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Regeleinrichtung für einen Verbrennunggmotorenprüfstand
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für
einen Verbrennungsmotorenprüfstand mit einem Drehzahlregelkreis und einem Drehmomentregelkreis.
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Derartige Motorenprüfstände können beispielsweise bei der Serienprüfung
von Dieselmotoren eingesetzt werden und sind nach der DE-PS 1 154 292 bekannt. Dort
wird bei einer mit einer Verbrennungskraftmaschine mechanisch gekuppelten Pendelmaschine
vorgeschlagen, für die Pendelmaschine einen Drehzahlregelkreis vorzusehen, dem zur
schnellen Grobregelung des Drehmoments dauernd ein Stromregelkreis unterlagert ist,
wobei zur Vorgabe des Momentensollwertes der Pendelmaschine ein einstellbares Begrenzungsglied
am Ausgang des Drehzahlreglers vorgesehen ist. Sowohl bei der Drehmomentregelung
als auch bei der Drehzahlregelung dient als Stellgröße ausschließlich der Ankerstrom
der Pendelmaschine. Es handelt sich bei dieser bekannten Einrichtung also um eine
Eingrößenregelung und es können mit ihr auch nur Betriebspunkte, welche auf einer
zu einer bestimmten Kraftstoffzufuhr
der Verbrennungskraftmaschine
gehörenden Drehzahl-Drehmomentkennlinie liegen, aufgenommen werden. Einen über blick
über das gesamte Drehzahl-Drehmomentkennfeld der Verbrennungskraftmaschine vermag
die bekannte Einrichtung jedoch ohne weiteres nicht zu vermitteln.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, es bei einer
Regelenrichtung der eingangs genannten Art zu ermöglichen, beliebige Betriebspunkte
im gesamten Drehzahl-Drehmomentkennfeld anzufahren.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß ein die Kraftstoffzufuhr
des Motors beeinflussender Drehzahlregler und ein das Bremsmoment einer mit dem
Motor gekuppelten Arbeitsmaschine beeinflussender Drehmomentregler vorgesehen ist.
Mit einer solchen verkoppelten Zweigrößenregelung von Drehzahl und Drehmoment können
frei vorgebbare Drehzahl- und Drehmomentwerte im gesamten kombinierten Drehzahl-Drehmomentkennfeld
von Motor und Arbeitsmaschine selbsttätig angefahren werden.
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Zur Verbesserung der Regeldynamik erweist es sich gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung als vorteilhaft, dem Drehzahlregler einen Stellungsregler
für die Kraftstoffeinspritzhebelstellung und dem Drehmomentregler einen Stellungsregler
für die Schieberstellung einer Wasserbremse zu unterlagern. Für den Fall, daß als
Arbeitsmaschine eine Wirbelstrombremse vorgesehen ist, wird dem Drehmomentregler
ein Stromregler für die Erregung der Wirbelstrombremse unterlagert.
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Zur Erreichung einer großen Regelgenauigkeit ist es zweckmäßig, zumindest
den Drehmomentregler als PI-Regler auszubilden und dann zur Reduzierung von Regelschwingungen
die Ausgangsgröße des Drehmomentreglers auf zwei Werte zu begrenzen, welche um einen
bestimmten Betrag über und
unter dem jeweiligen Istwert der Schieberstellung
liegen.
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Letztere Maßnahme erweist sich insbesondere dann als empfehlenswert,
wenn Betriebspunkte in der Nähe der Motorvollastkurve angefahren werden sollen und
infolge der relativ großen Trägheit des Schieberantriebs mit einem Uberschwingen
über die vorgesehene Schieberstellung zu rechnen ist.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen
gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert werden.
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Nach der schematischen Darstellung der Figur 1 ist der zu prüfende
Verbrennungsmotor, beispielsweise ein Dieselmotor,1 über eine Welle mit einer Wasserbremse
2 verbunden, deren Bremsmoment durch Verfahren eines Bremsschiebers in den Richtungen
des mit 3 bezeichneten Doppelpfeils gesteuert werden kann, wobei die Bremse stets
vollständig mit Wasser gefüllt ist. Der Bremsschieber wird dabei von einem Gleichstromantrieb
4 betätigt, welcher außerdem auch den Abgriff eines Potentiometers 5 bewegt, so
daß mit der am Abgriff dieses Potentiometers entstehenden Spannung i B die Position
des Bremsschiebers abgebildet werden kann. Die Position des Bremsschiebers wird
mittels eines Stellungsreglers 6 mit propotionalem Verhalten geregelt, dem von einer
Vergleichsstelle 7 die Differenz zwischen dem Sollwert ~U*B und dem Istwert ct B
der Schieberstellung zugeführt wird. Dem Stellungsregler 6 ist noch ein Leistungsverstärker
nachgeordnet.
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Eine im Prinzip ähnliche Stellungsregelung ist für die die Kraftstoffzufuhr
des Dieselmotors 1 bestimmende Position des Einspritzhebels vorgesehen. Der Einspritzhebel
wird von einem Gleichstromantrieb 8 betätig-t, welcher gleichzeitig auch noch den
Abgriff eines Potentiometers 9
verschiebt, wobei an diesem Abgriff
eine der Stellung des Einspritzhebels entsprechende und als Istwert für den Stellungsregler
10 verwendete Spannung αM abgenommen wird. Dieser Stellungsistwert wird mit
dem Sollwert oL *M der Einspritzhebelposition in einer Vergleichsstelle 11 verglichen
und das Ergebnis dieses Vergleichs dem Stellungsregler 10 zugeführt, dessen Ausgangsgröße
dann - in einem Leistungsverstärker verstärkt -den Gleichstromantrieb 8 beeinflußt.
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Der Stellungsregler 10 ist einem Drehzahlregler 12 unterlagert, dem
über eine Vergleichsstelle 13 die Differenz zwischen dem über einen Hochlaufgeber
14 geführten Drehzahlsollwert n* und dem von einem Meßwertgeber 15 gelieferten Istwert
der Motordrehzahl zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des Drehzahlreglers 12 stellt
den Sollwert oc CEL des ihm unterlagerten Stellungsreglers 10 dar. In ähnlicher
Weise ist der Stellungsregler 6 für die Schieberposition einem mit 15 bezeichneten
Drehmomentregler unterlagert, dem die in einer Vergleichsstelle 16 gebildete Differenz
zwischen dem über einen Hochlaufgeber 17 geführten Drehmomentsollwert m* und dem
von einem Istwertgeber 18 gelieferten Istwert m des Bremsmomentes der Wasserbremse
2 zugeführt ist. Der Drehzahlregler 12 und der Momentenregler 15 sind als PI-Regler
ausgebildet.
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Die Hochlaufgeber 14 und 17 dienen dazu, sprungartige Sollwertänderungen
in einen zeitlinear ansteigenden, rampenförmigen Verlauf umzuformen und damit stoßartige
Belastungen und davon resultierende überschwingungen abzuschwächen.
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Die bisher beschriebene Zweigrößenregelung für Drehzahl und Drehmoment
gestattet frei vorgebbare Drehzahl- und Drehmomentwerte selbsttätig anzufahren,
so daß im kombinierten Drehzahl-Drehmomentkennfeld von Motor und Bremse
durch
Vorgabe entsprechender Sollwerte für Drehmoment und Drehzahl praktisch fast jeder
Betriebspunkt einstellbar ist0 In der Figur 2 ist ein solches Drehzahl-Drehmomentkennfeld
dargestellt. MitoLMl, zu M2 d M3' 4 Mmax sind Drehzahl-Drehmomentkennlinien des
Motors bezeichnet, zu welchen vier bestimmte Positionen αM des Kraftstoffeinspritzhebels
gehören, wobei mit nL Mmax die sogenannte Vollastkurve des Motors 1 bezeichnet ist,
welche sich bei maximaler Kraftstoffzufuhr ergibt. Mit 0LBmin' oi B1 αB2,
αB3, α4 und α Bmax sind sechs verschiedenenPositionen α
B des Bremsschiebers der Wasserbremse entsprechende Drehmoment-Drehzahlkennlinien
dargestellt, wobei die mit ot Bmax und CL Bmin bezeichneten Kennlinien sich für
die beiden extremen Positionen des Bremsschiebers ergeben und zwar die mit αBmax
bezeichnete Kennlinie bei ganz herausgefahrenem Bremsschieber, wodurch sich die
maximale Belastung durch die Wasserbremse 2 ergibt.
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Für das Anfahren von Betriebspunkten, welche in der Nähe des Teils
der Motor-Vollastkurve liegen, der eine positive Steigung aufweist, ist es insbesondere
bei dem auf die Bremse wirkenden Regler 15 wichtig, daß ein Überschwingen auf das
geringstmögliche Maß reduziert wird.
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Soll beispielsweise entsprechend dem Diagramm nach Figur 2 vom Punkt
A nach Punkt B verfahren werden, was durch Vorgabe eines neuen, dem Punkt B entsprechenden
Momentensollwertes eingeleitet wird, dann könnte im Verlaufe eines Uberschwingens
des Momentes über den vorgegebenen Sollwert hinaus ein Punkt der Vollastkurve erreicht
werden, beispielsweise der Punkt C, bei welchem das Moment kleiner ist als der vorgegebene
Sollwert. Es wird sich dann an der Vergleichsstelle 7 eine positive Regelabweichung
ergeben, welche die Bremse zu weiterer Steigerung der Belastung veranlaßt. Dadurch
wandert der Betriebspunkt auf der Vollastkurve abwärts und dies setzt sich solange
fort, bis schließlich der Betriebspunkt
erreicht ist, welcher durch
den Schnittpunkt der Motor-Vollastkennlinie t Mmax und der maximalen Belastungskennlinie
der Bremse . Bmax gegeben ist. Um diesen Effekt zu unterbinden und um derartige
kritische Punkte in der Nähe der Vollastkurve auch anfahren zu können, wird die
Ausgangsgröße des Momentreglers 15 dynamisch bzw. arbeitspunktabhängig begrenzt.
In einem Addierghed 19, dessen Ausgangsspannung die obere Begrenzung B+ für den
PI-Regler 15 darstellt, wird die Summe aus dem Stellungsistwert°t cL B des Bremsenschiebers
und einem Zusatzwert o i B gebildet, während die untere Grenze B- durch die Ausgangsspannung
eines Vergleichsgliedes 20 bestimmt ist, in welchem die Differenz zwischen dem Stellungsistwert
des Bremsenschiebers und dem Zusatzwert gebildet wird.
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Damit wird eine Begrenzung des Ausgangssignals des dem Schieberstellungsregler
6 überlagerten Reglers 15 auf Werte erreicht, welche nur geringfügig verschieden
von der Bremsenschieberstellung ot B sind, denn es kann sich maximal um #αB
vom aktuellen Istwert rC B unterscheiden.
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Damit wird eine unzulässige Überhöhung des Integralanals teils im
Ausgangssignal des/PI-Verstärker ausgebildeten Momentreglers 15 - ein sogenanntes
überladen bzw. Vollaufen dieses Reglerintegrators - und somit auch ein nennenswertes
Uberschwingen unterbunden. Der Zusatzwert SOL B wird so gewählt, daß der Bremsenschieberantrieb
seine maximale Verstellgeschwindigkeit erreicht. Er kann bei großer Verstärkung
des Stellungsreglers 6 sehr klein gewählt werden.
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Wird als Arbeitsmaschine anstelle der Wasserbremse eine mit dem Verbrennungsmotor
1 gekuppelte Wirbelstrombremse verwendet, so wird dem Drehmomentregler 15 analog
der in Figur 1 dargestellten Weise ein Erregerstromregelkreis unterlagert. Die Begrenzungen
B+ und B- für den Ausgang des Reglers 15 werden dabei - ebenfalls analog zu der
in Figur 1 dargestellten Anordnung-vom aktuellen
Erregerstromistwert
abgeleitet.
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Figur 3 zeigt eine Erweiterung der in Figur 1 dargestellten Regeleinrichtung,
welche zur Beschleunigung der Dynamik beim Anfahren der Betriebspunkte dient und
sich insbesondere bei einer Wasserbremse als Arbeitsmaschine empfiehlt. Sie beruht
auf demGedanken,den zum Anfahren eines neuen Betriebspunkt erforderlichen Positionssollwert
für den Stellungsregler 6 nicht erst langsam von dem überlagerten PI-Regler 15 aufbauen
zu lassen, sondern diesen vorauszuberechnen und dem Stellungsregler 6 sobald als
möglich anzubieten. Damit kann die Stellgeschwindigkeit des Bremsenstellgliedes
optimal ausgenutzt werden, was insbesondere bei relativ niedrigen, maximal erreichbaren
Stellgeschwindigkeiten, wie z.B. bei einer schiebergesteuerten Wasserbremse, wichtig
ist.
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Die in der Figur 3 dargestellte Erweiterung der Regeleinrichtung gemäß
Figur 1 betrifft nur den dort links der mit I-I bezeichneten Trennungslinie dargestellten
Teil; rechts dieser in Figur 3 ebenfalls mit I-I bezeichneten Trennungslinie schließt
sich demnach der entsprechende Teil der Figur 1 an. Die Vorausberechnung des auf
den Stellungsregler 6 im Sinne einer Vorsteuerung wirkenden Sollwertes - des Vorsteuerwertes
Ot *Bo - erfolgt mittels einer Rechenschaltung oder eines Rechners 21 und verwendet
fo2genae,/angenanerte analytische Beschreibung des Kennlinienfeldes einer schiebergesteuerten
Wasserbremse: m = a n2 . ebi wobei a und b konstante Maßstabsfaktoren; m das Drehmoment,
n die Drehzahl und ct B die Schieberposition bedeuten. Mit den anzufahrenden Sollwerten
von Drehzahl (n*) und Drehmoment (m*), welche entweder wie dargestellt dem Rechner
21 als Eingangsgrößen zugeführt; oder im Fall
eines automatisierten
Serienprüfstandes von ihm selbst gebildet werden, ermittelt dieser entsprechend
der obigen Beziehung den optimalen Vorsteuerwert
Dieses Signal wird in dem Summierglied 22 zu dem Ausgangssignal des Momentenreglers
15 addiert, das Ergebnis bildet den Sollwert für den unterlagerten Stellungsregler
für die Schieberposition.
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Zur zeitweiligen Sperrung bzw. Freigabe des Reglers 15 werden in zwei
Vergleichsstellen 23 bzw. 24 die Soll-Istwertdifferenzen von Drehzahl und Moment
gebildet und Je einem Grenzwertmelder 25 bzw. 26 zugeführt. Die Grenzwertmelder
25 bzw. 26 geben jeweils nur dann ein konstantes positives Signal (L-Signal) ab,
wenn die Absolutbeträge ihrer Eingangsspannungen vorgebbare Schranken #n/2 bzw.
#m/2 überschreiten Die Ausgangssignale der Grenzwertmelder 25 und 26 sind den Eingängen
eines NOR-Gliedes 27 zugeführt, dessen Ausgangssignal zur Sperrung bzw. Freigabe
des PI-Reglers 15 dient.
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Entsprechend dieser logischen Verknüpfung erfolgt die Freigabe des
Reglers 15 nur dann, wenn die Soll-Istwertdifferenz des Momentes an der Vergleichs
stelle 24 und der Drehzahl an der Vergleichs stelle 23 absolut kleiner sind als
die zuvor erwähnten Schranken 2 bzw.
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4m 2 ' Im anderen Fall erscheint am Ausgang des NOR-Gatters 27 ein
Nullsignal, welches beispielsweise über einen Begrenzungseingang des PI-Reglers
15 an dessen Ausgang ebenfalls ein Null signal erzwingt und ihn gewissermaßen außer
Betrieb setzt. Dann ist allein der vom Rechner 21 ermittelte Vorsteuerwert α
*Bo wirksam.
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Der Rechner 21 liefert weiterhin eine Größe, mit welcher der zeitliche
Anstieg des von einem Hochlaufgeber 28 umgeformten Drehzahlsollwertsignalen n* so
beeinflußt werden kann, daß die Drehzahl zum selben Zeitpunkt ihren Sollwert erreicht,
wie die Bremsschieberposition OC ihren Sollwert C *B. Der Hochlaufgeber 28 besteht
aus einem Zweipunktglied 29, welches über einen Multiplizierer 30 mit einem Integrator
31 verbunden ist. Der Ausgang des Integrators 31 ist auf den Eingang des Zweipunktgliedes
g engekoppelt. Der Hochlaufgeber 28 entspricht dem Hochlaufgeber 14 und 17 der Figur
1 mit dem Unterschied, daß beim Hochlaufgeber 28 zwischen dem Zweipunktglied und
Integrator noch das Multiplizierglied 30 angeordnet ist. Damit wird der zeitliche
Anstieg des Ausgangssignals des Hochlaufgebers 28 der dem zweiten Eingang des Multiplizierers
30 zugeführten und vom Redhner 21 ausgegebenen Größe | talg| proportional. Bezeichnet
man mit ° Bmax die Maximalgeschwindigkeit des Bremsschieberantriebs, mit An* die
beabsichtigte Änderung des Drehzahlsollwertes, d.h. die Differenz zwischen dem alten
und dem neuen Drehzahlsollwert und mit AB0* die Differenz zwischen altem und neu
berechnetem Vorsteuerwert, dann läßt sich die Forderung nach gleichzeitigem Erreichen
der Sollwerte von Drehzahl und Drehmoment erfüllen, wenn die dem zweiten Eingang
des Multiplizierers 30 zugeführte Größe nach folgender Gleichung errechnet wird
Zur Erläuterung der Vorgänge beim Verfahren zwischen zwei Betriebspunkten diene
wiederum die Figur 2. Das System befindet sich zunächst im Arbeitspunkt D und es
soll der Punkt G angefahren werden.Dazu werden gleichzeitig mit der Vorgabe der
neuen, dem Arbeitspunkt G entsprechenden Sollwerte m* für das Moment und n* für
die Drehzahl der
nach Gleichung (1) berechnete VorsteuerwertOt
*Bo und die nach Gleichung (2) berechnete Anstiegsgeschwindigkeit des Hochlaufgebers
vom Rechner 21 ausgegeben und während des Verfahrens konstant gehalten. Nach Erreichen
des Punktes E wird das Eingangssignal des Grenzwertmelders 25 größer werden als
dessen Schranke 2 , sodaß der Drehmomentregler 15 gesperrt und allein der vom Rechner
21 vorausberechnete Yorsteuerwertd *Bo wirksam wird. Nach dem Erreichen des Punktes
F bewegen sich die Eingangsgrößen beider Grenzwertmelder 25 und 26 innerhalb der
diesen zugeordneten Schranken Sn und , womit am Ausgang des NOR-Gliedes 27 ein den
Drehmomentregler 15 wieder freigebendes L-Signal auftritt und der Zielpunkt G infolge
der Korrekturwirkung des nunmehr wirksamen Drehmomentreglers 15 trotz etwaiger Ungenauigkeiten
der Vorsteuerung exakt erreicht werden kann. Durch die Grenzwertgeber 25 und 26
und das NOR-Glied 27 wird also, wie in Figur 2 durch Schraffur angedeutet, um den
Zielpunkt ein rechteckförmig abgegrenzter Bereich festgelegt, in welchem jeweils
die Reglerfreigabe erfolgt. Die Größen om und 6 n müssen so gewählt werden, daß
trotz der nur angenäherten Beschreibung des Kennlinienfeldes durch die Gleichung
(1) dieser Zielbereich sicher erreicht wird.
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Anstatt wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt, die Drehzahl über
den Verbrennungsmotor und das Drehmoment über die Bremse zu regeln, könnte auch
die Drehzahl über die Bremse und das Drehmoment über den Verbrennungsmotor geregelt
werden. Es müßte hierzu also dem Drehmomentregler der Stellungsregler für die Position
des Einspritzhebels und dem Drehzahlregler der Stellungsregler für die Schieberposition
unterlagert werden. Diese Version hat allerdings eine etwas geringere Drehzahlkonstanz
und etwas längere Verfahrens zeiten zwischen den einzelnen Betriebspunkten zur Folge.
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6 Patentansprüche 3 Figuren
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