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Die Erfindung betrifft einen Motorprüfstand zur
Prüfung
eines Verbrennungsmotors, mit einem Prüfstand-Betriebssystem, das
zerstörungsfrei
trennbar mit einem Anschlusselement des Verbrennungsmotors verbindbar
ist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ferner bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zum Prüfen
eines Verbrennungsmotors, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs
9.
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Motorprüfstände und Verfahren der eingangs genannten
Art sind bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 198 13 671 C1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Kalttest-Prüfen von Verbrennungsmotoren. Bei
einem Kalttest werden die Verbrennungsmotoren in „kaltem", das heißt in unbefeuertem
Zustand geprüft.
Dabei kann der Verbrennungsmotor ein Otto-Motor oder ein Diesel-Motor
sein. Ein externes Antriebsaggregat, beispielsweise in Form eines
Elektromotors, wird an die Kurbelwelle des zu prüfenden Verbrennungsmotors angekoppelt,
sodass selbige in eine Drehbewegung versetzt werden kann zur Prüfung der
Funktionsfähigkeit
der Motormechanik.
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Ferner ist es beispielsweise aus
der
DE 100 63 386
A1 bekannt, dass Leistungsverhalten eines Verbrennungsmotors
mittels eines Heißtest-Prüfverfahrens
zu bestimmen. Beim Heißtest-Prüfverfahren wird
der zu prüfende
Verbrennungsmotor be feuert betrieben, wobei der Motor-Prüfstand zur
Gewährleistung
einer Leistungsbelastung des Verbrennungsmotors ein geeignetes Bremsaggregat
aufweisen muss. Die Durchführung
eines Heißtest-Prüfverfahrens
ist im vergleich zu einem Kalttest-Prüfverfahren
aufwendig, da zusätzlich
zum Ankoppeln des Verbrennungsmotors an den Motorprüfstand selbiger mit
Kühlwasser
befüllt
werden muss, um geeignete Motorbetriebszustände fahren zu können.
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Während
das Heißtest-Prüfverfahren
somit relativ zeitaufwendig ist, lassen sich mittels des Kalttest-Prüfverfahrens
Leistungsmängel
des zu prüfenden
Verbrennungsmotors nicht hinreichen bestimmen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen
Motorprüfstand
und ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die
eine schnelle und umfassende Prüfung
eines Verbrennungsmotors erlauben.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Motorprüfstand mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Der erfindungsgemäße Motorprüfstand zeichnet
sich dadurch aus, dass er als kombinierter Kalttest-Heißtest-Motorprüfstand ausgebildet
ist, der ein Kalttest-Antriebsaggregat und ein Heißtest-Bremsaggregat
aufweist. Mittels eines kombiniertem Kalttest-Heißtest-Motorprüfstands
lassen sich die Rüstzeiten
zur Durchführung
einer kompletten Prüfung des
Verbrennungsmotors erheblich reduzieren, da beide Testverfahren
auf ein und demselben Motorprüfstand
durchgeführt
werden können.
Dies ermöglicht
die Durchführung
einer relativ schnellen Motorprüfung
im Rahmen einer Qualitätskontrolle
bei gleichzeitig maßgeblicher
Kostenreduzierung. Ein derartiger Motorprüfstand ist besonders betriebsfreundlich
in der Serienherstellung von Verbrennungsmotoren im Rahmen einer
effektiven Qualitätskontrolle
einsetzbar.
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Mit Vorteil werden das Kalttest-Antriebsaggregat
und das Heißtest-Bremsaggregat
von einem einzigen Mehrfunktionsaggregat gebildet. Das Mehrfunktionsaggregat
kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Der Einsatz eines Elektromotors
als Kalttest-Antriebsaggregat in einem Motorprüfstand ist an sich bekannt.
Dabei kann derselbe Elektromotor relativ einfach während eines
Heißtests
als aktives Bremsaggregat genutzt werden. Alternativ ist es auch möglich, einen
Elektromotor als Kalttest-Antriebsaggregat und eine ebenfalls an
sich bekannt Wasser-Bremseinrichtung als Heißtest-Bremsaggregat im Motorprüfstand vorzusehen.
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Das Anschlusselement ist vorzugsweise eine
Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Die Kurbelwelle eines zu prüfenden Verbrennungsmotors eignet
sich besonders zur Gewährleistung
einer präzisen
Kraftübertragung
während
eines kombinierten Kalttest-Heißtest-Prüfverfahrens.
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Der Verbrennungsmotor ist mit Vorteil
mittels einer Kraftübertragungseinrichtung
an das Kalttest-Antriebsaggregat und an das Heißtest-Bremsaggregat anschließbar. Hierbei
erfolgt eine vorzugsweise automatisiert Ankopplung des Verbrennungsmotors
an die jeweiligen Aggregate. Dabei muss die Kraftübertragungseinrichtung
zur Ermöglichung
einer kombinierten Kalttest-Heißtest-Prüfung eines
Verbrennungsmotors unterschiedliche Betriebsanforderungen erfüllen, die
korrekte Prüfmessungen
am Verbrennungsmotor ermöglichen
und gleichzeitig eine betriebssichere Motorprüfung gewährleisten. Hierzu ist die Kraftübertragungseinrichtung
vorzugsweise mit einem Drehmomentmessflansch, mit einem Schwingungsdämpfer und
mit einer Überlastsicherheitskupplung
versehen.
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Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass ein geeignetes Prüflaufprofil
mit einer Kalttestphase und einer Heißtestphase erstellt wird, ein
entsprechender Prüflauf
des Verbren nungsmotors durchgeführt
wird und die ermittelten Werte eines oder mehrerer prüflaufrelevanter
Betriebsparameter im Rahmen einer Soll-Ist-Vergleichsanalyse ausgewertet
werden zur Feststellung eines eventuellen Defekts mindestens eines
Verbrennungsmotor-Funktionsteils. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt eine komplette Betriebsprüfung eines Verbrennungsmotors
in verhältnismäßig kurzer Zeit,
sodass bei relativ niedrigen Kosten eine effektive Qualitätsprüfung an
einem Verbrennungsmotor durchgeführt
werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung wird
zur Erstellung des geeigneten Prüflaufprofils
der während eines
Prüflaufs
auftretende Erwärmungszustand mindestens
eines Verbrennungsmotor-Funktionsteils im
Rahmen eines Prüfvorlaufs
ermittelt und mit dem bekannten Erwärmungszustand des entsprechenden Verbrennungsmotor-Funktionsteils
unter realen Betriebsbedingungen eines fehlerfreien Verbrennungsmotors
verglichen. Hierdurch wird vermieden, dass aufgrund einer unzulässig hohen
Erwärmung
während
der Heißtestphase
eines Prüflaufs
der Verbrennungsmotor beziehungsweise einzelne Verbrennungsmotor-Funktionsteile beschädigt werden
können.
Dabei wird es möglich,
auch ohne ein aktives Kühlwassersystem
einen Verbrennungsmotor im Heißtest
zu prüfen.
Der bewusste Verzicht auf ein Kühlwassersystem
während
der kompletten Motorprüfung
führt vorteilhaft
zu einer erheblichen Reduzierung der Vorbereitungszeit eines Verbrennungsmotors
auf einen Prüflauf.
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Alternativ oder zusätzlich wird
zu Erstellung des geeigneten Prüflaufprofils
ein zu erwartender Erwärmungszustand
mindestens eines Verbrennungsmotor-Funktionsteils theoretisch berechnet
und mit dem bekannten Erwärmungszustand
des entsprechenden Verbrennungsmotor-Funktionsteils unter realen
Betriebsbedingungen eines fehlerfreien Verbrennungsmotors verglichen.
Zur theoretischen Berechnung eines zu erwartenden Erwärmungszustands
während
eines Prüflaufs
können
beispielsweise die spezifische Wärmekapazität und -dichte
der eingesetzten Konstruktionswerkstoffe, die entsprechenden Massen, die
maximale Einspritzmenge, die Einspritzmenge pro Prüflauf, die
Kraftstoffmasse, der untere Heizwert und gegebenenfalls auch weitere Betriebsparameter
berücksichtigt
werden. Mittels dieser Betriebsparameter ist es möglich, einen
zu erwartenden Temperaturanstieg während eines Prüflaufs beispielsweise
für einen
Kolbenboden, eine Laufbuchse und/oder einen Zylinderkopf des zu
prüfenden
Verbrennungsmotors zu berechnen. Als Rechenansatz kann ferner die
Annahme getroffen werden, dass die einzelnen Funktionsteile des
Verbrennungsmotors ein ideal-adiabates Verhalten aufweisen, wobei
aufgrund der real auftretenden Abwärme der einzelnen Funktionsteile
ein niedrigerer realer Temperaturanstieg auftritt. Ferner kann zur
Vereinfachung des Rechenmodells angenommen werden, dass die während eines
Prüflaufs
zugeführte
Wärmemenge
zu gleichen Anteilen von den interessierenden Funktionsteilen des
zu prüfenden
Verbrennungsmotors aufgenommen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante
erfolgt im Rahmen eines Prüfvorlaufs
eine Fehlersimulation mindestens eines Verbrennungsmotor-Funktionsteils,
wobei die simulationsrelevanten Betriebsparameterergebnisse zur
Identifizierung eines entsprechenden Funktionsteilfehlers herangezogen
werden. Simulationsrelevante Betriebsparameter können beispielsweise die Ladeluftmasse,
der Ladeluftdruck und/oder das Tastverhältnis sein. Mittels einer derartigen
Fehlersimulation wird ferner der Nachweis einer möglichen
Funktionsteilfehlererkennung geliefert.
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Die Prüfung des Verbrennungsmotors
kann im Rahmen einer Serienqualitätskontrolle mit 100%-iger Prüfschärfe erfolgen.
Hierbei wird unter Prüfschärfe der
Anteil an geprüften
Verbrennungsmotoren im Rahmen einer Motorserienherstellung verstanden.
Eine derartig komplexe Serien-Qualitätskontrolle von Verbrennungsmotoren
ist dank des relativ schnell durchführbaren Prüflaufs sowohl mit einer Kalttestphase
als auch mit einer Heißtestphase möglich. Der
Zeitgewinn ist darauf zurückzuführen, dass
aufgrund des Einsatzes eines einzigen Motorprüfstands für beide Testphasen der Adaptieraufwand
im Vergleich zu zwei getrennten Motorprüfständen (Kalttest-Motorprüfstand,
Heißtest-Motorprüfstand)
reduziert ist und somit die Heißtestphase
nun sehr viel schneller durchgeführt
werden kann, unter anderem weil nun kein Kühlwasser für den Verbrennungsmotor während eines
Prüflaufs
benötigt
wird. Die Heißtestphase
kann beispielsweise von einer üblichen
Prüflaufzeit
von 10 Minuten auf jetzt 30 Sekunden reduziert werden. Es können auch
neue Prüflaufprofile
gefahren werden, die durch eine hohe Aussagequalität in Bezug
auf das Verbrennungsmotor-Betriebsverhalten gekennzeichnet sind.
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Das Funktionsteil kann beispielsweise
ein Abgasturbolader, ein Injektor, eine Zündanlage und/oder eine Gemischbildungseinheit
sein. Dank des neuen Prüflaufprofils
ist es nun möglich,
derartige komplexe Funktionsteile eines Verbrennungsmotors zuverlässig zu
prüfen.
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In Weiterbildung der Erfindung kann
für einen
jeweiligen Verbrennungsmotortyp ein spezifisches Prüflaufprofil
erstellt werden. Mittels des kombinierten Kalttest-Heißtest-Motorprüfstands
lassen sich besonders flexibel unterschiedliche Prüflaufprofile
in Abhängigkeit
des jeweils zu prüfenden
Verbrennungsmotors durchführen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung.
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Die Erfindung wird anhand mehrerer
bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine
schematische, teilweise geschnittene Seitenanlicht eines erfindungsgemäßen Motorprüfstands;
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2 eine
schematische, teilweise geschnittene Hinteranlicht des Motorprüfstand der 1;
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3 ein
mittels des Motorprüfstands
der 1 nachfahrbares
Prüflaufprofil;
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4 ein
erfindungsgemäßes Prüflaufprofil zur
Ermittlung der Ladeluftmasse in Abhängigkeit von der Zeit;
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5 ein
erfindungsgemäßes Prüflaufprofil zur
Ermittlung des Ladeluftdrucks in Abhängigkeit von der Zeit und
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6 ein
erfindungsgemäßes Prüflaufprofil zur
Ermittlung des Turbolader-Tastverhältnisses in Abhängigkeit
von der Zeit.
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Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung
einen erfindungsgemäßen Motorprüfstand 10,
der mit einem zu prüfenden
Verbrennungsmotor 12 gekoppelt ist. Hierzu ist der Motorprüfstand 10 mit
einem Prüfstand-Betriebssystem 14 versehen, das
zerstörungsfrei
trennbar mittels eines Anschlusssystems 36 mit einem Anschlusselement 16 in
Form einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 12 verbunden
ist. Der Motorprüfstand 10 ist
als kombinierter Kalttest-Heißtest-Motorprüfstand ausgebildet,
wobei er ein Kalttest-Antriebsaggregat 18 und ein Heißtest-Bremsaggregat 20 aufweist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden das Kalttest-Antriebsaggregat 18 und das Heißtest-Bremsaggregat 20 von einem
einzigen Mehrfunktionsaggregat 22 in Form eines Elektromotors
gebildet. Der Verbrennungsmotor 12 ist mittels einer Kraftübertragungseinrichtung 24 operativ
mit dem Mehrfunktionsaggregat 22 verbunden. Die Kraftübertragungseinrichtung 24 weist einen
Drehmomentmessflansch 26 auf, der zur Gewährleistung
einer korrekten Drehwinkelmessung während einer Kalttestphase dient.
Zur Schwingungsentkopplung während
einer Heißtestphase
ist die Kraftübertragungseinrichtung 24 zusätzlich mit
einem Schwingungsdämpfer 28 versehen.
Darüber
hinaus ist die Kraftübertra gungseinrichtung 24 mit
einer Überlastsicherheitskupplung 30 ausgerüstet, welche
ebenfalls zur Durchführung
eines korrekten Heißtests
dient. Die Kraftübertragungseinrichtung 24 ist
somit als eine Wellenverbindung mit hinreichender Steifigkeit zwischen
dem zu prüfenden
Verbrennungsmotor 12 und dem Mehrfunktionsaggregat 22 in
Form eines Elektromotors ausgebildet. Der Motorprüfstand 10 ist
an seinem Gehäuse 42 mit
dem Untergrund lagefest verbindbar. Der Verbrennungsmotor 12 wird
von einem separaten Transportsystem 32 getragen, das mit
einem geeignet ausgebildetem Motorträger 34 versehen ist,
an welchem der Verbrennungsmotor 12 befestigt ist. Zur
Gewährleistung einer
handhabungsfreundlichen Ankupplung des Verbrennungsmotors 12 mit
der Kraftübertragungseinrichtung 24 des
Motorprüfstands 10 ist
das Betriebssystem 14 mittels einer Linearführung 38 relativ zum
Gehäuse 42 verschiebbar
und mittels einer Schlittenverriegelung 40 an selbigem
lagefixierbar.
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3 zeigt
ein mittels des Motorprüfstands 10 realisierbares
Prüflaufprofil
in Diagrammform, wobei die Prüfdrehzahl
n des zu prüfenden
Verbrennungsmotors 12 über
der Prüfzeit
t aufgetragen ist. Das Prüflaufprofil
der 3 enthält eine
Kalttestphase 44 und eine Heißtestphase 46. Der
Beginn der Heißtestphase 46 ist
durch Pfeil 48 angedeutet (Zündung des Verbrennungsmotors 12).
Die Kalttestphase 44 dauert circa 50 Sekunden, während für die Heißtestphase 46 lediglich
eine Zeitspanne von circa 30 Sekunden benötigt wird.
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4 zeigt
ein Prüflaufprofil
ebenfalls mit einer Kalttestphase 44 und mit einer Heißtestphase 46 in
Form eines Diagramms, wobei hier die Ladeluftmasse M in Abhängigkeit
der Zeit t dargestellt ist. Die mit 50, 52 dargestellten
Kennlinien zeigen die korrekten Ladeluftmasse-Werte der linken Bank
beziehungsweise der rechten Bank eines V-Verbrennungsmotors-Bi-Turbo. Es handelt
sich somit hier um einen Sollwert-Verlauf der Ladeluftmasse-Kennlinie. Die
Kennlinien 54, 56 zeigen die Ladeluftmassen der linken
beziehungsweise der rechten Bank desselben Verbrennungsmotors, wobei
das Ladergestänge links
um 2 mm verkürzt
worden ist relativ zu einem korrekten Ladergestänge. Ein derartiger Einzelteilfehler
des Funktionsteils „Ladergestänge" kann bei Durchfahren
eines erfindungsgemäßen Prüflaufprofils
eindeutig in Diagrammform bestimmt und gegebenenfalls identifiziert
werden. Die Kennlinien 58 und 60 zeigen den entsprechenden
Ladeluftmassenverlauf der linken Bank beziehungsweise der rechten Bank
desselben Verbrennungsmotors bei einem Ladergestänge, das relativ zu einem korrektem
Ladergestänge
links um 1 mm verlängert
worden ist. Auch diese, einen Einzelteilfehler darstellende Kennlinien sind
eindeutig verifizierbar aus dem Diagramm gemäß 4.
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5 zeigt
ein entsprechendes Diagramm eines Prüflaufprofils mit einer Kalttestphase 44 und mit
einer Heißtestphase 46,
wobei hier der Ladeluftdruck p über
der Zeit t aufgetragen ist. Die Kennlinie 62 zeigt einen
korrekten Ladeluftdruckverlauf bei Durchfahren des Prüflaufprofils,
während
die Kennlinien 64, 66 bei einem fehlerhaft betriebenen
Verbrennungsmotor ermittelt wurden, nämlich mit einem linken Ladergestänge, das
um 2 mm verkürzt
ist (Kennlinie 64), und mit eine linken Ladergestänge, das
um 1 mm verlängert
ist (Kennlinie 66). Auch hier sind die erwähnten fehlerhaften
Betriebsweisen des Verbrennungsmotors eindeutig erkennbar in Diagrammform dargestellt.
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6 zeigt
in Diagrammform das Turbolader-Tastverhältnis TV in Abhängigkeit
von der Zeit t eines entsprechend getesteten fehlerfreien Verbrennungsmotors
und eines fehlerhaften Verbrennungsmotors. Die Kennlinien 68, 70 zeigen
das Turbolader-Tastverhältnis
des fehlerfreien Verbrennungsmotor (68 für linke
Bank, 70 für
rechte Bank), während die
Kennlinien 72, 74 das entsprechende Turbolader-Tastverhältnis des
fehlerhaften Verbrennungsmotors darstellen, wobei der Fehler darin
bestand, dass das Ladergestänge
der linken Bank um 1 mm verlängert
wurde. Die Kennlinie 76 zeigt das Turbolader- Tastverhältnis des
defekten Verbrennungsmotors, wobei die Werte der rechten Bank im
Verhältnis zu
den Werten der linken Bank gesetzt wurden. Auch mittels dieses Diagramms
ist ein Einzelteilfehler des getesteten Verbrennungsmotors eindeutig
nachweisbar.
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Mittels des Motorprüfstands 10 kann
bei Durchfahren eines geeigneten Prüflaufprofils mit einer Kalttestphase 44 und
mit einer Heißtestphase 46 eine
Null-Fehler-Strategie im Rahmen einer Qualitätssicherung seriengefertigter
Verbrennungsmotoren verfolgt werden. Dies bedeutet, dass sämtliche Verbrennungsmotoren
im Rahmen der Qualitätssicherung
mittels eines kombinierten Kalttest-Heißtest-Verfahrens geprüft werden
können.
Mittels des erfindungsgemäßen Motorprüfstands
sind erhebliche Kosteneinsparungen möglich, da lediglich eine Prüfvorrichtung
für zwei
prinzipiell verschiedene Testverfahren eingesetzt wird. Hierdurch
können
die Investitionskosten für
einen bereitzustellenden Motorprüfstand
reduziert werden, wobei gleichzeitig die Prüfzeiten zum Durchfahren eines
geeigneten Prüflaufprofils
minimierbar sind. Die Verringerung der Heißtestzeit führt vorteilhaft zu einer Reduzierung
der Prüflauf-Abgasemission
beziehungsweise des Prüflauf-Kraftstoffverbrauchs.
Es ist nun die Realisierung einer Hundertprozent-Inbetriebnahme-Prüfung seriengefertigter
Verbrennungsmotoren möglich.