass-Ventils und/oder die Verdichterdrehzahl und/oder
eine Einstellung von Leitschaufeln des Verdichters und/oder einen
Strömungsquerschnitt
des Verdichters und/oder eine Drehzahl des Verdichterantriebs steuerbar
ist/sind. Bevorzugt wirkt der Regler dabei hauptsächlich auf
das Bypass-Ventil. Weiterhin ist der Regler bevorzugt derart ausgelegt
und eingerichtet, dass er im Falle, dass der Verdichter durch den
Verdichterantrieb, insbesondere einen Elektromotor, mittels eines
Riemenantriebes angetrieben ist, bei der Steuerung des Verdichters,
insbesondere der Verdichterdrehzahl, sowie ggf. des Bypass-Ventils
ein Schlupf des Riemenantriebs berücksichtigt. Vorzugsweise wird
der Regler erst dann aktiv, wenn die Verdichterdrehzahl während des
Anlaufens einen vorgegebenen Grenzwert erreicht bzw. überschritten
hat. Hiermit wird bspw. ein zu frühes Schließen des Bypass-Ventils und
damit eine potentielle Pumpgefahr verhindert.
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Unter
dem Begriff „Vorsteuern” bzw. „Vorsteuerung” wird vorliegend
ein Vorgang in einem bzw. ein Element eines Regelkreises verstanden,
wobei eine Stellgröße mit einem
Wert beaufschlagt wird, der unabhängig von den Zuständen einer
Regelstrecke des Regelkreises und daraus resultierenden Messungen
ist. Die Vorsteuerung ermöglicht
somit die Berücksichtigung
des aufgrund einer Sollwertvorgabe zu erwartenden Stellgrößen-Bedarfs.
Da die Vorsteuerung eine Steuerung ist, wird das Führungsverhalten
des Regelkreises verbessert ohne die Stabilität des Regelkreises zu gefährden.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Prüfstand,
d. h. einen Motorenprüfstand, für eine mittels
eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere
eine Einzylinder-Brennkraftmaschine, der eine vorstehend beschriebene
Vorrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Eingangsgröße der Brennkraftmaschine aufweist.
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Schließlich betrifft
ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein Programmmittel zur Ausführung des
vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Steuern und Regeln einer
Eingangsgröße einer
mittels eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die
Figuren Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Gleiche, funktionsgleiche und/oder ähnliche Teile
sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 schematische
Anordnung eines Verdichters, einer Brennkraftmaschine und eines
Bypass-Ventils;
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2 Signalflussplan
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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3 schematische
Darstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand eines Verdichterkennfeldes.
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1 zeigt
als Ausführungsbeispiel
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einem Verdichter 104, einer Brennkraftmaschine 101,
vorliegend einer Einzylinder-Brennkraftmaschine, einem Bypass-Ventil 105 und
einer Einheit 108, die einen Regler 201 und eine
Vorsteuerung 203 umfasst. Die Anordnung dient als Motorprüfstand für mittels
des Verdichters 102 aufgeladene Einzylinder-Brennkraftmaschinen. Dabei
soll der zu prüfenden
Brennkraftmaschine Ladeluft mit vorgegebenen Ladedrucken schnell
und ausreichend präzise
zugeführt
werden.
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Eine
in den Verdichter 104 auf der linken Seite einströmende Luft
strömt
durch den Verdichter 104 in Pfeilrichtung. Sie wird dabei
im Verdichter 104 komprimiert und auf den gewünschten
Ladedruck gebracht. Aufgrund dieser Kompression ist die den Verdichter
verlassende Ladeluft entsprechend erwärmt. Der Verdichter 104 ist
mit der Brennkraftmaschine 101 über ein Verbindungsrohr 106 verbunden,
durch das die Ladeluft der Brennkraftmaschine 101 zugeführt wird.
Das Verbindungsrohr 106 weist ein Bypass-Ventil 105 auf,
das vorliegend als ansteuerbare Bypass-Klappe ausgeführt ist.
Der Verdichter 104 wird über einen Doppelriementrieb 103 von
einem Elektromotor 102 angetrieben. Die Eingangsgröße sei vorliegend
der Ladedruck. Zur Steuerung und Regelung der Eingangsgröße ist die
Einheit 108 mit dem Elektromotor 102, dem Bypass-Ventil 105 und
einem Drucksensor 107 verbunden.
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2 zeigt
einen schematisierten Signalflussplan eines erfindungsgemäßen Steuer-
und Regelkreises zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der dargestellte Regelkreis weist eine das Gesamtsystem aus Elektromotor 102,
Verdichter 104 und Bypass-Ventil repräsentierende Regelstrecke 202,
einen Regler 201 und eine Vorsteuerung 203 auf.
Die Führungsgröße 205 des
Regelkreises ist der Sollwert der Eingangsgröße, vorliegend also der Sollwert
des Ladedrucks.
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Beim
Anfahren des Gesamtsystems erfolgt zunächst eine Vorsteuerung der
Eingangsgröße, d. h.
vorliegend des Ladedruckes mittels der Vorsteuerung 203.
Hierzu wird der Vorsteuerung 203 der Sollwert 205 des
Ladedrucks zugeführt.
Die Vorsteuerung 203 steuert in Abhängigkeit des Sollwertes 205 entsprechend
des bekannten Kennfeldes des Verdichters 104 dessen Drehzahl über den
Elektromotor auf einen entsprechenden Wert. Weiterhin steuert die Vorsteuerung 203 in
Abhängigkeit
des Sollwertes 205 die Stellung des Bypass-Ventils entsprechend, so
dass ein vorgegebener Abstand, zur Pumpgrenze einen sicher pumpfreien
Betrieb des Verdichters ermöglicht. Über das
Bypass-Ventil 105 wird somit abhängig von dessen Stellung (Öffnung)
ein erster Luftmassenstrom abgeblasen. Die Drehzahl des Verdichters 104 sowie
die Stellung des Bypassventils 105 ergeben sich auf Basis
des Kennfeldes des Verdichters 104 und ggf. in Kenntnis
des erwarteten Schluckverhaltens der Brennkraftmaschine 101.
Die Regelung 201 ist in der Anlaufphase solange nicht aktiv,
solange die Verdichterdrehzahl einen vorgebbaren Grenzwert nicht
erreicht bzw. überschritten hat.
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Die
Brennkraftmaschine 101 ist die Störgröße 207 des Regelkreises,
indem sie einen unbekannten und zeitlich schwankenden zweiten Luftmassenstrom
vom Verdichter 104 abnimmt. Diese beiden Luftmassenströme ergeben
addiert den Gesamtluftmassenstrom, der durch den Verdichter 104 strömt. Dabei
kann anhand des bekannten Verdichterkennfelds die Auswirkung der
Störgröße 207 erkannt
werden. Der mit dem Drucksensor 107 erfasste Ist-Ladedruck 204 sinkt somit
infolge des vom Verbrennungsmotor benötigten zweiten Luftmassenstroms.
Der Ist-Ladedruck 204 ist die Regelgröße des Regelkreises. Die Störgröße 207 bewirkt
somit eine Veränderung
der Regelgröße 204,
die nicht gewünscht
ist und kompensiert werden muss. Hierzu wird die Regelgröße 204 zurückgeführt und
mit der Führungsgröße 205 verglichen.
Die Regeldifferenz 206 wird aus der Differenz zwischen
der Führungsgröße (Sollwert
des Ladedrucks) 205 und der Regelgröße ermittelt und dem Regler 201 zugeführt. Der
Regler 201 ermittelt daraus einen Stellwert 208,
der wiederum auf die Regelstrecke 202 einwirkt.
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Zusätzlich zur
Vorsteuerung der Bypassklappe 105 ist also auch eine Regelung
der Bypassklappe 105 realisiert, die vorzugsweise als PI-Regler
die das Bypass-Ventil
bzw. die Bypassklappe 105 nachregelt, so dass der Sollwert 205 des.
Ladedrucks einregelt wird.
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3 zeigt
eine schematische. Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand
eines Kennfeldes des Verdichters 104. In dem dargestellten
Kennfeld ist entlang der x-Achse der (Gesamt-)Luftmassenstrom des
Verdichters in [kg/s] und entlang der y-Achse das Druckverhältnis [p2/p2]
aufgetragen. Im Kennfeld sind Motorschlucklinien 301 der
Brennkraftmaschine 101, die Pumpgrenze 203 des
Verdichters 104, Linien 303, die den Druckverhältnisverlauf
bei konstanter Verdichterdrehzahl angeben, sowie Linien 306,
die eine Vorsteuerung, d. h. eine Stellung des Bypass-Ventils 105 angeben,
eingetragen. Um einen gewünschten
Ladedruck, d. h. vorliegend ein Druckverhältnis von 2.0 zu erreichen,
wird von der Vorsteuerung 203 die Drehzahl des Verdichters 104 auf
eine notwendige Drehzahl gesteuert, die der Linie 308 entspricht.
Weiterhin wird von der Vorsteuerung 203 das Bypass-Ventil 105 soweit
geöffnet,
dass der durch den Verdichter strömende Gesamtluftmassenstrom 307 deutlich rechts
von der für
dieses Druckverhältnis
geltenden Pumpgrenze 302 liegt. Durch die zu testende Einzylinder-Brennkraftmaschine 101 wird
nun zusätzlich ein
unbekannter Luftmassenstrom vom Verdichter 104 abgenommen,
dessen Auswirkungen im Kennfeld durch den Pfeil 304 angedeutet
sind. Dabei erhöht
sich der (Gesamt-)Luftmassenstrom durch den Verdichter 104,
gleichzeitig sinkt das Druckverhältnis (der
Ladedruck) ab. Das Absinken des Ladedrucks wird vom Drucksensor 107 erfasst
und als aktuelle Regelgröße 204 dem
Regler 201 zugeführt,
der das Bypass-Ventil 105 nun mit einem neuen Stellwert 208 ansteuert.
Die Auswirkungen dieser Regelung sind im Kennfeld durch den Pfeil 305 dargestellt.
Er zeigt an, dass nach diesem Regelungseingriff das Druckverhältnis wieder
bei 2.0 liegt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird eine Steuerung und Regelung einer Eingangsgröße einer
mittels eines Verdichters aufgeladenen Brennkraftmaschine realisiert,
welche sich insbesondere zum Einsatz bei einer Einzylinder-Brennkraftmaschine
eignet und hierbei einen geforderten Ladedruck bzw. eine Temperatur
der Ladeluft schnell und zuverlässig
regelt. Zudem sind hierfür
heute verfügbare
Verdichter einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Brennkraftmaschine
- 102
- Verdichter
- 103
- Doppelriemenantrieb
- 104
- Elektromotor
- 105
- Bypass-Ventil
- 106
- Luftleitung,
Verbindungsrohr
- 107
- Drucksensor
- 108
- Einheit
- 201
- Regler
- 202
- Regelstrecke
- 203
- Vorsteuerung
- 204
- Ist-Ladedruck
- 205
- Führungsgröße
- 206
- Regeldifferenz
- 207
- Störgröße
- 208
- Stellwert
- 301
- Motorschlucklinien
- 302
- Pumpgrenze
- 303
- Druckverhältnisverlauf
bei konstanter Verdichterdrehzahl
- 304
- Auswirkung
eines unbekannten Luftmassenstroms vom Verdichter im Kennfeld
- 305
- Auswirkung
der Regelung des Bypass-Ventils im Kennfeld
- 306
- Linien
im Kennfeld, die eine konstante Vorsteuerung des Bypass-Ventils
angeben
- 307
- Gesamtluftmassenluftstrom
- 308
- Druckverhältnisverlauf
bei konstanter Verdichterdrehzahl
