DE2828920B2 - Regeleinrichtung für einen Verbrennungsmotorenprüfstand - Google Patents

Description

Λ η

bzw.

•)m

ίο

übersteigen, die Ausgangsgröße des überlagerten Drehmomentreglers auf den Wert Null gesetzt ist

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Rechner, welchem eingangsseitig den Sollwerten von Drehzahl (n*) und Drehmoment (m*) entsprechende Größen zugeführt sind und welcher daraus den zusätzlichen Soilwert (<x*b,J entsprechend der Beziehung bildet

wobei a und b zwei konstante Maßstabsfaktoren sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Sollwert des Drehzahlreglers ein aus einem zwischen einem Zweipunktglied (29) und einem Integrator (31) angeordneten Multiplizierer bestehender Hochlaufgeber (28) vorgesehen ist, wobei der zweite Eingang des Multiplizierers von einer Größe beaufschlagt ist. welche proportional der maximalen Verstellgeschwindigkeit des Schieberantriebs und dem Verhältnis von jeweils letzter Drehzahlsollwertände· rung (Δ n*) zu jeweils letzter Schieberstellungssollwertänderung(ZlA*fl,iJist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung for einen VerbrennungsmotPrenpröfstand mit einem Drefowhlregelkreis und einem Drehmomentregelkreis, wobei ein das Bremsmoment einer mit dem Motor gekuppelten Arbeitsmaschine beeinflussender Drehroomentregler vorgesehen ist. Derartige Motorenprüfstände können beispielsweise bei der Serienprüfung von Dieselmotoren eingesetzt werden und sind nach der Siemens-Zeitschrift 47 (1973), Heft 9, Seiten 685—690 bekannt Dort wird bei einer mit einer Verbrennungskraftmaschine mechanisch gekuppelten Pendelmaschine vorgeschlagen, für die Pendelmaschine wahlweise entweder einen Drehzahlregelkreis oder einen Drehmomentregelkreis vorzusehen, wobei beidesmal als Stellgröße ausschließlich der Ankerstrom der Pendelmaschine dient 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 Überblick über das gesamte Drehzahl-Drehmomentkennfeld der Verbrennungskraftmaschine vermag die bekannte Einrichtung jedoch ohne weiteres nicht zu vermitteln.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, es bei einer Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu ermöglichen, beliebige Betriebspunkte im gesamten Drehzahl-Drehmomentkennfeld anzufahren.

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 und ständig sowohl der Drehzahlregler als auch der Drehmomentregler im Eingriff 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.

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 Schiebei·- stellung 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.

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. 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 Überschwingen über die vorgesehene Schieberstellung zu rechnen ist.

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Figuren näher erläutert

werden.

Nach der schematischen Darstellung der Pig, t ist der ζ« prflfende Verbpennungsmptprf beispielsweise ein Dieselmotor !,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 xb die Position des Bremsschiebers abgebildet werden kann. Die Position des Bremsschiebers wird mittels eines Stellungsreglers 6 mit proportionalem Verhalten geregelt, dem von einer Vergleichsstelle 7 die Differenz zwischen dem Sollwert <x*b und dem Istwert fts der Schieberstellung zugeführt wird. Dem Stellungsregler 6 ist noch ein Leistungsverstärker nachgeordnet

Eine im Prinzip ähnliche Stellungsregelung ist für die Kraftstoffzufuhr des Dieselmotors 1 bestimmende Position des Einspritzhebels vorgesehen. Der Einspritzhebel wird von einem Gleichstromantrieb 8 betätigt 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 olm abgenommen wird. Dieser Stellungsistwert wird mit dem Sollwert «^#wder Einspritzhebelposition in einer Vergleichsstelle 11 verglichen und das Ergebnis dieses Vergleichs dem Stellungsregler 10 zugeführt dessen Ausgangsgröße dann — in einem Leistungsverstärker verstärkt — den Gleichstromantrieb beeinflußt

Der Stellungsregler 10 ist einem Drehzahlregler 12 unterlagert dem über eine Vergleichsstelle 13 die Differenz zwischen dem über einen Hochlaufgeber 14 geführten Drehzahlsollwert η* und dem von einem Meßwertgeber 15 gelieferten Istwert der Motordrehzahl zugeführt wird. Die Ausgangsgröße des Drehzahlregiers 12 stellt den Sollwert <x%/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 gebi'dete Differenz zwisehen 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 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.

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 ist. In der Fig. 2 ist ein solches Drehzahl-Drehmomentkennfeld dargestellt. Mit <x_M), λλπ, «<w. «m„_u1 sind Drehzahl-Drehmoinentkennlinien des Motors bezeichnet zu welchen vier bestimmte Positionen /%m des Kraftstoffeinspritzhebels gehören, wobei mit *.*&,,.„ die sogenannte Vollastkurve des Motors 1 bezeichnet ist,

welche sich bei maximaler fCraftst0ff3ufu.br ergibt Mit ««min, «ei, <*m, oiB3<»m und «em«sind sechs verschiedene Positionen «β des Bremsschiebers der Wasserbremse entsprechende Drehmoment-Drehzahlkennlinien dargestellt wobei die mit ««m und »Bmm bezeichneten Kennlinien sich for die beiden extremen Positionen des Bremsschiebers ergeben, und zwar die mit «am» bezeichnete Kennlinie bei ganz herausgefahrenem Bremsschieber, wodurch sich die maximale Belastung durch die Wasserbremse 2 ergibt

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. Soll beispielsweise entsprechend dem Diagramm nach Fig.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 überschwingens des Momentes über den vorgegebenen Sollwert hinaus ein Punkt der Vollastkurve erreicht werden, beispielsweise der Punkt C, bei welchem das Moment kleiner ti. t als der vorgegebene Sollwert Es wird sich dann an der Verg.'eichsstelle 7 eine positive Regelabweichung ergeben, welche die Bremse zu weiterer Steigerung der Belastung veranlaßt Dadurch wandert der Betriebspunkt auf der Vollastkuve abwärts und dies setzt sich solange fort bis schließlich der Betriebspunkt erreicht ist welcher durch den Schnittpunkt der Motor-Vollastkennlinie a-Mmax und der maximalen Belastungskennlinie der Bremse κβπαχ 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 Addierglied 19, dessen Ausgangsspannung die obere Begrenzung B+ für den PI-Regler 15 darstellt, wird die Summe aus dem Stellungsistwert αa des Bremsenschiebers und einem Zusatzwert δχβ 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. Damit wird eine Begrenzung des Ausgangssignals des dem Schieberstellungsregler 6 überlagerten Reglers 15 auf Werte erreicht, welche nur geringfügig verschieden von der Bremsenschieberstellung «b sind, denn es kann sich maximal um dtxe vom aktuellen Istwert «a unterscheiden. Damit wird eine unzulässige Überhöhung des Integralanteils im Ausgangssignal des als Pl-Verstärker ausgebildeten Momentreglers 15 — ein sogenanntes Überladen bzw. Vollaufen dieses Reglerintegrators — und somit auch ein nennenswertes Überschivingen unterbunden. Der Zusatzwert διχβ wird so gewählt, daß der Bremsenschieberantrieb seine maximale Verstellgeschwindigkeit erreicht. Er kann bei großer Verstärkung des StellungsregWs 6 sehr klein gewählt werden.

Wird als Arbeitsmaschine anstelle der Wasserbremse eine mit dem Verbrennungsmotor 1 gekuppelte Wirbelstrombremse verwendet, so wire' dom Drehmomentregler 15 analog der in Fig. 1 dargestellten Weise ein Erregerstromregelkreis unterlagen. Die Begrenzungen ß+ und B- für den Ausgang des Reglers 15 werden dabei — ebenfalls analog zu der in Fig. I dargestellten Anordnung — vom aktuellen Erregerstromistwert abgeleitet.

Fig. 3 zeigt eine Erweiterung der in Fig. I

dargestellten Regeleinrichtung, welche zur Beschleunigung der Dynamik beim Anfahren der Betriebspunkte dient und sich insbesondere bei einer Wasserbremse als Arbeitsmaschine empfiehlt. Sie beruht auf dem Gedanken, den zum Anfahren eines neuen Betriebspunkt erforderlichen Positionssollwert Für den Stellungsregler 6 nicht erst langsam von dem überlagerten PI-Regl?r 15 aufbauen zu lassen, sondern diesen vorauszuberechnen und dem Stellungsregler 6 sobald als möglich anzubieten. Damit kann die Stellgesohwindigkeit des Bremsenstellgliedes optimal ausgenutzt werden, was insbesondere bei relativ niedrigen, maximal erreichbaren Stellgeschwindigkeiten, wie z. B. bei einer schiebergesteuerten Wasserbremse, wichtig ist.

Die in der F i g. 3 dargestellte Erweiterung der Regeleinrichtung gemäß Fig. I betrifft nur den dort links der mit I —I bezeichneten Trennungslinie dargestellten Teil; rechts dieser in Fig.3 ebenfalls mit I —I

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ebenfalls ein Nullsignal erzwingt und ihn gewissermaßen außer Betrieb setzt. Dann ist allein der vom Rechner 21 ermittelte Vorsteuerwert x*b<, wirksam.

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 «β ihren Sollwert a* 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 gegengekoppelt. Der Hochlaufgeber 28 entspricht dem Hochlaufgeber 14 und 17 der Fig. 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

Hpc Mrkr'hlnilfffpKprc 9ft rlpr rlpm 7u/pitpn Ptncroncr rlec

entsprechende Teil der F i g. 1 an. Die Vorausberechnung des auf den Stellungsregler 6 im Sinne einer Vorsteuerung wirkenden Sollwertes — des Vorsteuerwertes öl*Bo — erfolgt mittels einer Rechenschaltung oder eines Rechners 21 und verwendet folgende, neu gefundene, angenäherte analytische Beschreibung des Kennlinienfeldes einer schiebergesteuerten Wasserbremse:

m = a ■ n² ■ e¹" B

wobei a und b konstante Maßstabsfaktoren, m das Drehmoment, η die Drehzahl und <xn 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 eini:s automatisierten Serienprüfstandes von ihm seibü ijebüuet werden, ermittelt dieser entsprechend der obigen Beziehung den optimalen Vorsteuerwert

-'■■η

V α ■ η' 2 J

(I)

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.

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 -γ- bzw. —^-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 Entsprechend dieser logischen Verknüpfung erfolgt die Freigabe des Reglers 15 nur dann, wenn die Soll-Istwertdifferenz des Momentes an der Vergleichsstelle 24 und der Drehzahl an der Vergleichsstelle 23 absolut kleiner sind als die zuvor erwähnten Schranken A^- bzw. —γ-. Im anderen Fa!! erscheint am Ausgang des NOR-Gatters 27 ein Nullsignal, welches beispielsweise über einen Begrenzungseingang des PI-Reglers 15 an dessen Ausgang

Multiplizierers 30 zugeführten und vom Rechner 21 ausgegebenen Größe \nmj{ proportional. Bezeichnet man mit «βπυΐ die Maximalgeschwindigkeit des Bremsschieberantriebs, mit Δη* die beabsichtigte Änderung des Drehzahlsollwertes, d. h. die Differenz zwischen dem alten und dem neuen Drehzahlsollwert und mit ΔχΒο* die Differenz zwischen altem und neu berechnetem Voisteuerwert, dann läßt sich die Forderung nach gleichze'*igem Erreichen der Sollwerte von Drehzahl und Drehmoment erfüllen, wenn die dem zweiten Eingang des Multiplizierers 30 zugeführte Größe nach folgender Gleichung errechnet wird

\n*

Zur Erläuterung der Vorgänge beim Verfahren zwischen zwei Betriebspunkten diene wiederum die F i g. 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 Vorsteuerwert λ*βο 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

so daß der Drehmomentregler 15

gesperrt und allein der vom Rechner 21 vorausbe^r .-chnete Vorsteuerwert oc*bo wirksam wird. Nach dem Erreichen des Punktes Fbewegen sich die Eingangsgrößen beider Grenzwertmelder 25 und 26 innerhalb der

diesen zugeordneten Schranken -^- 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 F i g. 2 durch Schraffur angedeutet, um den Zielpunkt ein rechteckförmig abgegrenzter Bereich festgelegt, in welchem jeweils die Reglerfreigabe erfolgt. Die Größen διτ. und δη müssen so gewählt werden, daß trotz der nur angenäherten Beschreibung des Kennlinienfeldes durch

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die Gleichung (1) dieser Zielbereich sicher erreicht wird. lungsregler für die Position des Einspritzhebels und dem

Anstatt wie in den Fig. I und 3 dargestellt, die Drehzahlregler der Stellungsregler für die Schieberpo-

Drehzahl über den Verbrennungsmotor und das sition unterlagert werden. Diese Version hat allerdings

Drehmoment über die Bremse zu regeln, könnte auch eine etwas geringere Drehzahlkonstanz und etwas

die Drehzahl über die Bremse und das Drehmoment > längere Verfahrenszeiten zwischen den einzelnen

über den Verbrennungsmotor geregelt werden. Es Betriebspunkten zur Folge.
muJte hierzu also dem Drehmomentregler der Stel-

Hierzu 2 15UiIl /cicliininucn

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Regeleinrichtung für einen Verbrennungsrootoren-Prflfstand mit einem Drehzahlregelkreis und einem Drehmomentregelkreis, wobei ein das Bremsmoment einer mit dem Motor gekuppelten Arbeitsmaschine beeinflussender Drehmomentregler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Kraftstoffzufuhr des Motors (1) beeinflussender Drehzahlregler (12) vorgesehen ist und ständig sowohl der Drehzahlregler als auch der Drehmomentregler (IS) im Eingriff sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehzahlregler ein Stellungsregler (10) für die Position des Kraftstoffeinspritzhebels und dem Drehmomentregler ein Stellungsregler (6) for die Schieberposition einer Wasserbremse (2) oder ein Stromregler für die Erregung einer Wirbelstrombremse unterlagert ist

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zumindest der Drehmomentregler als PI-Regler ausgebildet ist und seine Ausgangsgröße auf zwei Werte (B+ ,B-) begrenzt wird, welche um einen bestimmten Betrag (ö/xb) Ober bzw. unter dem jeweiligen Istwert (OsJ der Schieberposition bzw. des Erregerstromes liegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der SteUungsregler für die Schieberposition der Wasserbremse mit einem zusätzlichen, der vorgesehenen Sollposition des Schieberantriebs entsprect.nden Sollwert (δ*βο) vorgesteuert ist und für Regelabweichungen der Drehzahl oder des Drehmoc snts, deren Beträge bestimmte Mindestwerte