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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik zum Steuern des Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand.
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Um einen Verbrennungsmotor zu testen, ist es üblich, ihn mit einer Bremseinrichtung zu verbinden und seinen Lastzustand sowie die umgesetzte Bremsenergie zu steuern, um unterschiedliche Betriebspunkte des Verbrennungsmotors zu simulieren. Ein Verbrennungsmotor, der beispielsweise für ein Kraftfahrzeug geeignet ist, ist möglichst auf eine Art zu belasten, wie sie im realen Einsatz vorkommt. Dazu kann ein vergleichbarer Verbrennungsmotor in ein Kraftfahrzeug eingebaut und dort zu dessen Antrieb benutzt werden, während Verläufe bestimmter Parameter aufgezeichnet werden. Diese Parameter können beispielsweise eine Pedalstellung und eine Drehzahl umfassen. Die Pedalstellung entspricht der Stellung des Gaspedals, das durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs betätigt wird. Die aufgezeichneten Verläufe können später als Sollgrößen für den zu prüfenden Verbrennungsmotor dienen. Um eine möglichst realistische Abbildung der tatsächlichen Betriebsbelastung am Prüfstand zu erreichen, können unterschiedliche Werte gesteuert werden.
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In einer einfachen Ausführungsform werden der Pedalwert und der mechanische Widerstand, insbesondere das Drehmoment, der Bremseinrichtung gesteuert. Der Bremswiderstand wird dann in Abhängigkeit einer Straßensteigung und eines Geschwindigkeitsverlaufs variiert. Ein Getriebeverhalten, gegebenenfalls einschließlich einer Wandlerkupplung, muss dann ebenfalls nachgebildet werden. In diesem Fall ist die Dynamik des Kraftfahrzeugs häufig nur unzureichend dargestellt, da ein vorausschauendes Verhalten eines menschlichen Fahrers nicht nachgebildet wird. Häufig kann ein realistischer Drehzahlverlauf so nicht nachgebildet werden.
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In einer anderen Ausführungsform werden aufgezeichnete Verläufe, insbesondere einer Drehzahl und eines Pedalwerts, direkt am Verbrennungsmotor gesteuert. Dabei kann die Last des Motors auf dem Prüfstand von seinem Vorbild in dem Kraftfahrzeug abweichen. Die Drehzahlregelung der Bremseinrichtung kann einen nicht ursachengerechten Energieeintrag in den Fahrzustand bewirken. Darüber hinaus besteht beispielsweise in einer Leerlaufphase die Gefahr einer Reglerkollision, bei der die Kopplung des Verbrennungsmotors und der Bremseinrichtung zu einer Verspannung führt, die einem realen Betriebspunkt nicht entspricht. Die Steuerung des Verbrennungsmotors und der Drehzahlregler der Bremseinrichtung können beispielsweise gegeneinander arbeiten, so dass die Stellgröße des Verbrennungsmotors in Sättigung arbeiten kann. Der Verbrennungsmotor kann etwa im Leerlauf unter Volllast betrieben werden. Derartige Zustände müssen durch Sonderfälle einer Steuerung begegnet werden.
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DE 10 2012 009 002 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands, bei dem ein INC-Regler verwendet wird.
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EP 2 128 591 A2 zeigt ein Verfahren zur Überwachung von Leistungsprüfständen sowie einen Leistungsprüfstand. Dabei werden mehrere, einen aktuellen Zustand des Verbrennungsmotors charakterisierende Parameter ermittelt und automatisiert im Hinblick auf die Stabilität des Betriebszustandes des Prüfstands bewertet.
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Des Weiteren offenbart die
EP 1 452 848 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Prüfstandes für eine abtriebsseitig mit einer Leistungsbremse verbundenen Brennkraftmaschine.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors, insbesondere an einem Prüfstand, anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern eines Verbrennungsmotors umfasst Schritte des Steuerns des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit eines ersten Verlaufs eines Pedalwerts, des Steuerns einer mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Bremseinrichtung in Abhängigkeit eines zweiten Verlaufs einer Drehzahl und des Steuerns eines inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit eines dritten Verlaufs. Dabei wurden die drei Verläufe zuvor an einem vergleichbaren Verbrennungsmotor aufgezeichnet.
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Dadurch wird eine Steuerung auf den Pedalwert mit einer Steuerung des inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors verbunden. Das vorausschauende Verhalten eines Fahrers kann über den Pedalwert vorgesteuert werden. Durch das zusätzliche Regeln des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des inneren Kennwerts kann die Angleichung des inneren Lastzustandes des Motors abgesichert werden. Ein Fehler durch eine Störgröße äußert sich lediglich durch eine Abweichung eines äußeren Kennwerts.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst der innere Kennwert ein inneres Drehmoment des Verbrennungsmotors. Das innere Drehmoment stellt das gesamte durch den Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment dar. Das äußere Drehmoment, das an einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors abgenommen werden kann, ist um Verluste wie durch Reibung oder dem Betrieb eines Nebenaggregats kleiner als das innere Drehmoment.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der innere Kennwert eine Menge in den Verbrennungsmotor eingespritzten Kraftstoffs.
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In noch einer Variante umfasst der innere Kennwert eine Luftfüllung des Verbrennungsmotors. Die genannten Beispiele können miteinander kombiniert werden, um den inneren Kennwert zu bilden.
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Bevorzugterweise wurden die Verläufe aufgezeichnet, während der vergleichbare Verbrennungsmotor ein Kraftfahrzeug auf einem Rollenprüfstand oder einer Teststrecke antrieb. Eine einmalige Fahrt des Kraftfahrzeugs auf der Teststrecke kann ausreichen, um den Verbrennungsmotor beliebig oft unter vergleichbaren Bedingungen zu untersuchen.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Verbrennungsmotors umfasst eine erste Schnittstelle zur Entgegennahme eines ersten Verlaufs eines Pedalwerts, eine zweite Schnittstelle zur Entgegennahme eines zweiten Verlaufs einer Drehzahl, eine dritte Schnittstelle zur Entgegennahme eines dritten Verlaufs eines inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors, eine vierte Schnittstelle zur Steuerung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit des Pedalwerts, eine fünfte Schnittstelle zur Steuerung einer mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Bremseinrichtung in Abhängigkeit der Drehzahl und eine sechste Schnittstelle zur Entgegennahme eines vom Verbrennungsmotor bereitgestellten inneren Kennwerts. Ferner ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den Verbrennungsmotor mittels der vierten Schnittstelle so zu regeln, dass die Werte der dritten und der sechsten Schnittstelle einander entsprechen.
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Die Vorrichtung kann dazu verwendet werden, eine realistische Abbildung von Belastungs- bzw. Betriebszuständen eines Verbrennungsmotors zu realisieren. Ein zu untersuchender Verbrennungsmotor kann realistisch unter den Bedingungen eines vergleichbaren Verbrennungsmotors betrieben werden, an dem zuvor die ersten drei Verläufe aufgezeichnet wurden.
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In einer Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von Informationen der vierten Schnittstelle vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, den inneren Kennwert an die sechste Schnittstelle bereitzustellen. Der innere Kennwert kann durch die Steuereinrichtung als Rechengröße bestimmt werden, beispielsweise auf der Basis von Stellungen von Steuergliedern oder Betriebsparametern wie einer Drehzahl oder einer Lufttemperatur.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Wandlereinrichtung zur Bereitstellung des inneren Kennwerts an die sechste Schnittstelle auf der Basis von Messungen am Verbrennungsmotor vorgesehen. Die Wandlereinrichtung kann unabhängig von dem Verbrennungsmotor ausgeführt sein. Insbesondere kann die Wandlereinrichtung zur Bestimmung des inneren Kennwerts an unterschiedlichen Verbrennungsmotoren eingerichtet sein.
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Bevorzugterweise ist eine Abtastrate der Informationen an der sechsten Schnittstelle größer als ca. 10 Hz. Diese Abtastrate liegt in einem für die Lastdynamik des Verbrennungsmotors sinnvollen Bereich. Andere Verarbeitungen im Bereich der Vorrichtung können mit entsprechend hoher Dynamik arbeiten.
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Mit dem beschriebenen Verfahren, dem Computerprogrammprodukt und der Vorrichtung wird die für Applikationsarbeiten oder zur Bestimmung von Abgasen, Verbrauchen oder Leistungen geforderte hohe Vergleichbarkeit zwischen Fahrzeug- und Prüfstandsversuchen dargestellt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Figur, welche ein System zur Steuerung eines Verbrennungsmotors darstellt, genauer beschrieben.
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Die Figur zeigt ein System 100 zur Steuerung eines Verbrennungsmotors 105. Das System 100 umfasst eine Vorrichtung 110 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 105 und eine Bremseinrichtung 115, die zur Bereitstellung eines Gegendrehmoments an einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors 105 vorgesehen ist. Die Bremseinrichtung 115 kann beispielsweise einen steuerbaren elektrischen Generator oder eine steuerbare hydraulische Bremseinrichtung umfassen. Das System 100 kann insbesondere als Prüfstand zur Untersuchung des Verbrennungsmotors 105 verwendet werden.
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Die Vorrichtung 110 umfasst eine erste Schnittstelle 120 zur Entgegennahme eines ersten Verlaufs 125 eines Pedalwerts. Der erste Verlauf 125 reflektiert die Stellung eines Bedienelements zur Steuerung des Verbrennungsmotors 105. Der Verlauf 125 wurde zuvor während des Betriebs des Verbrennungsmotors 105, eines baugleichen oder vergleichbaren Verbrennungsmotors in einer Anwendung aufgezeichnet. Die Anwendung kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug umfassen, das mittels des Verbrennungsmotors 105 angetrieben wurde. Dabei kann das Kraftfahrzeug bevorzugterweise auf einem Rollenprüfstand oder einer Teststrecke eine vorbestimmte Strecke gefahren sein. Der erste Verlauf 125 reflektiert dann die Stellung des Gaspedals des Kraftfahrzeugs.
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Eine zweite Schnittstelle 130 der Vorrichtung 110 ist zur Entgegennahme eines zweiten Verlaufs einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 105 vorgesehen. Der zweite Verlauf 135 wurde parallel zum ersten Verlauf 125 aufgezeichnet und weist auf die Drehzahl des Verbrennungsmotors 105 hin.
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Eine dritte Schnittstelle 140 ist zur Entgegennahme eines dritten Verlaufs 145 eines inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors 105 eingerichtet. Der innere Kennwert wurde ebenfalls synchron mit den anderen Verläufen 125 und 135 und unter den gleichen Bedingungen aufgezeichnet. Der innere Kennwert bezeichnet einen Parameter des Verbrennungsmotors 105, der von außen üblicherweise nicht beobachtbar ist. Insbesondere kann der innere Kennwert ein inneres Drehmoment des Verbrennungsmotors 105 oder eine andere innere Lastgröße wie eine Menge eingespritzten Kraftstoffs oder eine Luftfüllung des Verbrennungsmotors 105 umfassen.
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Eine vierte Schnittstelle 150 der Vorrichtung 110 ist zur Steuerung des Verbrennungsmotors 105 vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verbrennungsmotor 105 eine Steuereinrichtung 155, die eine Variable entgegennimmt, der der Pedalstellung entspricht. Der Verbrennungsmotor 105 wird dann durch die Steuereinrichtung 155 in Abhängigkeit des empfangenen Parameters gesteuert und geregelt.
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Eine fünfte Schnittstelle 160 ist zur Steuerung der Bremseinrichtung 115 vorgesehen. Bevorzugterweise akzeptiert die Bremseinrichtung 115 eine Variable, der auf eine Drehzahl der Bremseinrichtung 115 bzw. des Verbrennungsmotors 105 hinweist. Das Bremsmoment der Bremseinrichtung 115 wird dann außerhalb der Vorrichtung 110 so eingestellt, dass sich die über die Schnittstelle 160 übermittelte Drehzahl am Verbrennungsmotor 105 einstellt.
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Eine Wandlereinrichtung 165 ist in einer ersten Ausführungsform zur Bereitstellung eines Signals, das auf einen aktuellen inneren Kennwert des Verbrennungsmotors 105 hinweist, an eine sechste Schnittstelle 170 vorgesehen. Das Signal kann beispielsweise mittels Indizierung bestimmt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der innere Kennwert des Verbrennungsmotors 105 auch durch die Steuereinrichtung 155 bereitgestellt werden. Die Wandlereinrichtung 165 kann dann entfallen. Sowohl die Steuereinrichtung 155 als auch die Wandlereinrichtung 165 bestimmen den inneren Kennwert bevorzugterweise auf der Basis von Messwerten am Verbrennungsmotor 105. Zu diesen Messwerten können Stellungen von Aktuatoren, Temperaturen, Durchfluss- bzw. Einspritzmengen und eine Drehzahl zählen.
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Die an der vierten Schnittstelle 150 durch die Vorrichtung 110 ausgegebene Stellgröße ist einerseits abhängig von dem ersten Verlauf 125 der Pedalstellung und andererseits von einer Abweichung des über die sechste Schnittstelle 170 empfangenen tatsächlichen inneren Kennwerts von dem vorgegebenen Kennwert des dritten Verlaufs 145. Die Differenz der inneren Werte der Schnittstellen 140 und 170 wird bevorzugterweise in einem Differenzbilder 175 bestimmt. Dessen Resultat wird optional in einer Regelstufe 180, die beispielsweise einen PI-Regler umfassen kann, aufbereitet und beispielsweise einem Addierer 185 bereitgestellt, der das Ausgangssignal der Regelstufe 180 zum Signal des ersten Verlaufs 125 der Pedalstellung addiert und an der vierten Schnittstelle 150 bereitstellt.
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Um die Vergleichbarkeit des inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors 105 und des dritten Verlaufs 145 sicherzustellen, müssen die Signale in gleicher Weise skaliert sein. Gegebenenfalls kann zur Anpassung eine Skalierung der inneren Kenngröße des Verbrennungsmotors 105 durch die Steuereinrichtung 155 bzw. die Wandlereinrichtung 165 oder eine Skalierung der vorgegebenen Kenngröße des ersten Verlaufs 125 durch eine externe Verarbeitungseinrichtung durchgeführt werden.
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Der zweite Verlauf 135 der Drehzahl wird bevorzugterweise unverändert an der fünften Schnittstelle 160 an die Bremseinrichtung 115 ausgegeben. Insofern kann auf die Schnittstellen 130 und 160 an der Vorrichtung 110 verzichtet werden, wenn anderweitig sichergestellt wird, dass die Bremseinrichtung 115 anderweitig so gesteuert wird, dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors 105 den zweiten Verlauf 135 einnimmt.
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Beispielsweise wird in einem ersten Schritt ein Kraftfahrzeug durch einen Verbrennungsmotor auf einem Rollenprüfstand oder einer Teststrecke angetrieben. Während des Testbetriebes werden in einem Schritt der erste Verlauf 125 der Pedalstellung, in einem Schritt der zweite Verlauf 135 der Drehzahl und in einem Schritt der dritte Verlauf 145 des inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors aufgezeichnet bzw. als Istwerte erzeugt. Dies erfolgt im Wesentlichen gleichzeitig.
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Die aufgezeichneten Verläufe 125, 135 und 145 werden dann der Vorrichtung 110 bereitgestellt bzw. auf diese Übertragen. In den folgenden Schritten wird der Verbrennungsmotor 105 realistisch unter Bedingungen belastet, die zuvor für den anderen Verbrennungsmotor im Testbetrieb galten.
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In einem Schritt werden die Verläufe 125, 135 und 145 der Vorrichtung 110 bereitgestellt. In einem Schritt wird der Verbrennungsmotor 105 in Abhängigkeit des ersten Verlaufs 125 gesteuert. Gleichzeitig wird die Bremseinrichtung 115 in einem Schritt in Abhängigkeit des zweiten Verlaufs 135 gesteuert. Ferner wird in einem Schritt ein innerer Kennwert des Verbrennungsmotors 105 in Abhängigkeit des dritten Verlaufs 145 geregelt. Dabei erfolgt die Regelung des Verbrennungsmotors 105 so, dass sowohl der erste Verlauf 125 als auch eine Abweichung des inneren Kennwerts des Verbrennungsmotors 105 vom dritten Verlauf 145 in die Steuerung des Verbrennungsmotors 105 eingehen, die über die vierte Schnittstelle 150 erfolgt.
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Die Informationen an den Schnittstellen 120, 130, 140, 150, 160 und 170 werden bevorzugterweise mit einer Abtastrate umgesetzt, die eine realistische Regelung des Verbrennungsmotors 105 bzw. der Bremseinrichtung 115 ermöglichen. Die Abtastrate sollte daher möglichst über ca. 10 Hz liegen. Dabei kann die Vorrichtung 100 eine Verarbeitung auch mit höherer Frequenz durchführen.
