JP2014527158A - テストスタンド用の流体式トルク発生装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

テストスタンド用の流体式トルク発生装置（３）が、少なくとも１つの入口バルブと、少なくとも１つの出口バルブと、これらのバルブに接続された少なくとも１つのバルブ位置用制御装置とを有する。
フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とから構成される制御装置内で制御を実行することによって、当該機械装置は、動的テストスタンドに対しても使用され得る。

Description

本発明は、少なくとも１つの入口バルブと、少なくとも１つの出口バルブと、これらのバルブに接続された少なくとも１つのバルブ位置用制御装置とを有するテストスタンド用の流体式トルク発生装置に関し、流体式トルク発生装置を制御する方法に関する。

動的テストスタンドが、例えば、乗用車又はトラックにおけるような内燃機関に負荷を付与するために使用される。実際の車両における測定とは違って、被試験体の負荷、温度、圧力等に関して再現可能な条件が、動的テストスタンドで再現され得、パラメーター化、試験及び法律で義務付けられている測定のための時間及びコストが削減され得る。当該テストスタンドで使用されるトルク発生装置は、特定の種類に限定されているのではなくて、電気式機械装置のほかに、例えば、様々な液位を伴う流体式機械装置も使用され得る。

多くの場合、小出力及び中出力の内燃機関（乗用車のエンジン、トラックのエンジン等）用の動的テストスタンドは、電気式機械装置を備える。当該機械装置は、試験用シャフトを介して試験すべきエンジンに接続されている。これに対して、現在の、中出力及び大出力の内燃機関に対する静的な測定は、多くの場合に、流体式機械装置を有するテストスタンドで実行される。一般に、当該流体式機械装置は、電気式機械装置より劣る動特性を有し、その制御において問題をより多く有する。しかしながら、当該流体式機械装置は、非常に経済的な代替装置である。

したがって、本発明の課題は、当該流体式機械装置を動的テストスタンドでも使用できるように、流体式トルク発生装置に対する構成及び当該装置に対する制御方法を提供することにある。

この課題を解決するため、フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とから構成される制御部が、制御装置内に設けられていることが本発明にしたがって提唱されている。当該構成によって、非常に小さい機械慣性を有する流体式機械装置を、動的測定に対しても使用することが可能である。

第１の好適な実施の形態によれば、さらに、トルク発生装置は、フィードフォワード制御部が制御装置内に設けられていて、このフィードフォワード制御部はこのトルク発生装置の静的な非線形特性図の反転に基づくことを特徴とする。

本発明によれば、別の実施の形態は、少なくとも１つの入口バルブと少なくとも１つの出口バルブとが一緒に制御装置に接続されていることを特徴とする。したがって、ここでは、フィードバック部が、ただ１つで且つ非常に簡単な制御装置から構成される。この制御装置は、最も簡単な場合には入口バルブと出口バルブとに対して同様に作用する。

本発明によれば、当該課題を解決するため、制御方法は、トルク発生装置の液位がフィードフォワード制御とフィードバック制御とによって変更され、これらの制御がこのトルク発生装置の複数のバルブのうちの少なくとも１つのバルブの位置を決定することを特徴とする。

したがって、好適な実施の形態は、少なくとも１つの出口バルブの位置と少なくとも１つの入口バルブの位置とが、フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とによって同時に決定されることを提唱する。

特に、フィードフォワード制御部は、トルク発生装置の静的な非線形特性図の反転に基づく。

さらに、本発明の方法の好適な実施の形態は、入口バルブの位置と出口バルブの位置とが、フィードフォワード制御部内で、追加の条件を使用して、要求されたトルクから計算されることを特徴とする。

別の実施の形態によれば、追加の条件として、トルク発生装置の水流の温度に対する限界値を守ることが保証される。

本発明の別の方法では、特に好ましくは、トルク発生器の動作点が、設定可能な基準値に、必要ならば時間をずらして、追従される。

以下の説明で、本発明を好適な例に基づいて、図面を参照して詳しく説明する。

動的トルク発生装置を有する、内燃機関用の動的テストスタンドを大まかに示す。 回転数ｎ＝１０００^−１に対するバルブ位置の関数としての、流体式トルク発生装置によって提供されたトルクのグラフである。 図２に対する複数の等高線を示す。 ほぼ空にされたトルク発生装置のときのトルクの遅延した立ち上がりを示すためのグラフである。

図１に大まかに示された動的テストスタンド上には、内燃機関が、被試験体１として試験用シャフト２を介して負荷装置３に接続されている。この負荷装置３は、トルクをこの被試験体に印加する。本発明によれば、この負荷装置は、流体機械装置である。発生したトルクを変更するため、この流体機械装置の液位又は液位の変化が、少なくとも１つの出口バルブだけを通じて又は少なくとも１つの入口バルブと少なくとも１つの出口バルブとの双方を通じて制御される。従来において使用されていた、入口バルブと出口バルブとを有する流体機械装置を制御するための方法では、主に出口バルブを通じてトルクを制御する一方で、当該出口バルブの温度又は入口バルブと出口バルブとの間の温度差は、主に入口バルブを通じて制御されていた、すなわち当該流体機械装置に流れる水流量によって制御されていた。当該出口バルブの温度又は当該温度差自体は、単独で制御すべき変数ではなく、所定の限界値が満足されていることだけが保証されていればよい。しかしながら、当該公知の解決手段は、液位の変更を制限する。この場合、特に、トルクの上昇が、部分的に遅延されている。

本発明によれば、フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とから構成される制御部が、流体機械装置の制御装置内に設けられている。当該フィードフォワード制御部は、トルク発生装置の静的な非線形特性図（図２参照）の反転に基づく。当該特性図は、バルブ位置と回転数と発生するトルクとの間の関係を示す。この特性図は、流体機械装置に対して１回だけ記録される必要がある。当該静的な非線形特性図を作成するために必要である測定回数が、実験計画法（ＤＯＥ）を使用することによって削減され得る。

入口バルブの位置と出口バルブの位置とが、フィードフォワード制御部内で、追加の条件を使用して、要求されたトルクから計算される。当該トルクと同じトルクは、複数のバルブ位置によって取得され得るので、これらのバルブ位置は必要である。本発明にしたがって特に提唱されているように、トルクを制御するため、及び、温度の限界値を守ることを保証するため、入口バルブと出口バルブとが同時に使用されるときに、トルクが、より速く変更され得る。例えば、流体機械装置の液位、すなわちトルクが上昇されなければならないときは、当該トルクの上昇は、最も早く、出口バルブを完全に閉じ且つ入口バルブを完全に開けることによって達成される。

１つの制御装置を入口バルブと出口バルブとの双方に対して使用するのは、同じトルクを示す上記複数の等高線を４５°未満に傾けるためである。したがって、外乱、理想の等高線（Ｍｏｄｅｌｌ）と実際の等高線（Ｓｔｒｅｋｅ）との間の偏差等に応じた補正が、同じトルクを示すこれらの等高線に対してほぼ直角に実行される。図３は、一定の回転数に対する２つのバルブ位置に応じた流体機械装置のトルクを示す。この具体例では、要求されたトルクに達するためのバルブ位置が、１つの「設計点」までの最短距離を用いて計算される。このため、動力計が、当該稼働範囲の中心で稼働される。トルクの勾配が、特性図のこの範囲内で最大ではないものの、この範囲は、当該特性図のその勾配と外乱の抑制とを考慮した良好な折衷範囲である。このため、さらに、流体機械装置に流れる特定の水流量が常に保証され、出口バルブの温度又は温度差が、所定の範囲内に維持される。さらに、上記設計点を補正することによって、流体機械装置に流れる水流量を制御することが可能である、すなわち、要求されたトルク又は要求された出力が、許容範囲内にある限り、当該温度範囲を保証することが可能である。

外乱を補正し、理想の等高線（Ｍｏｄｅｌｌ）と実際の等高線（Ｓｔｒｅｋｅ）との間の偏差を補正するための、上記フィードバック制御の構成は図３に基づく。図２又は３によれば、２つのバルブが、このフィードバック制御と、「設計点」を稼働範囲の中心に可能な限り近づけることとによって稼働される。一方では、所定の限界値を満足するため、このフィードバック制御は、出口バルブの水温又は入口バルブと出口バルブとの間の温度差に応じて「設計点」を移動させることによって補完される。他方では、これらのバルブのこのフィードバック制御は、トルク制御ループによって拡張される。

１つの所定のトルクに対する複数のバルブ位置の多数の組み合わせが、１つの一定の回転数に対して、４５°未満に傾斜されている１つの等高線上に存在する。当該組み合わせは、０％又は１００％の範囲内のバルブ位置に対してだけ除かれる。実際には、これらの領域は回避されなければならない。何故なら、これらの領域が使用された場合は、流体機械装置の、確実で且つ経済的な稼働が不可能であるからである。動力計をトルク又は出力の当該限界値で稼働させると、安定余裕が全くない。

このため、２つのバルブ位置に関する外乱及び偏差が、単独のフィードバック制御によって一緒に且つ同時に補正可能である。定常稼働中では、当該補正は、バルブ位置の僅かな変更によって達成され、したがって、流体式動力計が、稼働範囲の中心の近くで稼働し続ける。

このとき、任意の種類のトルク発生装置の当該限定された動特性の補正が、遅延素子とトルク発生装置に配置されるフィルタとを採用することによって可能である。例えば、部分的に充填された水動力計のトルクが、特により高い回転数のときに速く変更され得る。流体機械装置がほとんど空になっているならば、遅延が、液位の上昇時に発生する。図４は、標準制御（Ｓ）及び本発明の制御（Ｅ）を使用したときの変化する回転数要求量（Ｒ）に追従するこの挙動を示す。

一方では、当該要求量（基準値）の経時変化は、オペレータによって手動で設定され得る。他方では、当該要求量の経時変化は、試験サイクルごとに前もって既知である。これらの双方の場合において、当該情報が、回転トルク発生装置の動作点を変更するために使用され、当該変更を通じて、時間的にずれるものの、ほぼ正確に所定の当該要求量に追従できるようにするために使用されることによって、当該トルク発生装置が、トルクの変化に対応され得る。ほとんど空になった水動力計の場合には、トルクの当該要求量の実際の変化の前に、液位の変化が開始され得る。その結果、遅延時間が補正され得る。手動で設定される場合には、当該要求量は、さらに遅延されうる。しかしながら、当該さらなる遅延は、テストスタンドの実際の稼働に全く影響しない。

１ 被試験体、内燃機関
２ 試験用シャフト
３ 負荷装置、試験機、動力計

Claims (9)

1. 少なくとも１つの入口バルブと、少なくとも１つの出口バルブと、これらのバルブに接続された少なくとも１つのバルブ位置用制御装置とを有するテストスタンド用の流体式トルク発生装置（３）において、
   フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とから構成される制御部が、前記制御装置内に設けられていることを特徴とするトルク発生装置。
2. フィードフォワード制御部が、前記制御装置内に設けられていて、このフィードフォワード制御部は、前記トルク発生装置の静的な非線形特性図の反転に基づくことを特徴とする請求項１に記載のトルク発生装置。
3. 少なくとも１つの入口バルブと少なくとも１つの出口バルブとが、一緒に前記制御装置に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトルク発生装置。
4. 特に動的テストスタンドで流体式トルク発生器を制御するための方法において、
   前記トルク発生装置の液位が、フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とによって変更され、これらの制御は、このトルク発生装置の複数の前記バルブのうちの少なくとも１つのバルブの位置を決定することを特徴とする方法。
5. 少なくとも１つの出口バルブの位置と少なくとも１つの入口バルブの位置とが、フィードフォワード制御部とフィードバック制御部とによって同時に決定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記フィードフォワード制御部は、前記トルク発生装置の静的な非線形特性図の反転に基づくことを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
7. 入口バルブの位置と出口バルブの位置とが、前記フィードフォワード制御部内で、追加の条件を使用して、要求されたトルクから計算されることを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
8. 追加の条件として、前記トルク発生装置の水流の温度に対する限界値を守ることが保証されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記トルク発生器の動作点が、設定可能な基準値に、必要ならば時間をずらして、追従されることを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の方法。

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