DE102011011822A1

DE102011011822A1 - Method for controlling temperature of charged air in air cooler of internal combustion engine of motor vehicle, involves setting thermal output of fluid as function of required thermal power flow between sides of heat exchanger

Info

Publication number: DE102011011822A1
Application number: DE102011011822A
Authority: DE
Inventors: Hans-Heinrich Schmidt; Norbert Ramm
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2011-02-19
Publication date: 2012-07-05

Abstract

The method involves determining nominal thermal power of fluid at an output of a side (13) of a heat exchanger (8) based on predetermined target temperature (T2). Required thermal power flow between the side and another side (14) of the heat exchanger is determined as a function of the thermal input power and the thermal target power of the fluid. Thermal output of another fluid (16) is set as a function of the required thermal power flow between the sides of the heat exchanger. Independent claims are also included for the following: (1) a device for controlling temperature of charged air in a charge air cooler of a supercharged internal combustion engine of a motor vehicle (2) a test stand for a combustion engine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperieren eines strömenden Fluids auf eine vorgegebene Solltemperatur, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperieren von Ladeluft mithilfe eines Ladeluftkühlers eines mit einem Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand für den Verbrennungsmotor.The present invention relates to a method and a device for controlling the temperature of a flowing fluid to a predetermined setpoint temperature, in particular a method and a device for controlling charge air by means of a charge air cooler of a supercharged with a turbocharger engine on a test bench for the internal combustion engine.

Um das Verhalten eines Motors, beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, zu simulieren und zu untersuchen, werden so genannte Prüfstände eingesetzt. In dem Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang aus der WO 2008/152010 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation einer Entwicklungsanlage für einen Prüfstand bekannt. Um eine Entwicklungsanlage einer komplexen Entwicklungsumgebung, wie z. B. einer Prüfstandsumgebung für Motoren-, Antriebsstrang-, Getriebe-, Fahrzeugkomponenten- oder Fahrzeugentwicklung, mit Automatisierungseinrichtungen und Entwicklungswerkzeugen durchgängig und reproduzierbar simulieren zu können, wird beispielsweise vorgeschlagen, dass in der Simulationseinrichtung Entwicklungsdaten erzeugende Gerätemodelle laufen, wobei die Gerätemodelle zumindest teilweise Simulationsdaten aus dem Prüfmodell verarbeiten und eine Anzahl von realen Entwicklungswerkzeugen über eine reale Schnittstelle mit der Automatisierungseinrichtung und/oder der Simulationseinrichtung verbunden werden und die Entwicklungswerkzeuge die Entwicklungsdaten verarbeiten. Weiterhin ist beispielsweise aus der EP 1 217 477 A2 ein Verfahren zur Parametrierung eines Prüfstandes bzw. Prüffeldes bekannt, bei welchem im zeitlichen, Weg- und Lastspiel-geführten Prüfverlauf abwechselnd Stufen verwendet werden, welche im Prinzip frei wählbare Untermengen aus der Gesamtheit der Sollwert- und Messkanäle aktivieren, und bei welchen die momentan aktivierten Sollwerte, Parameter und Aktionen von Sensoren und/oder Regelvorrichtungen zur Kontrolle und Überwachung des Prüflaufes angezeigt und nach Bestätigung durch den Benutzer in Steuersignale an den Prüfstand umgewandelt werden. Weiterhin ist beispielsweise aus der DE 32 27 319 A1 ein Prüfstand zur Einstellung von Gemischbildnern bekannt, die Luft-Brennstoff-Gemisch führende Einspritzleitungen aufweisen. Die in diesen Einspritzleitungen geführte Luft soll zusammen mit der im Ansaugkanal des Gemischbildners geführten Luft stromab des Gemischbildners gemessen werden, ohne dass die von dem Prüfstand zur Atmosphäre abgegebene Luft wesentliche Brennstoffanteile enthält. Dazu münden die Einspritzleitungen in eine zwischen Gemischbildner und Luftmengenmesser einmündende Sammelleitung, die mittels eines steuerbaren Durchtritts auf Atmosphärendruck gehalten wird, und der Brennstoff wird im Bereich der Sammelleitung in Separatoren abgeschieden.In order to simulate and investigate the behavior of an engine, for example an internal combustion engine of a motor vehicle, so-called test benches are used. In the prior art are in this context from the WO 2008/152010 A1 an apparatus and a method for simulating a development facility for a test stand known. To a development system of a complex development environment, such. As a test bed environment for engine, powertrain, transmission, Fahrzeugkomponenten- or vehicle development to simulate consistently and reproducibly with automation equipment and development tools is proposed, for example, that run in the simulation device development data generating device models, the device models at least partially simulation data process the test model and a number of real development tools are connected via a real interface with the automation device and / or the simulation device and the development tools process the development data. Furthermore, for example, from the EP 1 217 477 A2 a method for the parameterization of a test bed or test field known in which in the time, distance and load cycle-led test course alternately stages are used, which activate in principle freely selectable subsets of the set of reference and measurement channels, and in which the currently activated Setpoints, parameters and actions of sensors and / or control devices for monitoring and monitoring of the test run are displayed and converted to control signals after confirmation by the user to the test bench. Furthermore, for example, from the DE 32 27 319 A1 a test stand for adjusting Gemischbildnern known having air-fuel mixture leading injection lines. The guided in this injection lines air is to be measured together with the guided in the intake of the Gemischbildners air downstream of the Gemischbildners, without that the air emitted from the test bed to the atmosphere contains significant amounts of fuel. For this purpose, the injection lines lead into a collecting line which merges between the mixture former and the air flow meter, which is held at atmospheric pressure by means of a controllable passage, and the fuel is separated in separators in the region of the collecting line.

Prüfstände können insbesondere verwendet werden, um das Verhalten eines Verbrennungsmotors unter verschiedenen Last- und Betriebsbedingungen zu simulieren. Dabei ist eine genaue Kenntnis bzw. Einstellung von Parametern des Motors, beispielsweise einer Temperatur einer Verbrennungsluftzufuhr des Motors, von großer Wichtigkeit, um den Motor in dem gewünschten Betriebszustand betreiben zu können. Die Einstellung der Temperatur der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft ist jedoch bei Verbrennungsmotoren mit einem Turbolader nicht trivial, da die vom Turbolader verdichtete Luft durch die Verdichtung erwärmt wird. Da erwärmte Luft ein größeres Volumen als kalte Luft einnimmt, wird üblicherweise zwischen dem Turbolader und dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors ein Ladeluftkühler angeordnet, um die Luft abzukühlen, sodass das Volumen verringert wird und somit gewissermaßen mehr Luft in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors passt. Dadurch kann eine größere Motorleistung erreicht werden. Die Erhöhung der Temperatur der zugeführten Verbrennungsluft kann nicht nur durch die Druckerhöhung in dem Turbolader, sondern auch durch rückgeführtes Abgas erfolgen. Um einen Motorprüfstand möglichst effektiv nutzen zu können, ist eine schnelle und genaue Einstellung der dem Motor zugeführten Verbrennungsluft, der so genannten Ladeluft, wünschenswert. Reaktionszeiten von weniger als fünf Sekunden sind wünschenswert.In particular, test benches can be used to simulate the behavior of an internal combustion engine under various load and operating conditions. In this case, a precise knowledge or adjustment of parameters of the engine, such as a temperature of a combustion air supply to the engine, of great importance to operate the engine in the desired operating condition can. However, the adjustment of the temperature of the combustion air supplied to the engine is not trivial in turbocharged internal combustion engines because the air compressed by the turbocharger is heated by the compression. Since heated air occupies a larger volume than cold air, a charge air cooler is usually arranged between the turbocharger and the cylinder head of the internal combustion engine to cool the air, so that the volume is reduced and thus more or less more air fits into the combustion chamber of the internal combustion engine. This allows greater engine power to be achieved. The increase in the temperature of the supplied combustion air can be done not only by the pressure increase in the turbocharger, but also by recirculated exhaust gas. In order to use an engine dynamometer as effectively as possible, a quick and accurate adjustment of the combustion air supplied to the engine, the so-called charge air, is desirable. Response times of less than five seconds are desirable.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Temperatur der Ladeluft auch bei wechselnden Betriebszuständen des Verbrennungsmotors möglichst schnell und genau auf eine gewünschte Solltemperatur einzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a way to adjust the temperature of the charge air as quickly and accurately as possible to a desired setpoint temperature even with changing operating conditions of the internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zum Temperieren eines strömenden ersten Fluids auf eine vorgegebene Solltemperatur nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zum Temperieren eines strömenden ersten Fluids auf eine vorgegebene Solltemperatur nach Anspruch 11 und einen Prüfstand für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.This object is achieved according to the present invention by a method for controlling a temperature of a flowing first fluid to a predetermined target temperature according to claim 1, a device for controlling a flowing first fluid to a predetermined target temperature according to claim 11 and a test bench for an internal combustion engine according to claim 13. The dependent claims define preferred and advantageous embodiments of the invention.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Temperieren eines strömenden ersten Fluids auf eine vorgegebene Solltemperatur bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird das erste Fluid durch eine erste Seite eines Wärmetauschers geleitet und ein zweites Fluid durch eine zweite Seite eines Wärmetauschers geleitet. Der Wärmetauscher ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid. Weiterhin wird eine Eingangstemperatur des ersten Fluids am Eingang der ersten Seite des Wärmetauschers erfasst und in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur eine thermische Eingangsleistung des ersten Fluids bestimmt. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Solltemperatur für das erste Fluid wird eine thermische Sollleistung des ersten Fluids am Ausgang der ersten Seite des Wärmetauschers bestimmt. Aus der thermischen Eingangsleistung des ersten Fluids und der thermischen Sollleistung des ersten Fluids wird ein erforderlicher thermischer Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Wärmetauschers bestimmt und in Abhängigkeit von dem erforderlichen thermischen Leistungsfluss eine thermische Leistung des zweiten Fluids eingestellt. Indem aus der thermischen Sollleistung des ersten Fluids am Ausgang des Wärmetauschers und der thermischen Eingangsleistung des ersten Fluids am Eingang des Wärmetauschers die Heiz- bzw. Kühlleistung bestimmt wird, welche benötigt wird, um das erste Fluid auf die vorgegebene Solltemperatur zu bringen, kann der Leistungsfluss des zweiten Fluids entsprechend eingestellt werden und somit eine Vorsteuerung realisiert werden, welche die Temperatur des ersten Fluids zuverlässig und schnell einstellt.According to the present invention, there is provided a method of controlling a flowing first fluid to a predetermined setpoint temperature. In the method, the first fluid is directed through a first side of a heat exchanger and a second fluid is directed through a second side of a heat exchanger. The heat exchanger allows heat exchange between the first fluid and the second fluid. Furthermore, an inlet temperature of the first fluid is detected at the entrance of the first side of the heat exchanger and determines a function of the input temperature, a thermal input of the first fluid. In dependence on the predetermined setpoint temperature for the first fluid, a desired thermal power of the first fluid is determined at the outlet of the first side of the heat exchanger. From the thermal input power of the first fluid and the thermal target power of the first fluid, a required thermal power flow between the first side and the second side of the heat exchanger is determined, and a thermal power of the second fluid is adjusted depending on the required thermal power flow. By determining the heating or cooling power, which is required to bring the first fluid to the predetermined setpoint temperature, from the desired thermal power of the first fluid at the outlet of the heat exchanger and the thermal input power of the first fluid at the inlet of the heat exchanger, the power flow be set according to the second fluid and thus a pilot control can be realized, which adjusts the temperature of the first fluid reliably and quickly.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Massenstrom des ersten Fluids durch den Wärmetauscher erfasst und die thermische Eingangsleistung des ersten Fluids in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur und dem Massenstrom bestimmt. Ebenso wird die thermische Sollleistung des ersten Fluids am Ausgang des Wärmetauschers aus der vorgegebenen Solltemperatur und dem Massenstrom bestimmt. Alternativ kann beispielsweise auch ein Volumenstrom erfasst werden, und aus dem Volumenstrom die thermische Eingangsleistung bzw. die thermische Sollleistung des ersten Fluids bestimmt werden. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Ladeluftkühler eines mit einem Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors sein und das erste Fluid dementsprechend die Ladeluft für den Verbrennungsmotor umfassen. Die Ladeluft wird von dem Turbolader verdichtet und durch den Ladeluftkühler in einen Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors geleitet. Ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms eines mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotors ist beispielsweise aus der DE 10 2007 030 233 A1 bekannt. Indem die thermische Eingangsleistung und die thermische Sollleistung des ersten Fluids, d. h. der Ladeluft, zusätzlich in Abhängigkeit von dem Massenstrom bestimmt wird, kann das Verfahren sehr schnell auf Zustands- oder Laständerungen des Verbrennungsmotors, wie z. B. eine veränderte Drehzahl oder einen veränderten Ladedruck, reagieren und trotzdem die Ladeluft auf der vorgegebenen Solltemperatur halten.According to one embodiment, a mass flow of the first fluid is detected by the heat exchanger and determines the thermal input power of the first fluid as a function of the input temperature and the mass flow. Likewise, the thermal target power of the first fluid at the outlet of the heat exchanger from the predetermined set temperature and the mass flow is determined. Alternatively, for example, a volumetric flow can also be detected, and from the volumetric flow the thermal input power or the desired thermal power of the first fluid can be determined. The heat exchanger may be, for example, a charge air cooler of a charged with a turbocharger internal combustion engine and the first fluid accordingly include the charge air for the internal combustion engine. The charge air is compressed by the turbocharger and passed through the intercooler into a combustion chamber of the internal combustion engine. A corresponding method for determining an air mass flow of an equipped with an exhaust gas turbocharger internal combustion engine is for example from DE 10 2007 030 233 A1 known. By the thermal input power and the thermal target power of the first fluid, that is, the charge air, additionally determined in dependence on the mass flow, the method can very quickly on state or load changes of the internal combustion engine, such. As a change in speed or a changed boost pressure, react and still hold the charge air to the specified set temperature.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Verbrennungsmotor auf einem Prüfstand betrieben und das zweite Fluid wird durch die zweite Seite des Wärmetauschers mit einem konstanten Druck und einem konstanten Massenstrom geleitet. Zum Einstellen der thermischen Leistung des zweiten Fluids wird eine Temperatur des zweiten Fluids eingestellt. Das zweite Fluid kann zirkulierend durch die zweite Seite des Wärmetauschers geleitet werden und die thermische Leistung des zweiten Fluids kann eingestellt werden, indem das zweite Fluid zumindest teilweise durch ein drittes Fluid ersetzt wird. Das dritte Fluid weist vorzugsweise beim Ersetzen eine im Wesentlichen konstante Temperatur auf. Durch den konstanten Druck und den konstanten Massenstrom des zweiten Fluids arbeitet der Wärmetauscher hydraulisch und thermisch bei konstanten Kennzahlen, d. h. der erforderliche thermische Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Wärmetauschers kann durch Einstellen der Temperatur des zweiten Fluids verhältnismäßig einfach eingestellt werden. Das Einstellen der Temperatur des zweiten Fluids kann durch gesteuertes Zuführen des dritten Fluids, welches eine im Wesentlichen konstante Temperatur aufweist, eingestellt werden. Dabei wird ein Teil des zweiten Fluids durch das dritte Fluid ersetzt.According to another embodiment, the internal combustion engine is operated on a test bench and the second fluid is passed through the second side of the heat exchanger at a constant pressure and a constant mass flow. For adjusting the thermal performance of the second fluid, a temperature of the second fluid is adjusted. The second fluid may be circulated through the second side of the heat exchanger and the thermal performance of the second fluid adjusted by at least partially replacing the second fluid with a third fluid. The third fluid preferably has a substantially constant temperature upon replacement. Due to the constant pressure and the constant mass flow of the second fluid, the heat exchanger operates hydraulically and thermally at constant ratios, ie. H. the required thermal power flow between the first side and the second side of the heat exchanger can be set relatively easily by adjusting the temperature of the second fluid. Adjusting the temperature of the second fluid may be adjusted by controlled delivery of the third fluid having a substantially constant temperature. In this case, a part of the second fluid is replaced by the third fluid.

Um die im Wesentlichen konstante Temperatur des dritten Fluids zu erreichen, kann das dritte Fluid durch einen weiteren Wärmetauscher geleitet werden, welcher beispielsweise in einem Hallenboden einer Halle angeordnet ist, in welcher der Prüfstand untergebracht ist. Die Wärmekapazität dieses sogenannten Hallenwärmetauschers wird durch die gesamte Kühl-/Heizleistung der Halle bestimmt wird und ist somit so groß, dass die Temperatur des dritten Fluids während des Prüfzeitraums im Wesentlichen konstant bleibt. Durch den konstanten Druck und den konstanten Massenstrom bleibt ein ggf. nichtlineares Übertragungsverhalten des Wärmetauschers ohne Einfluss auf die Einstellung.In order to achieve the substantially constant temperature of the third fluid, the third fluid can be passed through a further heat exchanger, which is arranged for example in a hall floor of a hall in which the test stand is housed. The heat capacity of this so-called hall heat exchanger is determined by the total cooling / heating capacity of the hall and is thus so large that the temperature of the third fluid remains substantially constant during the test period. Due to the constant pressure and the constant mass flow, a possibly non-linear transmission behavior of the heat exchanger does not influence the setting.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das zweite Fluid zirkulierend durch die zweite Seite des Wärmetauschers geleitet und die thermische Leistung des zweiten Fluids durch ein zumindest teilweises Ersetzen des zweiten Fluids durch ein viertes Fluid erreicht. Das vierte Fluid wird mit einer Abwärme des Verbrennungsmotors auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten. Da die Temperatur des dritten Fluids von dem Hallenbodenwärmetauscher üblicherweise geringer als die Temperatur des ersten Fluids, das heißt der komprimierten Ladeluft, ist, kann das erste Fluid in dieser Anordnung mithilfe des zweiten Fluids und des dritten Fluids gekühlt werden. Diese Situation ist jedoch nur geeignet, wenn die Solltemperatur des ersten Fluids geringer als die Eingangstemperatur des ersten Fluids am Eingang der ersten Seite des Wärmetauschers ist. Soll das erste Fluid hingegen mithilfe des Wärmetauschers erwärmt werden, d. h., die Solltemperatur ist höher als die Eingangstemperatur, so kann das zweite Fluid durch teilweises Ersetzen mit dem vierten Fluid erwärmt werden. Indem das vierte Fluid mit einer Abwärme des Verbrennungsmotors auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, kann das Verfahren kostengünstig ohne zusätzliche Wärme- oder Energiezufuhr durchgeführt werden.In another embodiment, the second fluid is circulated through the second side of the heat exchanger and the thermal performance of the second fluid is achieved by at least partially replacing the second fluid with a fourth fluid. The fourth fluid is maintained at a substantially constant temperature with waste heat of the internal combustion engine. Since the temperature of the third fluid from the hall floor heat exchanger is usually less than the temperature of the first fluid, that is, the compressed charge air, the first fluid in this arrangement may be cooled by the second fluid and the third fluid. However, this situation is only suitable if the desired temperature of the first fluid is lower than the inlet temperature of the first fluid at the inlet of the first side of the heat exchanger is. On the other hand, if the first fluid is to be heated by means of the heat exchanger, ie, the setpoint temperature is higher than the inlet temperature, then the second fluid can be heated by partial replacement with the fourth fluid. By keeping the fourth fluid at a substantially constant temperature with waste heat from the internal combustion engine, the process can be performed inexpensively without additional heat or energy input.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zum Temperieren eines strömenden ersten Fluids auf eine vorgegebene Solltemperatur bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Wärmetauscher, ein Temperaturerfassungsmittel, ein Einstellmittel und eine Steuervorrichtung. Der Wärmetauscher weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Die Vorrichtung ist eingerichtet, das erste Fluid zum Temperieren durch die erste Seite des Wärmetauschers zu leiten und ein zweites Fluid durch die zweite Seite des Wärmetauschers zu leiten. Der Wärmetauscher sorgt für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid. Das Temperaturerfassungsmittel ist zum Erfassen einer Eingangstemperatur des ersten Fluids am Eingang der ersten Seite des Wärmetauschers ausgestaltet. Mithilfe des Einstellmittels kann eine thermische Leistung des zweiten Fluids eingestellt werden. Die Steuervorrichtung ist ausgestaltet, eine thermische Eingangsleistung des ersten Fluids in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur zu bestimmen und eine thermische Sollleistung des ersten Fluids am Ausgang der ersten Seite des Wärmetauschers in Abhängigkeit von der vorgegebenen Solltemperatur zu bestimmen. Weiterhin ist die Steuervorrichtung ausgestaltet, einen erforderlichen thermischen Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite des Wärmetauschers in Abhängigkeit von der thermischen Eingangsleistung und der thermischen Sollleistung des ersten Fluids zu bestimmen. Schließlich ist die Steuervorrichtung ausgestaltet, eine thermische Leistung des zweiten Fluids in Abhängigkeit von dem bestimmten erforderlichen thermischen Leistungsfluss einzustellen. Die Vorrichtung kann zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen ausgestaltet sein und umfasst daher auch die zuvor beschriebenen Vorteile.According to the present invention, there is further provided an apparatus for controlling a flowing first fluid to a predetermined target temperature. The apparatus comprises a heat exchanger, a temperature detection means, an adjustment means and a control device. The heat exchanger has a first side and a second side. The apparatus is configured to direct the first fluid for tempering through the first side of the heat exchanger and to direct a second fluid through the second side of the heat exchanger. The heat exchanger provides heat exchange between the first fluid and the second fluid. The temperature detecting means is configured to detect an input temperature of the first fluid at the inlet of the first side of the heat exchanger. By means of the adjusting means, a thermal performance of the second fluid can be adjusted. The control device is configured to determine a thermal input power of the first fluid as a function of the input temperature and to determine a desired thermal power of the first fluid at the output of the first side of the heat exchanger in dependence on the predetermined target temperature. Furthermore, the control device is designed to determine a required thermal power flow between the first side and the second side of the heat exchanger as a function of the thermal input power and the thermal target power of the first fluid. Finally, the controller is configured to adjust a thermal performance of the second fluid in response to the particular thermal power flow required. The device may be configured to carry out the method described above or one of its embodiments, and therefore also comprises the advantages described above.

Schließlich wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Prüfstand für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, welcher die zuvor beschriebene Vorrichtung aufweist.Finally, according to the present invention, there is provided a test stand for an internal combustion engine having the above-described apparatus.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert werden.The present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.

Die einzige Figur zeigt schematisch einen Prüfstand für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.The single figure shows schematically a test bench for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

Die Figur zeigt einen Motorprüfstand 1 für ein Verbrennungsmotorsystem 2. Der Motorprüfstand 1 umfasst eine so genannte Palette 3, auf welcher das Verbrennungsmotorsystem 2 angeordnet ist. Über eine so genannte Kopfstation 4 ist der Prüfstand 1 mit Vorrichtungen des Prüfraums 5 gekoppelt. Das Verbrennungsmotorsystem 2 umfasst den eigentlichen Verbrennungsmotor 6 mit beispielsweise vier Zylindern, einen Abgasturbolader 7 und einen Wärmetauscher, einen so genannten Ladeluftkühler 8. Der Abgasturbolader 7 umfasst eine Turbine 9 und einen Verdichter 10, welche über eine gemeinsame Welle 11 miteinander gekoppelt sind. Die Turbine 9 wird mithilfe von Verbrennungsabgasen des Verbrennungsmotors 6 angetrieben. Der Verdichter 10 saugt Frischluft über einen Ansaugtrakt 12 an, verdichtet die Frischluft und leitet die verdichtete Frischluft als Ladeluft über eine erste Seite 13 des Ladeluftkühlers 8 zum Verbrennungsmotor 6. Durch eine zweite Seite 14 des Ladeluftkühlers 8 zirkuliert mithilfe einer Zirkulationspumpe 15 eine erste Flüssigkeit 16. Der Ladeluftkühler 8 sorgt für einen Wärmeaustausch zwischen der Ladeluft in der ersten Seite 13 und der ersten Flüssigkeit 16 in der zweiten Seite 14. Über ein Kondensatventil 17 kann ein an dem Ladeluftkühler 8 auftretendes Kondensat aus der Ladeluft entsorgt werden.The figure shows a motor test bench 1 for an internal combustion engine system 2 , The engine test bench 1 includes a so-called pallet 3 on which the engine system 2 is arranged. About a so-called headend 4 is the test bench 1 with devices of the test room 5 coupled. The internal combustion engine system 2 includes the actual internal combustion engine 6 with, for example, four cylinders, an exhaust gas turbocharger 7 and a heat exchanger, a so-called intercooler 8th , The turbocharger 7 includes a turbine 9 and a compressor 10 , which have a common wave 11 coupled together. The turbine 9 is by means of combustion exhaust gases of the internal combustion engine 6 driven. The compressor 10 sucks fresh air through an intake tract 12 on, compresses the fresh air and directs the compressed fresh air as a charge air on a first page 13 of the intercooler 8th to the internal combustion engine 6 , Through a second page 14 of the intercooler 8th circulates using a circulation pump 15 a first liquid 16 , The intercooler 8th ensures a heat exchange between the charge air in the first page 13 and the first liquid 16 in the second page 14 , Via a condensate valve 17 can one on the intercooler 8th occurring condensate are disposed of the charge air.

Im Prüfraum 5, beispielsweise einer Prüfhalle, ist beispielsweise ein Doppelboden vorgesehen, in welchem eine weitere Flüssigkeit zirkuliert, welche über einen Vorlauf 18 und einen Rücklauf 19 durch eine erste Seite 20 eines Hallenbodenwärmetauschers 21 geleitet wird. Eine zweite Seite 22 des Hallenbodenwärmetauschers 21 ist über eine Zirkulationspumpe 23 kurzgeschlossen, sodass eine zweite Flüssigkeit 24 durch die zweite Seite 22 des Hallenbodenwärmetauschers 21 und die Zirkulationspumpe 23 zirkuliert.In the test room 5 For example, a test hall, a double bottom is provided, for example, in which circulates a further liquid, which via a flow 18 and a return 19 through a first page 20 a hall floor heat exchanger 21 is directed. A second page 22 of the hall floor heat exchanger 21 is via a circulation pump 23 shorted, leaving a second fluid 24 through the second page 22 of the hall floor heat exchanger 21 and the circulation pump 23 circulated.

Eine Dosierpumpe 26 in der Kopfstation 4 stellt eine Verbindung zwischen der ersten zirkulierenden Flüssigkeit 16 und der zweiten zirkulierenden Flüssigkeit 24 her, und ist in der Lage, einen Teil der zirkulierenden Flüssigkeit 24 in den Kreislauf der zirkulierenden Flüssigkeit 16 zu pumpen. Mithilfe eines Druckhalteventils 27 in der Kopfstation 4 wird ein entsprechender Teil der ersten Flüssigkeit 16 in den Kreislauf der zirkulierenden Flüssigkeit 24 zurückgedrängt. Somit kann mithilfe der Dosierpumpe 26 die erste Flüssigkeit 16 zumindest teilweise durch die zweite Flüssigkeit 24 ersetzt werden.A dosing pump 26 in the headend 4 makes a connection between the first circulating liquid 16 and the second circulating liquid 24 ago, and is able to part of the circulating fluid 24 into the circulation of the circulating fluid 16 to pump. Using a pressure relief valve 27 in the headend 4 becomes a corresponding part of the first liquid 16 into the circulation of the circulating fluid 24 pushed back. Thus, using the dosing pump 26 the first liquid 16 at least partially through the second liquid 24 be replaced.

Ein weiterer Wärmetauscher 28 ist mit seiner ersten Seite 29 mit dem Verbrennungsmotor 6 gekoppelt. Durch eine zweite Seite 30 des weiteren Wärmetauschers 28 zirkuliert mithilfe einer Zirkulationspumpe 31 eine dritte Flüssigkeit 32. Mithilfe einer Dosierpumpe 33 kann zumindest ein Anteil der dritten Flüssigkeit 32 in den Kreislauf der ersten Flüssigkeit 16 durch den Ladeluftkühler 8 gepumpt werden. Über das Druckhalteventil 27 wird ein entsprechender Anteil der ersten Flüssigkeit 16 in den Kreislauf durch die Zirkulationspumpe 31 und den weiteren Wärmetauscher 28 zurückgeführt. Somit kann mithilfe der Dosierpumpe 33 ein Teil der ersten Flüssigkeit 16 durch einen Teil der dritten Flüssigkeit 32 ersetzt werden.Another heat exchanger 28 is with his first page 29 with the internal combustion engine 6 coupled. Through a second page 30 Furthermore heat exchanger 28 circulates using a circulation pump 31 a third liquid 32 , With the help of a dosing pump 33 may be at least a portion of the third fluid 32 into the circulation of the first fluid 16 through the intercooler 8th be pumped. About the pressure maintenance valve 27 becomes a corresponding proportion of the first liquid 16 into the circulation through the circulation pump 31 and the other heat exchanger 28 recycled. Thus, using the dosing pump 33 a part of the first liquid 16 through part of the third fluid 32 be replaced.

Die Funktionsweise des zuvor beschriebenen Systems wird nachfolgend im Detail beschrieben werden. Dazu wird das System in drei funktionelle Gruppen unterteilt: Eine Gruppe umfasst den Prüfraum bzw. Doppelboden 5 mit dem Wärmetauscher 21 und der Zirkulationspumpe 23, eine weitere Gruppe umfasst die Kopfstation 4 mit den Dosierpumpen 26 und 33, und die dritte Gruppe umfasst die Palette 3 mit dem Verbrennungsmotorsystem 2 und der Zirkulationspumpe 15.The operation of the system described above will be described in detail below. For this purpose, the system is divided into three functional groups: One group comprises the test room or raised floor 5 with the heat exchanger 21 and the circulation pump 23 , another group includes the head station 4 with the dosing pumps 26 and 33 , and the third group includes the palette 3 with the internal combustion engine system 2 and the circulation pump 15 ,

Der Wärmetauscher 21 im Doppelboden 5 wird auf der Sekundärseite 22 über die Zirkulationspumpe 23 kurzgeschlossen. Durch die Zirkulationspumpe 23 wird in diesem Kreis ein konstanter Volumenstrom der Flüssigkeit 24 umgewälzt. In diesem Betriebszustand arbeitet der Wärmetauscher 21 hydraulisch und thermisch bei konstanten Kennzahlen. Entsprechend einer Sollvorgabe für die Hallenregelung auf der Primärseite 21 stellt sich eine stabile Kreislauftemperatur T1 der Flüssigkeit 24 ein.The heat exchanger 21 in the raised floor 5 will be on the secondary side 22 via the circulation pump 23 shorted. Through the circulation pump 23 In this circle, a constant volume flow of the liquid 24 circulated. In this operating state, the heat exchanger works 21 hydraulically and thermally at constant ratios. According to a target specification for hall control on the primary side 21 a stable circulation temperature T1 of the liquid is established 24 one.

Eine vergleichbare Vorgehensweise wird am Ladeluftkühler 8 verwendet. Dabei kann es sich um eine integrierte oder externe Variante des Ladeluftkühlers 8 handeln. Unter einer integrierten Variante des Ladeluftkühlers 8 wird ein Ladeluftkühler verstanden, welcher in einer Ansaugluftführung integriert ist, wohingegen bei der externen Variante der Ladeluftkühler eine eigene Einheit darstellt. Die Zirkulationspumpe 15 ist eine drehzahlveränderliche Pumpe, welche auf eine gewünschte konstante Drehzahl eingestellt werden kann. Vergleichbar wie bei dem Hallenbodenwärmetauscher 21 wird auch der Ladeluftkühler 8 auf der Wasserseite 14 mit konstanten hydraulischen und thermischen Kennzahlen betrieben. Dadurch bleibt das nichtlineare Übertragungsverhalten eines Wärmetauschers ohne Einfluss auf die Temperatureinstellung.A similar procedure is the intercooler 8th used. This may be an integrated or external variant of the intercooler 8th act. Under an integrated version of the intercooler 8th is understood as a charge air cooler, which is integrated in an intake air, whereas in the external variant of the intercooler is a separate unit. The circulation pump 15 is a variable speed pump, which can be adjusted to a desired constant speed. Similar to the hall floor heat exchanger 21 is also the intercooler 8th on the water side 14 operated with constant hydraulic and thermal characteristics. As a result, the non-linear transmission behavior of a heat exchanger does not influence the temperature setting.

Eine Einstellung der Ladelufttemperatur T2 am Ausgang der Seite 13 des Ladeluftkühlers 8 erfolgt über eine Wassereintrittstemperatur T3 der Flüssigkeit 16 in den Ladeluftkühler 8. Eine Einstellung der Wassereintrittstemperatur T3 erfolgt durch eine Leistungsbilanz auf der Ladeluftseite 13 des Ladeluftkühlers 8. Ein gemessener oder über ein Modell bestimmter Massenstrom der Ladeluft ergibt zusammen mit einer Eintrittstemperatur T4 der Ladeluft von dem Verdichter 10 in den Ladeluftkühler 8 eine Leistung, welche dem Ladeluftkühler 8 auf der Luftseite 13 zugeführt wird. Eine Differenz zwischen der zugeführten thermischen Leistung und der durch die Solltemperatur T2 vorgegebenen Sollleistung des Ladeluftstroms am Ausgang der Seite 13 ergibt die abzuführende Kühlleistung oder hinzuzufügende Heizleistung des Ladeluftkühlers 8.A setting of the charge air temperature T2 at the exit of the side 13 of the intercooler 8th occurs via a water inlet temperature T3 of the liquid 16 in the intercooler 8th , A setting of the water inlet temperature T3 is made by a power balance on the charge air side 13 of the intercooler 8th , A measured or determined via a model mass flow of the charge air together with an inlet temperature T4 of the charge air from the compressor 10 in the intercooler 8th a power which the intercooler 8th on the air side 13 is supplied. A difference between the supplied thermal power and the target power of the charge air flow at the output of the side, as dictated by the setpoint temperature T2 13 gives the dissipated cooling capacity or added heating power of the intercooler 8th ,

Aus der in dem Ladeluftkühler 8 abzuführenden Kühlleistung oder hinzuzufügenden Heizleistung, also der in dem Ladeluftkühler 8 auszutauschenden Leistung, kann eine erforderliche Wassermenge mit der Temperatur T1 bestimmt werden, welche über die Dosierpumpe 26 in den Wasserkreis des Ladeluftkühlers 8 zu fördern ist. Da die Dosierpumpe 26 eine Verdrängerpumpe ist, ergibt sich über das Verdrängervolumen die eigentliche Solldrehzahl der Dosierpumpe 26. Eine Wassermenge aus dem Wasserkreis des Ladeluftkühlers 8, welche der über die Dosierpumpe 26 zugeführten Wassermenge entspricht, wird über das Druckhalteventil 27 wieder dem Wärmetauscher 21 im Hallenboden 5 zugeführt.From the in the intercooler 8th dissipated cooling capacity or added heating power, so in the intercooler 8th To be exchanged power, a required amount of water with the temperature T1 can be determined, which via the metering pump 26 into the water circuit of the intercooler 8th to promote. Since the metering pump 26 is a positive displacement pump, the actual nominal rotational speed of the metering pump is obtained via the displacement volume 26 , An amount of water from the water circuit of the intercooler 8th , which the over the metering pump 26 supplied amount of water, is via the pressure-holding valve 27 again the heat exchanger 21 in the hall floor 5 fed.

Die somit aufgebaute Vorsteuerung arbeitet ohne gemessene Regelabweichung und ohne Regelparameter. Eine verbleibende Regelabweichung kann beispielsweise durch einen überlagerten PI-Regler kompensiert werden. Das Verhältnis eines Anteils der Vorsteuerung zu einem Anteil des Reglers kann beispielsweise bei 90:10 liegen. Alternativ kann dieses Verhältnis bei 70:30 liegen oder in einem Bereich zwischen 90:10 und 70:30. Die derart gebildete Einstellung und Regelung ist sehr robust und in der Lage, auch bei Laständerungen des Verbrennungsmotors 6 und sich ändernden Volumenströmen und Drücken der zugeführten Ladeluft die Temperatur der Ladeluft zuverlässig auf den gewünschten Sollwert T2 einzustellen.The pilot control thus constructed operates without measured control deviation and without control parameters. A remaining control deviation can be compensated, for example, by a higher-level PI controller. The ratio of a portion of the precontrol to a portion of the controller may, for example, be 90:10. Alternatively, this ratio may be 70:30 or between 90:10 and 70:30. The adjustment and control thus formed is very robust and capable, even with load changes of the internal combustion engine 6 and to reliably adjust the temperature of the charge air to the desired setpoint value T2 and to change the volume flows and pressures of the charge air supplied.

Bei Bedarf kann dem Kühlkreis bestehend aus Doppelboden 5 und Wärmetauscher 21 zusätzlich ein Heizkreis über die Dosierpumpe 33 zugefügt werden. Damit wird ermöglicht, die Ladeluft auch anzuwärmen, wenn die thermische Leistung der Ladeluft zu gering ist. Die Quelle für das Heizwasser ist beliebig und kann beispielsweise über den Wärmetauscher 28 mit einem Heizwasserkreis des Verbrennungsmotors 6 gekoppelt sein.If necessary, the cooling circuit consisting of raised floor 5 and heat exchangers 21 additionally a heating circuit via the dosing pump 33 be added. This makes it possible to warm the charge air even if the thermal performance of the charge air is too low. The source for the heating water is arbitrary and can for example via the heat exchanger 28 with a heating water circuit of the internal combustion engine 6 be coupled.

Die Isttemperatur T4 der dem Ladeluftkühler 8 zugeführten Ladeluft kann beispielsweise 100° oder mehr betragen, wohingegen die Temperatur T1, welche von dem Wärmetauscher 21 über die Dosierpumpe 26 in den Wasserkreis des Wärmetauschers 8 zugefügt werden kann, beispielsweise konstant 15° aufweist. Durch die Zirkulationspumpen 15 und 23 werden die Wärmetauscher 8 bzw. 21 bei konstanten Reynold- und Nusselt-Werten betrieben. Über eine Drehzahleinstellung der Zirkulationspumpe 15 kann ein Temperaturgradient der über die Ladeluftseite 13 geführte Ladeluft in dem Ladeluftkühler 8 eingestellt werden. Durch die Vorsteuerung aufgrund der Leistungsbilanz von Ladeluftleistungsstrom und Wasserleistungsstrom in dem Ladeluftkühler 8 kann die über die Dosierpumpen 26 und 33 hinzuzufügende erforderliche Wassermenge bestimmt werden, sodass eine Reaktion vor einer Regelabweichung möglich ist. Dadurch können sehr kurze Reaktionszeiten von unter fünf Sekunden erreicht werden.The actual temperature T4 of the intercooler 8th supplied charge air may for example be 100 ° or more, whereas the temperature T1, which of the heat exchanger 21 via the dosing pump 26 into the water circuit of the heat exchanger 8th can be added, for example, has a constant 15 °. Through the circulation pumps 15 and 23 become the heat exchangers 8th respectively. 21 operated at constant Reynolds and Nusselt values. Over a Speed setting of the circulation pump 15 can be a temperature gradient over the charge air side 13 Guided charge air in the intercooler 8th be set. Due to the pilot control due to the power balance of charge air power flow and water power flow in the intercooler 8th Can the over the metering pumps 26 and 33 required amount of water to be added so that a response before a control deviation is possible. As a result, very short reaction times of less than five seconds can be achieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/152010 A1 [0002]
EP 1217477 A2 [0002]
DE 3227319 A1 [0002]
DE 102007030233 A1 [0007]

Claims

A method of tempering a flowing first fluid to a predetermined setpoint temperature, the method comprising the steps of: - directing the first fluid through a first side ( 13 ) of a heat exchanger ( 8th ), - passing a second fluid ( 16 ) for heat exchange with the first fluid through a second side ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ), - detecting an inlet temperature (T4) of the first fluid at the entrance of the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ), - determining a thermal input power of the first fluid as a function of the input temperature (T4), - determining a desired thermal power of the first fluid at the output of the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ) in dependence on the predetermined setpoint temperature (T2), - determining a required thermal power flow between the first side ( 13 ) and the second page ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ) as a function of the thermal input power and the thermal target power of the first fluid, and - adjusting a thermal power of the second fluid ( 16 ) depending on the required thermal power flow between the first side ( 13 ) and the second page ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ).

The method of claim 1, wherein the method further comprises detecting a mass flow of the first fluid through the heat exchanger (10). 8th wherein determining the thermal input power of the first fluid comprises determining the thermal input power of the first fluid from the input temperature (T4) and the mass flow, and wherein determining the target thermal power of the first fluid at the output of the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ) determining the desired thermal power of the first fluid at the exit of the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ) from the predetermined setpoint temperature (T2) and the mass flow.

Process according to claim 1 or 2, wherein the heat exchanger ( 8th ) a charge air cooler one with a turbocharger ( 7 ) supercharged internal combustion engine ( 6 ) and the first fluid is a charge air for the internal combustion engine ( 6 ), wherein the charge air from the turbocharger ( 7 ) and through the intercooler ( 8th ) in a combustion chamber of the internal combustion engine ( 6 ).

Method according to claim 3, wherein the internal combustion engine ( 6 ) on a test bench ( 1 ) and wherein the second fluid ( 16 ) through the second page ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ) is passed at a constant pressure and a constant mass flow.

The method of claim 4, wherein adjusting the thermal performance of the second fluid ( 16 ) adjusting a temperature (T3) of the second fluid ( 16 ).

Method according to claim 4 or 5, wherein the second fluid ( 16 ) circulating through the second side ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ), and wherein adjusting the thermal performance of the second fluid ( 16 ) at least partially replacing the second fluid ( 16 ) by a third fluid ( 24 ).

The method of claim 6, wherein the third fluid ( 24 ) has a substantially constant temperature (T1) upon replacement.

The method of claim 7, comprising passing the third fluid ( 24 ) through a further heat exchanger ( 21 ) to the substantially constant temperature (T1) of the third fluid ( 24 ), wherein the further heat exchanger ( 21 ) has a capacity which is dimensioned such that a temperature of the heat exchanger ( 21 ) during a test period of the internal combustion engine ( 6 ) on the test bench ( 1 ) substantially does not change when the thermal power adjustment of the second fluid ( 16 ) required amount of energy is supplied or removed.

Process according to claim 8, wherein the heat exchanger ( 21 ) an indoor floor heat exchanger ( 21 ) of a hall in which the test bench ( 1 ) is arranged.

The method of any one of claims 4-9, wherein the second fluid ( 16 ) circulating through the second side ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ), and wherein adjusting the thermal performance of the second fluid ( 16 ) at least partially replacing the second fluid ( 16 ) through a fourth fluid ( 32 ), wherein the fourth fluid ( 32 ) with a waste heat of the internal combustion engine ( 6 ) is maintained at a substantially constant temperature.

Device for tempering a flowing first fluid to a predetermined set temperature (T2), comprising: - a heat exchanger ( 8th ) with a first page ( 13 ) and a second page ( 14 ), the device ( 1 ), the first fluid for tempering through the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ) and a second fluid ( 16 ) for heat exchange with the first fluid through the second side ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ) - a temperature detecting means for detecting an input temperature (T4) of the first fluid at Entrance of the first page ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ), - an adjustment means ( 26 . 33 ) for adjusting a thermal performance of the second fluid ( 16 ), and - a control device which is designed to determine a thermal input power of the first fluid as a function of the input temperature (T4), a desired thermal power of the first fluid at the output of the first side ( 13 ) of the heat exchanger ( 8th ) in dependence on the predetermined setpoint temperature (T2), a required thermal power flow between the first side ( 13 ) and the second page ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ) depending on the thermal input power and the thermal target power of the first fluid, and a thermal performance of the second fluid ( 16 ) depending on the required thermal power flow between the first side ( 13 ) and the second page ( 14 ) of the heat exchanger ( 8th ).

Apparatus according to claim 11, wherein the device ( 1 ) is configured for carrying out the method according to one of claims 2-10.

Test bench ( 1 ) for an internal combustion engine ( 6 ) with a device ( 1 ) according to one of claims 11 or 12.