DE102016123251A1 - Method for testing a motor by means of an engine test bench - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Motors mittels eines Motorenprüfstands und einen Motorenprüfstand. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Regler verwendet, um eine Temperatur eines Abgases in einem Abgasstrang des Motors einzuregeln, wobei als Eingangsparameter des Reglers eine Ist-Temperatur des Abgases im Abgasstrang verwendet wird, und der Regler in Abhängigkeit einer Soll-Temperatur des Abgases im Abgasstrang ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ eines für eine Verbrennung vorgesehenen Luft-Kraftstoffgemischs bestimmt.The invention relates to a method for testing an engine by means of an engine test bench and an engine test bench. According to the method of the invention, a controller is used to regulate a temperature of an exhaust gas in an exhaust line of the engine, wherein the input parameter of the controller is an actual temperature of the exhaust gas is used in the exhaust system, and the controller in response to a target temperature of the exhaust gas in the exhaust line determines an air-fuel ratio λ of an intended for combustion air-fuel mixture.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Motors mittels eines Motorenprüfstands und einen Motorenprüfstand. The invention relates to a method for testing an engine by means of an engine test bench and an engine test bench.
Zur Einsparung von Zeit und Kosten ist es wünschenswert, die Prüfung von Motoren auf einem Motorprüfstand so weit wie möglich automatisiert zu betreiben. Eine limitierende Größe für die Prüfung eines Motors stellt die Abgastemperatur dar, welche auf Grund der Temperaturbeständigkeit bestimmter Motorkomponenten wie Abgaskrümmer, Turbolader oder Katalysator einen gewissen, materialabhängigen Temperaturgrenzwert nicht überschreiten darf. Ein gegebenenfalls notwendiges Senken der Abgastemperatur erfolgt bei einem Ottomotor üblicherweise durch ein sogenanntes „Anfetten“. Während der Motor im Normalbetrieb mit einen Verbrennungsluftverhältnis von 1 (Lambda/λ = 1) betrieben wird, bringt man mehr Kraftstoff als für die eigentliche Verbrennung nötig ist in den Brennraum ein und nutzt die Energie, welche nötig ist den Kraftstoff vollständig zu verdampfen, dazu das Gemisch abzukühlen. Übliche Werte liegen hier zwischen λ = 1 und λ = 0.75. Anfettungsbedarf besteht dabei vor allem im Bereich hoher Drehzahlen und hoher Lasten. Ist ein Steuergerät des Motors bereits bedatet, wird auf ein entsprechendes Bauteilschutz-Kennfeld zurückgegriffen, welches den Lambdawert für jeden Last/Drehzahl-Punkt vorgibt. Befindet sich der Motor beispielsweise noch in einer frühen Entwicklungsphase, ist dieses Kennfeld meist nicht oder nur unzureichend bedatet. Ein Prüfstandsfahrer muss das Lambda für jeden Punkt manuell einstellen, was auf Grund der Wechselwirkung z.B. mit dem aktuellen Zündzeitpunkt ein langsamer, iterativer Prozess ist. Das Betreiben des Motors ist damit ohne Prüfstandsfahrer nicht möglich. To save time and cost, it is desirable to automate the testing of engines on an engine test bench as much as possible. A limiting factor for the testing of an engine is the exhaust gas temperature, which may not exceed a certain, material-dependent temperature limit due to the temperature resistance of certain engine components such as exhaust manifold, turbocharger or catalytic converter. Any necessary lowering of the exhaust gas temperature is usually carried out in a gasoline engine by a so-called "enrichment". While the engine is operated in normal operation with a combustion air ratio of 1 (lambda / λ = 1), one brings more fuel than necessary for the actual combustion is in the combustion chamber and uses the energy necessary to evaporate the fuel completely, to to cool the mixture. Usual values are between λ = 1 and λ = 0.75. There is a need for enrichment especially in the area of high speeds and high loads. Is a control unit of the engine already bedatet, resorted to a corresponding component protection map, which sets the lambda value for each load / speed point. For example, if the engine is still in an early developmental phase, this map is usually not or insufficiently populated. A test stand driver must set the lambda manually for each point, which due to the interaction e.g. with the current ignition timing is a slow, iterative process. Operating the engine is thus not possible without a test stand driver.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen eines Motors mittels eines Motorenprüfstandes verwendet einen Regler, um eine Temperatur eines Abgases in einem Abgasstrang des Motors einzuregeln, wobei als Eingangsparameter des Reglers eine Ist-Temperatur des Abgases im Abgasstrang verwendet wird, und der Regler in Abhängigkeit einer Soll-Temperatur des Abgases im Abgasstrang ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ eines für eine Verbrennung vorgesehenes Luft-Kraftstoffgemischs bestimmt. The method according to the invention for testing an engine by means of an engine test bench uses a controller to regulate a temperature of an exhaust gas in an exhaust line of the engine, wherein an actual temperature of the exhaust gas in the exhaust system is used as input parameter of the controller, and the controller in dependence of a target Temperature of the exhaust gas in the exhaust line, an air-fuel ratio λ determined for a combustion air-fuel mixture determined.
Durch das Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ des Luft-Kraftstoffgemischs entsprechend des bestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ lässt sich die Ist-Temperatur des Abgases ändern. Die Erfindung ermöglicht es, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ während einer Prüfung des Motors auf dem Prüfstand automatisch, d.h., ohne Mitwirkung eines Prüfstandfahrers, anzupassen. Damit ermöglicht es die Erfindung, Motoren, auch wenn diese unzureichend bedatet sein sollten, zumindest teilweise automatisiert zu prüfen. Komponenten des Abgasstrangs, die bei hohen Temperaturen beschädigt werden könnten, werden geschützt. By adjusting the air-fuel ratio λ of the air-fuel mixture according to the determined air-fuel ratio λ, the actual temperature of the exhaust gas can be changed. The invention makes it possible to automatically adjust an air-fuel ratio λ during a test of the engine on the test bench, that is to say without the assistance of a test driver. Thus, the invention makes it possible to test motors, at least partially automated, even if they are insufficiently loaded. Components of the exhaust system that could be damaged at high temperatures are protected.
Ein erfindungsgemäßer Motorenprüfstand umfasst einen Regler zum Regeln der Temperatur eines Abgases in einem Abgasstrang eines Motors, wobei der Regler eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. An engine test bench according to the invention comprises a controller for regulating the temperature of an exhaust gas in an exhaust gas line of an engine, wherein the controller is set up to carry out a method according to the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Motorenprüfstands werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Die Figur zeigt schematisch mehrere, aneinander angrenzende Temperaturbereiche eines Abgases in einem Abgasstrang eines Motors. Die Temperaturbereiche werden in der Strategie des Reglers berücksichtigt. Preferred embodiments of a method according to the invention and an engine test stand will be explained in more detail with reference to the following figure. The figure shows schematically several adjacent temperature ranges of an exhaust gas in an exhaust line of an engine. The temperature ranges are taken into account in the controller's strategy.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen Regler, um eine Temperatur eines Abgases in einem Abgasstrang des Motors einzuregeln. Als Eingangsparameter des Reglers wird eine Ist-Temperatur des Abgases im Abgasstrang verwendet. Der Regler bestimmt in Abhängigkeit der Ist-Temperatur und einer Soll-Temperatur des Abgases im Abgasstrang ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis λ eines für eine Verbrennung vorgesehenes Luft-Kraftstoffgemischs. Entsprechend des bestimmten λ-Wertes wird der λ-Wert des Luft-Kraftstoffgemischs durch einen auf einem Steuergerät implementierten Lambda-Regler des Motors eingestellt und damit eine Temperaturänderung des Abgases bewirkt. Der Regler zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ ist bevorzugt auf einem geeigneten Steuergerät des Motorprüfstandes implementiert. Die Steuergeräte des Prüfstands und des Motors sind zwecks Datenübertragung oder Übertragung von Steuersignalen miteinander verbunden zwecks automatisierter Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses λ am Motor. The method of the invention uses a regulator to regulate a temperature of an exhaust gas in an exhaust line of the engine. As an input parameter of the controller, an actual temperature of the exhaust gas is used in the exhaust system. Depending on the actual temperature and a desired temperature of the exhaust gas in the exhaust gas line, the controller determines an air-fuel ratio λ of an air-fuel mixture intended for combustion. In accordance with the determined λ value, the λ value of the air-fuel mixture is adjusted by a lambda controller of the engine implemented on a control unit, thereby causing a temperature change of the exhaust gas. The controller for determining the air-fuel ratio λ is preferably implemented on a suitable control unit of the engine test bench. The control units of the test bench and of the engine are interconnected for the purpose of data transmission or transmission of control signals for the purpose of automated adjustment of the air-fuel ratio λ at the engine.
Es ist bevorzugt, als Eingangsparameter die Ist-Temperatur vor einer Abgasturbine, vor einem Katalysator und/oder im Katalysator des Abgasstrangs zu verwenden. Andere Messstellen im Abgasstrang sind ebenfalls möglich. Hat der Motor zwei Abgasstränge, ist es bevorzugt, die Ist-Temperatur in beiden Abgassträngen für die jeweiligen Bauteilkomponenten des Abgasstranges zu verwenden. Die Ist-Temperatur lässt sich durch hinlänglich bekannte geeignete Messtechnik oder eventuell auch Temperaturmodelle bestimmen. It is preferred to use as input parameters the actual temperature upstream of an exhaust gas turbine, upstream of a catalytic converter and / or in the exhaust gas catalytic converter. Other measuring points in the exhaust system are also possible. If the engine has two exhaust gas lines, it is preferable to use the actual temperature in both exhaust gas lines for the respective component components of the exhaust line. The actual temperature can be determined by well-known suitable measuring technology or possibly even temperature models.
Als Soll-Temperatur wird bevorzugt ein Temperaturgrenzwert der thermischen Belastung einer Komponente des Abgasstrangs verwendet wird. In diesem Falle kann es ein Temperaturgrenzwert einer Abgasturbine oder eines Katalysators sein. Weist der Abgasstrang oder weisen die Abgasstränge mehrere temperaturempfindliche Komponenten auf, ist es bevorzugt, im Falle solcher mehrerer Temperaturgrenzwerte als Soll-Temperatur den niedrigsten der Temperaturgrenzwerte zu verwenden. As a target temperature, a temperature limit of the thermal load of a component of the exhaust gas line is preferably used. In this case, it may be a temperature limit of an exhaust gas turbine or a catalyst. Indicates the exhaust system or the exhaust lines have several temperature-sensitive components, it is preferable to use the lowest of the temperature limits in the case of such a plurality of temperature limit values as the target temperature.
Ebenfalls kann eine Abhängigkeit der Temperaturgrenzwerte von einem Betriebspunkt des Motors (Last und Drehzahl) berücksichtigt werden. So kann in einem Prüfverfahren in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Temperaturgrenzwert einer Komponente und damit die Soll-Temperatur angepasst werden. Likewise, a dependence of the temperature limits on an operating point of the engine (load and speed) can be considered. Thus, in a test method depending on the operating point of the temperature limit of a component and thus the target temperature can be adjusted.
Des Weiteren ist der Regler bevorzugt derart eingerichtet, dass die Temperatur von niedrigeren Temperaturen an die Soll-Temperatur herangeführt wird. Zweck ist es, ein Überschreiten der Temperaturgrenzwerte zu vermeiden (beispielsweise durch Überschwinger), um Beschädigungen der Komponenten zu verhindern. Furthermore, the controller is preferably set up such that the temperature is brought from lower temperatures to the desired temperature. The purpose is to avoid exceeding the temperature limits (eg by overshoots) to prevent damage to the components.
Im Folgenden wird eine spezielle Ausführungsform des Reglers beschrieben. Bei dem Regler handelt es sich vorzugsweise um einen PID-Regler. Hereinafter, a specific embodiment of the controller will be described. The controller is preferably a PID controller.
In einem Bereich B0, siehe Figur, befindet sich die Temperatur T des Abgases im Abgasstrang, beispielsweise vor der Abgasturbine, im unterkritischen Bereich. Der Regler ist hier nicht aktiv und der Motor wird bei stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben (Ausgabe des Reglers: λ = 1). Steigt die Temperatur mit steigender Last und/oder Drehzahl des Motors weiter an und erreicht einen Bereich B1.1, wird der Regler aktiv geschaltet. Durch eine Auswertung des Temperaturanstieges pro Zeit kann der Regler entscheiden, ob es sich um einen kritischen Temperaturanstieg handelt, welcher ohne ein Anfetten des Kraftstoffgemischs zum Überschreiten des Temperaturgrenzwertes der Komponente führen würde. Ist dies der Fall, wird über den D-Anteil des Reglers proportional zum Anstieg eine Anfettung vorgenommen. Dieser Anteil wird zusätzlich noch mit einem Faktor multipliziert, welcher den Abstand des aktuellen Messwertes zu seinem Temperaturgrenzwert berücksichtigt. Ein geringerer Abstand ergibt einen größeren Faktor, da hier die aktuelle Gefahr das Limit zu überschreiben, größer ist. Wird durch das Anfetten die kritische Anstiegsrate der Temperatur wieder unterschritten, versucht der Regler, über einen PI-Anteil des Reglers das Kraftstoffgemisch abzumagern und die Temperatur des Abgases auf den Temperaturgrenzwert einzustellen (Soll-Temperatur). Wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ = 1 schon zuvor erreicht, bleibt der Regler in diesem Punkt stehen. Wird während des Abmagerns ein oberhalb des Bereichs B1.1 angrenzender Bereich B1.2 durchschritten (üblicherweise 5–20°C vor dem Temperaturgrenzwert), wechselt die Parametrierung des PI-Anteils und der Regler wird langsamer und kann damit genauer auf die Soll-Temperatur einregeln. Dies verhindert gleichzeitig, dass durch das Abmagern und der damit steigenden Temperatur ein kritischer Temperaturanstieg erkannt wird, der dazu führen könnte, dass sich der Regler durch das folgende Anfetten aufschwingt. Ein oberhalb des Bereichs B1.2 angrenzender Bereich B1.3 beschreibt den Zielbereich des Reglers. Er erstreckt sich üblicherweise +/–2°C um den Temperaturgrenzwert. Wird dieser Bereich erreicht, hat der Regler seine Soll-Temperatur erreicht und bleibt, vorausgesetzt er verweilt beispielsweise mindestens 3 Sekunden (Wert kann angepasst werden) in diesem Band stehen. Die Erkennung eines kritischen Temperaturanstieges ist in Bereich B1.2 und B1.3, genau wie in Bereich B1.1, immer aktiv und besitzt Priorität vor sämtliche anderen Funktionen. Im einem Bereich B2, welcher oberhalb an dem Bereich B1.3 angrenzt, wird die Reaktion auf einen zu hohen Temperaturanstieg über einen größeren D-Anteil des Reglers noch einmal verstärkt. Bei geringem Anstieg oder Abfall wird über den PI-Anteil auf die Zielgröße geregelt. Da sich die Ist-Temperatur hier zwar nahe am Ziel befindet, allerdings schon in einem tendenziell kritischen Bereich ist, ist der Regler hier etwas schneller eingestellt, als in Bereich B1.2. Leichte Übertemperaturen sind üblicherweise möglich, sollten jedoch nicht über einen langen Zeitraum gehalten werden. Über Bereich B2 gibt es noch einenn absolute Temperaturgrenzwert, welcher bei Überschreiten zu einer Abschaltung des Prüfstandes führt (Bereich B3). In a region B0, see FIG., The temperature T of the exhaust gas in the exhaust gas line, for example in front of the exhaust gas turbine, is in the subcritical range. The controller is not active here and the engine is operated at a stoichiometric combustion air ratio (output of the controller: λ = 1). If the temperature continues to increase with increasing load and / or speed of the motor and reaches a range B1.1, the controller is activated. By evaluating the temperature rise per time, the controller can decide whether it is a critical temperature increase, which would lead to exceeding the temperature limit of the component without enrichment of the fuel mixture. If this is the case, an enrichment is carried out in proportion to the increase via the D component of the controller. This proportion is additionally multiplied by a factor which takes into account the distance between the current measured value and its temperature limit value. A smaller distance results in a larger factor, because here the current danger of overwriting the limit is greater. If the critical rate of rise of the temperature is undershot again by the enrichment, the controller attempts to use a PI component of the regulator to reduce the fuel mixture and set the temperature of the exhaust gas to the temperature limit value (setpoint temperature). If an air-fuel ratio of λ = 1 is reached before, the controller stops at this point. If an area B1.2 bordering above the area B1.1 is passed through during deflating (usually 5-20 ° C before the temperature limit value), the parameterization of the PI section changes and the controller slows down and can therefore more precisely to the setpoint temperature einregeln. This prevents at the same time that the leaning and the thus increasing temperature a critical temperature increase is detected, which could cause the controller to swing open by the following enrichment. A region B1.3 bordering above the region B1.2 describes the target region of the regulator. It usually extends +/- 2 ° C around the temperature limit. If this range is reached, the controller has reached its setpoint temperature and remains, provided it lingers, for example, at least 3 seconds (value can be adjusted) in this band. The detection of a critical temperature rise is always active in area B1.2 and B1.3, just like in area B1.1, and has priority over all other functions. In a region B2, which adjoins above the region B1.3, the reaction to a too high temperature rise over a larger D component of the regulator is reinforced again. With a slight increase or decrease, the PI component is used to control the target size. Although the actual temperature is close to the target, but is already in a critical range, the controller is set slightly faster here than in range B1.2. Light overtemperatures are usually possible but should not be kept for a long time. Over area B2 there is still an absolute temperature limit which, when exceeded, leads to a shutdown of the test stand (area B3).
Die Bedatung des Reglers kann für die einzelnen Messstellen individuell eingestellt werden. So reagiert z.B. die Abgastemperatur vor der Turbine wesentlich hektischer auf eine Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses als die Temperatur vor oder im Katalysator. Durch unterschiedliche Bedatung kann trotzdem ein stabiler und gleichzeitig schneller Betrieb gewährleistet werden. Die Grenzen für den Lambda-Ausgabewert können ebenfalls individuell festgelegt werden. Als Obergrenze gilt normalerweise λ = 1. Als Untergrenze kann entweder die Zündgrenze (ca. λ = 0.6) oder ein durch die Applikation vorgegebener Wert genutzt werden (z.B. λ = 0.75). The controller's rating can be set individually for the individual measuring points. Thus, e.g. the exhaust gas temperature before the turbine much more hectic on an adjustment of the combustion air ratio than the temperature before or in the catalyst. Nevertheless, different settings can guarantee stable and fast operation. The limits for the lambda output value can also be set individually. The upper limit is normally λ = 1. The lower limit can be either the ignition limit (about λ = 0.6) or a value given by the application (eg λ = 0.75).
Wenn Lambda unterhalb der Untergrenze liegt, die Ist-Temperatur aber immer noch oberhalb der Soll-Temperatur liegt, wird vorzugsweise eine Fehlermeldung ausgegeben. In diesem Fall kann dann beispielsweise der Prüfstand abgeschaltet (insbesondere automatisch) oder in einen anderen Betriebspunkt gefahren werden. If lambda is below the lower limit, but the actual temperature is still above the setpoint temperature, an error message is preferably output. In this case, for example, the test stand can then be switched off (in particular automatically) or moved to another operating point.
Des Weiteren kann in Kombination mit einer entsprechenden Klopfregelung der Regler durch vorgesteuertes Anfetten auf eine Spätstellung eines Zündwinkels reagieren und so ein Überschwingen der Abgastemperatur verhindern. Der Grad der Anfettung kann dabei abhängig von den entsprechenden Zündwinkelsprüngen eingestellt werden. Furthermore, in combination with a corresponding knock control, the controller can react by prespecified enrichment on a late position of a firing angle and thus prevent overshooting the exhaust gas temperature. The degree of enrichment can be adjusted depending on the corresponding Zündwinkelsprüngen.
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