DE102013110199A1

DE102013110199A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas

Info

Publication number: DE102013110199A1
Application number: DE201310110199
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Widdershoven Jan
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV SOFTWARE AN TESTING SOLUTIONS GMBH, DE; FEV SOFTWARE AND TESTING SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2015-03-19
Also published as: CN104458260B; CN104458260A; IN2014MU02782A

Abstract

Vorrichtung zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, aufweisend eine Versorgungsleitung zur Zuführung des Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor mit einem Zuführventil und einer Ableitung zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases, sowie Verfahren zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, wobei das Verbrennungsgas durch eine Versorgungsleitung mit einem Zuführventil und einer Ableitung zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, aufweisend eine Versorgungsleitung zur Zuführung des Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor mit einem Zuführventil und einer Ableitung zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases, sowie ein Verfahren zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, wobei das Verbrennungsgas durch eine Versorgungsleitung mit einem Zuführventil und einer Ableitung zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor geführt wird.
Eine Vorrichtung zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas ist aus der EP 1 600 622 A2 bekannt, wobei eine ein Gebläse aufweisende Versorgungs- bzw. Saugleitung zum Zuführen des Vebrennungsgases mit einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Feuchtegehalt zum Verbrennungsmotor vorgesehen ist und in der Versorgungs- bzw. Saugleitung ein Drucksensor zum Erfassen des Motoransaugdrucks vorgesehen ist. Ebenfalls ist ein Verfahren zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas offenbart, insbesondere Luft, wobei das Verbrennungsgas mit einer vorbestimmten Temperatur und einem vorbestimmten Feuchtegehalt dem Verbrennungsmotor über eine Versorgungs- bzw. Saugleitung zugeführt wird, und in Abhängigkeit von einem in der Versorgungs- bzw. Saugleitung erfassten Druck der Druck des Verbrennungsgases beim Eintritt in den Verbrennungsmotor geregelt wird. Eine dynamische Druckregelungseinheit mit einem Abströmventil ist zur Ableitung von überschüssigem Verbrennungsgas in der Versorgungs- bzw. Saugleitung vorgesehen, wobei die dynamische Druckregelungseinheit in Abhängigkeit von dem vom Drucksensor erfassten Motoransaugdruck derart geregelt wird, dass der Druck des Verbrennungsgases beim Eintritt in den Verbrennungsmotor konstant ist.
Das Betriebsverhalten von Verbrennungsmotoren wird im Hinblick auf die Leistung, die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch durch den Zustand des Verbrennungsgases, also insbesondere der Verbrennungsluft beeinflusst. Wesentliche Parameter sind die Temperatur, der Druck und der Feuchtegehalt des Verbrennungsgases. Druck und Temperatur bestimmen die in den Brennraum gelangende Luftmasse, welche für die Verbrennung von Kraftstoff zur Verfügung steht. Bei geringer Feuchte des Verbrennungsgases ist die Gasdichte höher als bei einem hohen Feuchtegehalt, da der vorhandene Wasserdampf einen Teil des Volumens einnimmt und die wirksame Gasdichte dadurch herabsetzt. Ferner wird die Verbrennung verlangsamt.
Bei Untersuchungen an Verbrennungsmotoren soll der Verbrennungsmotor das Verbrennungsgas in der Regel mit genau definierten Randbedingungen bezüglich der genannten Parameter Druck, Temperatur and Feuchte angeliefert bekommen. Dies wird beispielsweise mittels Ansaugluftkonditionierungen realisiert, die einen konstanten Luftstrom fördern, wobei die Luftmenge über ein gezieltes Abblasen bzw. Drosseln der Ansaugluft eingestellt wird. Hierbei werden üblicherweise die zu regelnde Größen motornah gemessen and mittels Stellgliedern in der Konditionierung nachgeregelt. Abhängig von der jeweiligen Untersuchung können sich starke Änderungen des Verbrennungsgasstroms durch Schwankungen des Luftverbrauchs des Verbrennungsmotors ergeben, wodurch sich insbesondere die Regelung der Luftfeuchte problematisch gestaltet.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung eines auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors mit einem konditionierten Verbrennungsgas zur Verfügung zu stellen, worin die Luftfeuchteregelung derart gestaltet ist, dass auch bei erheblichen Schwankungen des Luftverbrauchs des Verbrennungsmotors eine stabile Luftfeuchte eingestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. in den jeweiligen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchteregelung anhand eines internen Feuchtesollwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil vorgesehen ist, wobei der interne Feuchtesollwert aus einem vorgegebenen Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil berechnet wird.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass eine Feuchteregelung vor dem Zuführventil sehr stabil ist und kurze Einregelzeiten aufweist, da der Volumenstrom des konditionierten Verbrennungsgases hier praktisch konstant ist. Der vorgegebene Feuchtesollwert bezieht sich auf das tatsächlich dem Verbrennungsmotor zuzuführende Verbrennungsgas, welcher sich erst in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil einstellt. Dieser vorgegebene Feuchtesollwert lässt sich jedoch vorteilhaft in den internen Feuchtesollwert des Verbrennungsgasstroms vor dem Zuführventil umrechnen, so dass sich die Regelung in den vorteilhafteren Bereich der Zuführleitung vor dem Zuführventil verlegen lässt, indem dort auf den errechneten internen Feuchtesollwert geregelt wird. Zur Berechnung des internen Feuchtesollwerts weist die Feuchteregelung daher bevorzugt einen Rechner auf. Für die Regelung anhand des internen Feuchtesollwerts ist in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil vorzugsweise ein Feuchtesensor zur Ermittlung der Feuchte des Verbrennungsgases vorgesehen. Ein Signal des Feuchtesensors ist dabei vorzugsweise als Rückkopplung der Feuchteregelung zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin vorgesehen, dass in der Versorgungsleitung in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil ein Motoransaugdrucksensor zum Erfassen eines Motoransaugdrucks vorgesehen ist und dass in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil ein Verbrennungsgasdrucksensor zum Erfassen eines Drucks des konditionierten Verbrennungsgases vorgesehen ist. Die Berechnung des internen Feuchtesollwerts erfolgt dann vorteilhaft unter Verwendung von Sensordaten des Motoransaugdrucksensors und des Verbrennungsgasdrucksensors. Die Messung der Drücke vor und hinter dem Zuführventil ist besonders einfach und mit großer Genauigkeit möglich. Teilweise kann dabei auf ohnehin bestehende Druckmessvorrichtungen zugegriffen werden. Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, den internen Feuchtesollwert anhand anderer direkt oder indirekt bestimmbarer Parameter zu berechnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Ausgabe eines aus den Daten des Feuchtesensors berechneten Feuchte-Istwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchteregelung anhand eines internen Feuchtesollwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil geregelt wird, wobei der interne Feuchtesollwert aus einem vorgegebenen Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil berechnet wird. Zur Regelung auf den internen Feuchtesollwert wird vorzugsweise in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil eine Feuchte des Verbrennungsgases gemessen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine stabile Feuchteregelung vor dem Zuführventil. Die Einregelzeiten der Regelung sind kurz, da der Volumenstrom des konditionierten Verbrennungsgases hier praktisch konstant ist. Der vorgegebene Feuchtesollwert bezieht sich auf das tatsächlich dem Verbrennungsmotor zuzuführende Verbrennungsgas hinter dem Zuführventil. Dieser vorgegebene Feuchtesollwert wird vorteilhaft in den internen Feuchtesollwert des Verbrennungsgasstroms vor dem Zuführventil umgerechnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil ein Druck des konditionierten Verbrennungsgases gemessen und in der Versorgungsleitung in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil ein Motoransaugdruck gemessen, wobei der interne Feuchtesollwert unter Berücksichtigung des Motoransaugdrucks und des Verbrennungsgasdrucks berechnet wird, insbesondere indem der vorgegebene Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil mit einem Verhältnis des Verbrennungsgasdrucks zu dem Motoransaugdruck multipliziert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Feuchte-Istwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil aus der in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil gemessenen Feuchte des Verbrennungsgases berechnet und ausgegeben wird. Insbesondere wird der Feuchte-Istwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil durch Multiplikation der in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil gemessenen Feuchte des Verbrennungsgases mit einem Verhältnis des Motoransaugdrucks zu dem Verbrennungsgasdruck berechnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen gelten für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen, beziehen sich beispielhaft auf das gezeigte Ausführungsbeispiel und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in der 1 dargestellte Vorrichtung 10 dient zur Versorgung eines auf einem nicht dargestellten Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors 1 mit einem konditionierten Verbrennungsgas, welches mittels einer Pumpe 11 über eine Versorgungsleitung 2 zu dem Verbrennungsmotor 1 gefördert wird. Der Pfeil P gibt die Strömungsrichtung des konditionierten Verbrennungsgases in der Versorgungsleitung 2 an. Die Vorrichtung 10, die auch als Konditionierungsanlage 10 bezeichnet werden kann, ist hier schematisch durch eine gestrichelte Linie begrenzt dargestellt, um zu verdeutlichen, welche Komponenten zu der Vorrichtung 10 gehören. Die Versorgungsleitung 2, die ebenfalls zu der Vorrichtung 10 gehört, verläuft sowohl innerhalb der Konditionierungsanlage 10 als auch außerhalb zu dem Prüfstand bzw. zu dem Verbrennungsmotor 1. Die für den Verbrennungsmotor 1 benötigte Menge an Verbrennungsgas ist starken Schwankungen unterworfen. Die überschüssige Menge an Verbrennungsgas wird durch entsprechendes Drosseln des Verbrennungsgasstroms durch die Versorgungsleitung 2 über eine Ableitung 8 abgeblasen. Dazu weist die Versorgungsleitung 2 ein Zuführventil 4 auf, welches beispielsweise als Drosselklappe gestaltet sein kann. In der Ableitung 8 kann ein weiteres Abblasventil 9 vorgesehen sein, wobei der Fachmann erkennt, dass die Ventile 4, 9 auch im Bereich der Abzweigung der Ableitung 8 in Form eines Dreiwegeventils zusammengefasst sein könnten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 liefert einen konstanten Verbrennungsgasstrom, der über den Bereich der Versorgungsleitung 2, der in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil 4 angeordnet ist, strömt. Dagegen ist die Verbrennungsgasströmung in dem Teil der Versorgungsleitung 2, der in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil 4 angeordnet ist, den bereits erwähnten Schwankungen unterworfen. Entsprechend der Erfindung wird die Feuchteregelung 7 nicht nahe am Verbrennungsmotor 1, in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil 4 durchgeführt, sondern bereits innerhalb der Konditionierungsanlage 10, in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil 4, wo der Verbrennungsgasstrom konstant vorliegt. Dementsprechend ist ein Feuchtesensor 5 in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil 4 angeordnet, um die Feuchte des Verbrennungsgases in der Versorgungsleitung 2 zu messen. Ein vorgegebener Feuchtesollwert vor dem Motor, also hinter dem Zuführventil 4, wird abhängig von den Druckverhältnissen in der Versorgungsleitung 2 auf einen internen Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil 4 umgerechnet. Dazu ist hinter dem Zuführventil 4 ein Motoransaugdrucksensor 6 zum Erfassen eines Motoransaugdrucks vorgesehen und in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil 4 ein Verbrennungsgasdrucksensor 3 zum Erfassen eines Drucks des konditionierten Verbrennungsgases. Die Feuchteregelung 7 regelt dann den Feuchtewert des konditionierten Verbrennungsgases auf den internen Feuchtesollwert, der sich durch Berechnung ergibt, indem der vorgegebene Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil mit einem Verhältnis des Verbrennungsgasdrucks zu dem Motoransaugdruck multipliziert wird.
Dazu werden die Signale des Feuchtesensors 5 sowie der Drucksensoren 3, 6 in die Feuchteregelung 7 eingespeist, die über einen nicht dargestellten Rechner verfügt, um die beschriebene Umrechnung durchzuführen. Es wird dabei vorzugsweise die Annahme zugrundegelegt, dass die Temperatur vor und hinter dem Zuführventil 4 gleich ist. Die Temperatur des Verbrennungsgases wird durch eine Temperaturregelung 12 eingestellt, die mit einem Temperatursensor 14 zusammenarbeitet. Die Temperaturregelung 12 und die Feuchteregelung 7, die hier schematisch vereinfacht als Blöcke dargestellt sind, verfügen über dem Fachmann bekannte Vorrichtungen zur Temperierung bzw. zur Befeuchtung des Verbrennungsgases.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Versorgungsleitung
3: Verbrennungsgasdrucksensor
4: Zuführventil
5: Feuchtesensor
6: Motoransaugdrucksensor
7: Feuchteregelung
8: Ableitung
9: Ablassventil
10: Vorrichtung, Konditionierungsanlage
11: Pumpe
12: Temperaturregelung
14: Temperatursensor
P: Pfeil, Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1600622 A2 [0002]

Claims

Vorrichtung (10) zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors (1) mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, aufweisend eine Versorgungsleitung (2) zur Zuführung des Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor mit einem Zuführventil (4) und einer Ableitung (8) zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchteregelung (7) anhand eines internen Feuchtesollwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) vorgesehen ist, wobei der interne Feuchtesollwert aus einem vorgegebenen Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchteregelung (7) einen Rechner zur Berechnung des internen Feuchtesollwerts aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regelung anhand des internen Feuchtesollwerts in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) ein Feuchtesensor (5) zur Ermittlung einer Feuchte des Verbrennungsgases vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal des Feuchtesensors (5) als Rückkopplung der Feuchteregelung (7) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Versorgungsleitung (2) in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) ein Motoransaugdrucksensor (6) zum Erfassen eines Motoransaugdrucks vorgesehen ist und dass in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) ein Verbrennungsgasdrucksensor (3) zum Erfassen eines Drucks des konditionierten Verbrennungsgases vorgesehen ist, wobei die Berechnung des internen Feuchtesollwerts unter Verwendung von Sensordaten des Motoransaugdrucksensors (6) und des Verbrennungsgasdrucksensors (3) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabe eines aus den Daten des Feuchtesensors (5) berechneten Feuchte-Istwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) vorgesehen ist.
Verfahren zur Versorgung eines vorzugsweise auf einem Prüfstand angeordneten Verbrennungsmotors (1) mit einem konditionierten Verbrennungsgas, insbesondere Luft, wobei das Verbrennungsgas durch eine Versorgungsleitung (2) mit einem Zuführventil (4) und einer Ableitung (8) zur Abführung überschüssigen Verbrennungsgases zu dem Verbrennungsmotor geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feuchteregelung (7) anhand eines internen Feuchtesollwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) geregelt wird, wobei der interne Feuchtesollwert aus einem vorgegebenen Feuchtesollwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung auf den internen Feuchtesollwert in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) einer Feuchte des Verbrennungsgases gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil (4) ein Druck des konditionierten Verbrennungsgases gemessen wird und dass in der Versorgungsleitung (2) in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) ein Motoransaugdruck gemessen wird, wobei der interne Feuchtesollwert unter Berücksichtigung des Motoransaugdrucks und des Verbrennungsgasdrucks berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der interne Feuchtesollwert durch Multiplikation des vorgegebenen Feuchtesollwerts des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) mit einem Verhältnis des Verbrennungsgasdrucks zu dem Motoransaugdruck berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feuchte-Istwert des konditionierten Verbrennungsgases in Strömungsrichtung hinter dem Zuführventil (4) aus der in Strömungsrichtung vor dem Zuführventil gemessenen Feuchte des Verbrennungsgases berechnet und ausgegeben wird.