AT520521A4 - Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands - Google Patents

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AT520521A4 ATA51075/2017A AT510752017A AT520521A4 AT 520521 A4 AT520521 A4 AT 520521A4 AT 510752017 A AT510752017 A AT 510752017A AT 520521 A4 AT520521 A4 AT 520521A4
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Abstract

Um ein einfaches Verfahren zur Regelung des Drehmoments eines Antriebsaggregats (2) zur Durchführung eines Prüflaufs auf einem Prüfstand (1) anzugeben, das die beschränkte Stelldynamik des Antriebsaggregats (2) berücksichtigt, ist vorgesehen, ein inneres effektives Drehmoment (MINT_EFF) oder ein effektives Drehmoment (MEFF) des Antriebsaggregats (2) von der Aggregatsregelungseinheit (6) geregelt wird, indem Sollwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_SOLL) oder das effektive Drehmoment (MEFF_SOLL) vorgegeben werden und Istwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_IST) oder das effektive Drehmoment (MEFF_IST) während des Betriebs des Antriebsaggregats (2) am Prüfstand (1) ermittelt werden und dass mittels einer Übertragungsfunktion (UF) die Stelldynamik des Antriebsaggregats (2) bei der Regelung berücksichtigt wird, indem die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigiert werden oder dass zur Regelung des inneren effektiven Drehmoments (MINT_EFF) oder des effektiven Drehmoments (MEFF) des Antriebsaggregats (2) eine Vorsteuerung einer Stellgröße des Antriebsaggregats (2) verwendet wird, wobei Vorsteuerwerte der Stellgröße oder die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigiert werden.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen eines Prüflaufs auf einem Prüfstand mit einem Antriebsaggregat, das mittels einer Verbindungswelle mit einer Belastungsmaschine zum Antrieb oder zur Belastung des Antriebsaggregats verbunden wird, wobei die Belastungsmaschine am Prüfstand zur Durchführung des Prüflaufs von einer Regelungseinrichtung geregelt wird und das Antriebsaggregat zur Durchführung des Prüflaufs von einer Aggregatsregelungseinheit geregelt wird, wobei zur Durchführung des Prüflaufs vorgegebene zeitliche Verläufe einer Drehzahl und eines Drehmoments des Antriebsaggregats nachgebildet werden. Weiters betrifft die Erfindung einen Prüfstand zum Durchführen eines Prüflaufs.
Bei der Entwicklung von Antriebsaggregaten, wie z.B. Verbrennungsmotoren, Elektromotoren oder einer Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor (sogenannte Hybridantriebe), kommen seit vielen Jahren Prüfstände zum Einsatz, deren grundlegender Aufbau und Wirkungsweise hinlänglich bekannt sind. Dabei ist es seit je her eine wesentliche Anforderung an solche Prüfstände, eine möglichst genaue und reproduzierbare Nachbildung von vorgegebenen Drehzahl-/Drehmoment Profilenan der Abtriebswelle des Antriebsaggregats zu gewährleisten. Hierfür wird das Antriebsaggregatüber eine Verbindungswelle mit einer Belastungsmaschine (Dynamometer, Dyno) verbunden.
In der Regel wird am Prüfstand die Drehzahl über die Belastungsmaschine eingestellt und das Drehmoment über das Antriebsaggregat. Aufgrund begrenzter Verfügbarkeit von Antriebs- und Messtechnik bzw. Steuer- und Regelungseinrichtungen konnten zu Beginn vorwiegend stationäre Betriebspunkte (Drehzahl-/Drehmomentkombination) eingestellt und gemessen werden. Für viele Prüfläufe war es auch ausreichend, nur stationäre Betriebspunkte anzufahren. Durch steigende Anforderungen an Antriebsaggregate (z.B. hohe Motorleistung, geringer Verbrauch, geringer Schadstoffausstoßbei Verbrennungsmotoren) und fortschreitende Entwicklung auf den genannten technischen Gebieten, aber auch aufgrund steigender Anforderungen bzw. Vorgabe zur Prüfung von Antriebsaggregaten, wurde es möglich bzw. notwendig, an den Prüfständen nicht nur stationäre Betriebspunkte einzustellen, sondern auch dynamische Drehzahl-/Drehmomentverläufe. „Dynamisch“ bedeutet hierbei insbesondere nicht nur stationäre Betriebspunkte, sondern auch, vor allem auch rasche, Drehzahl- und/oder Drehmomentenänderungen. Diese Profile können z.B. gesetzlich vorgegebene Messzyklen für die Abgas-Zertifizierung von Verbrennungsmotoren sein, um Nachweise über die Einhaltung von Grenzwerten für SchadstoffEmissionen zu erbringen. Zur Optimierung von Leistung und Verbrauch von Antriebsaggregaten kommen aber auch immer öfter real, z.B.bei der Anwendung des Antriebsaggregats als Fahrzeugantrieb, im Zuge einer Testfahrt auf der Straße oder auf einer Teststrecke mit einemFahrzeug gemessene hoch-dynamische und nicht standardisierte Fahrprofile zur Anwendung. Diese dynamischen Profile stellen sehr hohe Anforderungen an die Regelung von Prüfständen, die nicht immer zureichend erfüllt werden können. Üblicherweise wird am Prüfstand die sogenannte Regelungsmethode N/MEFF verwendet, wobei die Belastungsmaschine des Prüfstands die aufgrund eines Soll-Profils vorgegebene Drehzahl NM des Antriebsaggregatseinregelt und das Antriebsaggregatdas vorgegebene effektive Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle zwischen Belastungsmaschine und Antriebsaggregat. Diese beiden Größen NM bzw. MEFF sind jedoch über die Massenträgheit des Antriebsaggregats stark miteinander gekoppelt. Die Stellgröße des Antriebsaggregats im Falle eines Verbrennungsmotors ist dabei beispielsweise die Fahrpedalstellung α, die sich direkt auf das innere effektive Drehmoment Mint_eff auswirkt, also jenes Drehmoment, das direkt auf die Massenträgheit des Verbrennungsmotors wirkt. Während Beschleunigungsund Bremsvorgängen ergibt sich das effektive Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle aus einer Überlagerung von innerem effektiven Drehmoment Mint_eff und jenem Drehmoment, das für die Beschleunigung bzw. Abbremsung der Massenträgheitdes Verbrennungsmotors zur Drehzahländerung nötig ist.
Das innere effektive Drehmoment Mint_eff ist aber nicht direkt messbar, weshalb bisher immer das messbare Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle geregelt wurde. insbesondere bei dynamischen Prüfläufen ist es aber nicht möglich, das effektive Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle unabhängig von der Drehzahl N zu regeln. Oftmals wird die Stellgröße des Antriebsaggregats (beim Verbrennungsmotor z.B. die Fahrpedalstellung α) aus einem vorhandenen statischen Kennfeld (vermessene stationäre Betriebspunkte) mit der Drehzahl NM und dem effektiven Drehmoment MEFF als Eingänge ermittelt. Eine derartige Kennfeldbasierte „Feed-Forward“ Regelung führt zufalschen Werten der Stellgröße, da der gemessene Wert des effektiven Drehmoments MEFF an der Verbindungswelle in einem Betriebspunkt bei dynamischen Testzyklen nicht mit dem Wert im entsprechenden Betriebspunkt bei stationärem Betrieb übereinstimmt. Außerdem ist die Stelldynamik einesAntriebsaggregats im Allgemeinen deutlich geringer als die einer gewöhnlichen Prüfstands
Belastungsmaschine.
Dadurch wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors verspätet gegenüber der Drehzahl der Belastungsmaschine eingestellt. Unter Stelldynamik wird hier verstanden, wie schnell eine Änderung der Stellgröße das Drehmoment beeinflusst. Am Beispiel eines Verbrennungsmotors wirkt sich eine Änderung der Fahrpedalstellung nicht unmittelbar auf das Drehmoment aus, sondern in der Regel erst nach einer gewissen Zeit, häufig im Bereich von einigen Sekunden. Das sind die wesentlichen Gründe, warum die bisherige Regelung eines Prüflaufs am Prüfstand bei dynamischen Testläufen zum Teil schlechte Ergebnisse liefert.
In der VeröffentlichungGRUENBACHER, E. et. al., 2008. Adaptive Control of Engine Torque with Input Delays. In: 17th World Congress of the International Federation of Automatic Con-trol.Seoul, Korea, July 6-11, 2008. wird empfohlen, bei Prüfläufen auf Motorenprüfständen das innere, auf die Verbrennung zurückgehende Drehmoment zu regeln, jedoch wird dargelegt, dass dies in der Praxis schwierig sei, da das innere Drehmomenteine Überlagerung der einzelnen Expansionshübe bei der Verbrennung in den Zylindern des Verbrennungsmotors ist. Zudem ist dieses innere Drehmoment nicht direkt messbar und muss geschätzt werden. Darüber hinaus werden in dieser Veröffentlichung Prüfläufe mit dynamischen Drehzahlverläufen nicht betrachtet.
Das DokumentEP 3067 681 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Motorenoder Antriebsstrangprüfstandes, wobei eine Indiziereinrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks verwendet wird. Dabei wird der Brennraumdruck kurbelwinkelgenau in ein indiziertes Drehmomentund weiter in ein effektives Drehmomentder Kurbelwelle umgerechnet, welches zur Regelung der Belastungsmaschine verwendet wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass für die Zylinderdruckmessung die Brennräume des Verbrennungsmotors mittels mechanischer Bearbeitung zugänglich gemacht werden müssen und das Messverfahren sehr aufwändig und kostenintensiv ist.
Demzufolge ist es die Aufgabeder Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Regelung des Drehmoments eines Antriebsaggregatszur Durchführung eines Prüflaufs auf einem Prüfstand anzugeben, das die beschränkte Stelldynamik des Antriebsaggregats berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein inneres effektives Drehmoment oder ein effektives Drehmoment des Antriebsaggregats von der Aggregatsregelungseinheit geregelt wird, indem Sollwerte für das innere effektive Drehmoment oder das effektive Drehmoment vorgegeben werden und Istwerte für das innere effektive Drehmoment oder das effektive Drehmoment während des Betriebs des Antriebsaggregats am Prüfstand ermittelt werden und dass mittels einer Übertragungsfunktion die Stelldynamik des Antriebsaggregats bei der Regelung berücksichtigt wird, indem die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion korrigiert werden oder dass zur Regelung des inneren effektiven Drehmoments oder des effektiven Drehmoments des Antriebsaggregats eine Vorsteuerung einer Stellgröße des Antriebsaggregats verwendet wird, wobei Vorsteuerwerte der Stellgröße oder die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion korrigiert werden. Durch die Berücksichtigung der Stelldynamik können unterschiedliche Verzögerungen im DrehmomentAufbau verschiedener Antriebsaggregate kompensiert werden, wodurch sich eine verbesserte Regelungsgenauigkeit ergibt.
Alternativ zur Regelung des Drehmoments des Antriebsaggregatsauf das effektive Drehmoment, das in der Regel an der Verbindungswelle zwischen Antriebsaggregat und Belas- tungsmaschine gemessen wird, kann auch das sogenannte innere effektive Drehmoment geregelt werden, das ein gegenüber dem effektiven Drehmoment um die Beschleunigungseinflüsse der Massenträgheit des Antriebsaggregats bereinigtes Drehmoment ist.Dadurch ist im Wesentlichen eine Entkopplung von Drehzahl und Drehmoment am Prüfstand möglich, wodurch eine verbesserte Drehmomentregelung erreicht werden kann.Das innere effektive Ist-Drehmoment kann im Gegensatz zum effektiven Ist-Drehmoment an der Verbindungswelle nicht direkt gemessen werden, allerdings kann es z.B. mittels eines Beobachters ermittelt werden. Als Beobachter können alle bekannten Algorithmen verwendet werden, welche einen, von Beschleunigungseinflüssen der Massenträgheit unabhängigen Wert des inneren effektiven Drehmomentsermitteln.Eine Vorsteuerung hat den Vorteil, dass die Aggregatsre-gelungseinheitnur mehr kleinere Abweichungen ausregeln muss.
Vorzugsweise wird das innere effektive Ist-Drehmoment aus einer an der Belastungsmaschine oder am Antriebsaggregat oder an der Verbindungswelle gemessenen Ist-Drehzahl und eines an der Belastungsmaschine oder am Antriebsaggregat oder an der Verbindungswelle gemessenen effektiven Ist-Drehmoments und der bekannten Massenträgheit des Antriebsaggregats ermitteltoder das effektive Ist-Drehmoment wird durch Messung an der Verbindungswelle ermittelt. Zur Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments kann die gemessene Ist-Drehzahl nach der Zeit abgeleitet werden, mit der bekannten Massenträgheit des Antriebsaggregats multipliziert werden und das Produkt zum gemessenen effektiven Ist-Drehmoment addiert werden.
Im Falle der Verwendung eines Verbrennungsmotors als Antriebsaggregat kann das innere effektive Ist-Drehmoment mittels Zylinderdruckindizierung am Verbrennungsmotor ermittelt werden. Dazu wird vorzugsweise das innere effektive Ist-Drehmomentaus der Differenz zwischen einem indizierten Ist-Drehmoment und einem Reib-Drehmoment ermittelt, wobei das indizierte Ist-Drehmoment mittels der Zylinderdruckindizierung ermittelt wird.
Das innere effektive Soll-Drehmoment kann aus dem vorgegebenen Verlauf der Drehzahl des Antriebsaggregats, dem vorgegebenen Verlauf des Drehmoments des Antriebsaggregats und aus der bekannten Massenträgheit des Antriebsaggregats ermittelt werden. Vorzugsweise indem der Verlauf der vorgegebenen Drehzahl nach der Zeit abgeleitet wird und mit der bekannten Massenträgheit des Antriebsaggregats multipliziert wird und das Produkt zum vorgegebenen Verlauf des Drehmoments des Antriebsaggregats addiert wird. Die vorgegebenen Verläufe können beispielsweise aus aufgezeichneten Messdaten des Antriebsaggregats, aus gesetzlich vorgeschriebenen Messzyklen oder aus anderen Quellen ermittelt werden. Die Massenträgheit wird - je nach Entwicklungsziel - entsprechend der Massenträgheit einesAntriebsaggregats eines Referenzbetriebs oder entsprechend der Massenträgheit des zu prüfenden Antriebsaggregats gewählt und wird als bekannt vorausgesetzt. Ebenso könnte der Sollwert des inneren effektiven Drehmoments beispielsweiseaus aufgezeichne- ten Daten eines Aggregate-Steuergeräts (z.B. ECU eines Verbrennungsmotors) ermittelt werden.
Vorteilhafterweise wird als Stellgröße der Vorsteuerung die Fahrpedalstellung verwendet.
Vorsteuerwerte der Stellgröße werden vorzugsweise aus einer Drehzahl, insbesondere der ist-Drehzahl oder der vorgegebenen Drehzahl und einem Soll-Drehmoment, insbesondere deminneren effektiven Soll-Drehmoment, dem effektiven Soll-Drehmoment, dem mit der Übertragungsfunktion korrigierten inneren effektiven Soll-Drehmoment oder dem mit der Übertragungsfunktion korrigierten effektiven Soll-Drehmomentermittelt, vorzugsweise aus einem Kennfeld KF.
Die Korrektur mittels der Übertragungsfunktion kann im einfachsten Fall erfolgen, indem die Sollwerte der Regelung oder die Vorsteuerwerte der Stellgröße um eine Totzeit auf der Zeitachse verschoben werden. Die Totzeit kann dabei für alle Betriebspunkte des Antriebsaggregats gleich groß festgelegt werden oder abhängig vom Betriebspunkt des Antriebsaggregats festgelegt werden. Damit kann die unterschiedliche Dynamik im Aufbau des inneren effektiven Drehmomentsoder des effektiven Drehmoments für verschiedene Betriebspunkte ausgeglichen werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Regelungsgenauigkeit erzielt wird.
Die Berücksichtigung unterschiedlicher Betriebspunkte kann dadurch erreichtwerden, dass die Totzeit für einen Betriebspunkt des Antriebsaggregats abhängig vom Gradienten des Verlaufs des inneren effektiven Soll-Drehmoments oder des effektiven Soll-Drehmoments in dem Betriebspunkt festgelegt wird. Durch die Analyse des Verlaufs des inneren effektiven Soll-Drehmoments oder des effektiven Soll-Drehmoments ist kein zusätzlicher Messaufwand erforderlich. Dadurch ist es z.B. möglich, das unterschiedliche zeitliche Trägheitsverhalten des Antriebsaggregats bei Drehmomentanstieg und Drehmomentabfall zu berücksichtigen.
Die Totzeit kann aber auch durch Vermessung des Antriebsaggregats oder eines ReferenzAntriebsaggregats auf dem Prüfstand ermittelt werden, vorzugsweise indem die Stellgröße des Antriebsaggregats sprunghaft geändert wird und die Zeit zwischen der sprunghaften Änderung der Stellgröße und einer dadurch bewirkten Änderung des inneren effektiven ist-Drehmoments oder des effektiven ist-Drehmoments gemessen wird. Es wäre beispielsweise denkbar, Totzeit-Kennfelder für Antriebsaggregate mit ähnlicher zu erwartender Stelldynamik zu erstellen, beispielsweise in Abhängigkeit von Hubraum, Aufladung, Zylinderzahl, Nenndrehzahl, etc.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 7 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig.1 den allgemeinen Aufbau eines Prüfstands Fig.2 die Funktion des Beobachters Fig.3a bis3c erfindungsgemäße Verfahrensabläufe Fig.4 einen Referenzprüflauf
Fig.5 Ergebnisse bei herkömmlicher Regelungsart N/MEFF Fig.6 Ergebnisse bei Regelungsart N/MINT_EFF
Fig.7 Ergebnisse bei Regelungsart N/MINT_EFF mit Verschiebung des inneren effektiven Soll-Drehmoments MiNt_Eff_soll um eine Totzeit Δ1
Fig.8 Ergebnisse bei Regelungsart N/MINT_EFF mit Verschiebung des Vorsteuerwerts der Fahrpedalstellung α um eine Totzeit Δ1
Fig.1 zeigt einen bekannten üblichen Aufbau eines Prüfstandes 1 mit einem Antriebsaggre-gat2, das mittels einer Verbindungswelle3 zur Drehmomentübertragung mit einer Belastungsmaschine 4 verbunden ist, mit einer Regelungseinrichtung 5 zur Regelung der Belastungsmaschine 4 und mit einer Aggregatsregelungseinheit 6 zur Regelung des Antriebsaggregats 2. Die Regelungseinrichtung 5 und die Aggregatsregelungseinheit 6 können mit geeigneter Hardware und/oder Software (auch auf einer gemeinsamen Hardware) implementiert sein. Das Antriebsaggregat 2 weist eine Drehzahlmesseinrichtung 7 zur Messung der Aggregatsdrehzahl NM auf und die Belastungsmaschine 4 weist ebenfalls eine Drehzahlmesseinrichtung 8 zur Messung der Belastungsmaschinendrehzahl NB auf. An der Verbindungswelle 3 ist zwischen Antriebsaggregat 2 und Belastungsmaschine 4 eine Drehmomentmesseinrichtung 9 zur Messung des effektiven Drehmoments MEFFdes Antriebsaggregats 2 angeordnet.
Unter einer Belastungsmaschine 4 sind nicht nur die üblichen elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Gleichstrommaschinen, Asynchronmaschinenoder DrehstromSynchronmaschinen zu verstehen, welche direkt mit der Verbindungswelle 3 verbunden sind, sondern auch z.B. Kombinationen von elektrischen Maschinen und Getrieben, z.B. in Form sogenannter Test Rig Transmission Systeme (TRT). Dabei können z.B. zwei oder mehrere elektrische Maschinen mittels eines Summiergetriebes verbunden sein, welches seinerseits mit der Verbindungswelle 3 zum Antrieb oder zur Belastung mit dem Antriebsaggregat 2 verbunden ist. Im Summiergetriebe werden die Leistungen der beiden (oder mehreren) elektrischen Maschinen addiert, wobei gegebenenfallsauch eine Übersetzung auf ein bestimmtes
Drehzahlniveau erfolgen kann. Natürlich ist dies nur beispielhaft, es können auch alle anderen geeigneten Maschinen oder Kombinationen von Maschinen und Getrieben als Belastungsmaschine 4 verwendet werden. Zur Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST des Antriebsaggregats 2 kann z.B. ein Beobachter 10 vorgesehen sein, der ebenfalls wieder als geeignete Hardware und/oder Software ausgeführt ist. Als Beobachter 10 können dabei alle bekannten Algorithmen verwendet werden, welche ein, von Beschleunigungseinflüssen der Massenträgheit IAdes Antriebsaggregats 2 bereinigtes Drehmoment ermitteln, welches erfindungsgemäß als inneres effektives Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST verwendet wird. Die Funktion eines solchen Beobachters 10 istprinzipiell bekannt, jedoch soll seine grundlegende Funktionsweise der Vollständigkeit halber nachstehend anhand Fig.2 kurz erklärt werden.
Wenn das Antriebsaggregat 2 als Verbrennungsmotor ausgeführt ist, kann zur Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST alternativ zu einem Beobachter 10 auch ein Zylinderdruckindiziersystem verwendet werden. Damit kann der Zylinderdruck im Brennraum des Verbrennungsmotors kurbelwinkelgenau gemessen werden und auf Basis des gemessenen Zylinderdrucks kann mittels thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten ein indiziertes Ist-Drehmoment MINT_IST ermittelt werden. Bereinigt man dieses indizierte Ist-Drehmoment MINT_ISTum die bekannte innere Reibung desVerbrennungsmotors(die beispielsweise in Form eines Kennfeldes über den Betriebsbereich des Verbrennungsmotors vorliegt), erhält man das gesuchte innere effektive Ist-Drehmoment MINT_EFF_IST. Die Reibungseinflüsse können beispielsweise in Form eines Reib-Drehmoments MR durch Schleppmessungen des Verbrennungsmotors am Prüfstand 1 oder mittels anderer geeigneter Methoden ermittelt werden. Da die Methode der Zylinderdruckindizierung hinlänglich bekannt ist, wird hier nicht näher darauf eingegangen. Eine detaillierte Beschreibung ist z.B. dem Dokument EP 3 067 681 A1 zu entnehmen.
Generell ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf bestimmte Antriebsaggregate 2 beschränkt, sondern kann für unterschiedlichste Antriebsaggregate 2 verwendet werden wie z.B. Verbrennungsmotoren, Elektromotoren, eine Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotoren (sogenannte Hybridantriebe), sofern die erforderlichen Größen verfügbar sind. Auch kann das Verfahren z.B. bei Antriebssträngen angewendet werden, bei denen die genannten Antriebsaggregate 2 über ein Getriebe, Kupplung, Differenzial, Halbachsen, etc. mit der Verbindungswelle 3 verbunden sein kann.
Fig.2 zeigt anhand eines Blockschaltbildes beispielhaft eine bekannte vereinfachte Funktionsweise eines Beobachters 10 zur Ermittlung des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF am Beispiel eines Verbrennungsmotorsals Antriebsaggregat 2. Dabei wird eine Motordrehzahl NM von der Drehzahlmesseinrichtung 7 am Verbrennungsmotor gemessen und mittels eines Filters F über ein Arbeitsspiel (z.B. 720° Kurbelwinkel bei 4-Takt Motoren) und die Zy- linderanzahl des Verbrennungsmotors gemittelt. Durch diese Mittelung wird der über ein Arbeitsspiel des Verbrennungsmotors ungleichmäßige Drehmomenteintrag kompensiert, der aus der Verbrennung im Zylinder des Verbrennungsmotors und aus der entsprechenden Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors resultiertund eine Änderung der Motordrehzahl NM bewirkt. Beispielsweise findet bei einem 4-Takt Motorin jedem Zylinder alle 720° Kurbelwinkel eine Verbrennung statt, welche eine Kraft auf den Kolben und in Folge einen Drehmomenteintrag auf die Kurbelwelle erzeugt. Bei einem 4-Zylindermotor würde das z.B. einen Drehmomenteintrag alle 180° Kurbelwinkel bedeuten, bei einem 6-Zylindermotor z.B. 120° Kurbelwinkel, usw. Aufgrund der beschriebenen Filterung der Motordrehzahl NM erhält man eine gefilterte Motordrehzahl NM_FILT. Analog kann eine solche Mittelung bzw. Filterung auch auf das effektive Drehmoment MEFFangewendet werden, wodurch man ein gefiltertes effektives Drehmoment MEFF_FILT erhält. Die gefilterte Motordrehzahl NM_FILT wird danach mittels eines Differentiators D zeitlich abgeleitet, wodurch man eine Winkelbeschleunigung φ erhält. Im nächsten Schritt wird die erhaltene Winkelbeschleunigung φ in einem Multiplikator M mit der als bekannt vorausgesetzten Massenträgheit IA des Verbrennungsmotors multipliziert und man erhält ein Bereinigungsdrehmoment ΔΜμ. In einem Summierer S werden nun das erhaltene Bereinigungsdrehmoment ΔΜΜ und das, beispielsweise wieder über ein Arbeitsspiel und die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors gefilterte, effektive Drehmoment MEFF_FILT zu einem inneren effektiven DrehmomentMINT_EFF addiert. Abhängig vom Verlauf der Motordrehzahl NM und dem Vorzeichen der daraus gebildeten zeitlichen Ableitung der gefilterten Motordrehzahl NM_filt bzw. der Winkelbeschleunigung φ wird somit das gemessene und über ein Arbeitsspiel und die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors gemittelte effektive Drehmoment MEFF_FILT an der Verbindungswelle 3 erhöht oder reduziert, wodurch der dynamische Einfluss der Massenträgheit IA des Verbrennungsmotors berücksichtigt wird. Diese Berechnung kann sowohl „online“, mittels des Beobachters 10, zur Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST verwendet werden, als auch „offline“ oder „online“ zur Ermittlung des inneren effektiven Soll-Drehmoments MINT_EFF_SOLL aus einem vorgegebenen Referenz-Drehzahl-/Drehmomentenprofilfür die Durchführung des Prüflaufs am Prüfstand 1.
Als „online“ ist in diesem Zusammenhang die Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST während eines Prüflaufs auf einem Prüfstand 1 zu verstehen und als „offline“ die Ermittlung des inneren effektiven Soll-Drehmoments MINT_EFF_SOLL außerhalb eines Prüflaufs auf einem Prüfstand 1. Man könnte aber auch bei der „online“ Ermittlung des effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST auf den Schritt der Filterung verzichten, eine Art Filterung würde dann jedoch im Wesentlichen implizit durch die Charakteristik des verwendeten Reglers der Aggregatsregelungseinheit 6 sowie durch das Verzögerungsverhalten des Antriebsaggregats 2 erfolgen. Im Falle einer Fahrzeuganwendung des Verbrennungsmotors kann die Ermittlung des inneren effektiven Soll-Drehmoments MINT_EFF_SOLL beispielsweise aus aufgezeichneten Messdaten eines realen Fahrversuchs(Drehzahl-/Drehmomentenprofil) oder auch aus anderen Quellen erfolgen. Das beschriebene Beobachter-Verfahren ist natürlich nicht auf die Anwendung bei einem Verbrennungsmotor beschränkt, es wäre auch bei anderen Antriebsaggregaten 2, wie z.B. Elektromotoren, Hybridantrieben, etc. anwendbar.
Die Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 kann dabei als bekannt vorausgesetzt werden. Es können auch unterschiedliche Massenträgheiten IA zur Berechnung des inneren effektiven Soll-Drehmoments MINT_EFF_SOLL verwendet werden. Es kann beispielsweise die bekannte Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 am Prüfstand 1 verwendet werden. Es kann aber auch die Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 aus einem Referenzlauf, der am Prüfstand nachgefahren werden soll, verwendet werden. D.h., dass die Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 am Prüfstand 1 nicht mit der Massenträgheit des Antriebsaggregats übereinstimmen muss, mit dem der Referenzlauf erstellt oder vermessen wurde. Dabei wird beispielsweise die interne Leistung (Leistungen im Brennraum eines Verbrennungsmotors als Antriebsaggregat 2) des Prüflings gut mit dem Referenzlauf übereinstimmen. Wird ein Referenzlauf am Prüfstand nachgefahren und man verwendet die tatsächliche Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 am Prüfstand, dann wird die Leistung an der Verbindungswelle 3 gut mit dem Referenzlauf übereinstimmen.
Fig.3 zeigt den prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms. Im ersten Schritt, symbolisiert durch Block A, erfolgt die Generierungoder Bereitstellungvon nachzubildenden Verläufen für die Drehzahl und das Drehmoment des Antriebsaggregats 2 für den am Prüfstand 1 durchzuführenden Prüflauf. Es werden Referenzwerte der Aggregatsdrehzahl NA_REF, des effektiven Drehmoments MEFF_REF und die Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 benötigt. Diese Daten können beispielsweise durch Messdaten des realen Betriebs (Referenzlauf) bereitgestellt werden, sie können aber auch durch gesetzlich festgelegte Messzyklen vorgegeben sein oder aus anderen Quellen stammen.
Im nächsten Schritt, durch Block B dargestellt, wird aus den vorgegebenen Referenzdaten das innere effektive Soll-DrehmomentMINT_EFF_SOLL mit der gleichen Methodik berechnet, die bereits anhand des Beobachters 10 in Fig.2 zur Ermittlung des inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IST beschrieben wurde. Im Falle der Ausführung des Antriebsaggregats 2 als Verbrennungsmotor wird die Referenz-Motordrehzahl NM_REF vorzugsweise über ein Arbeitsspiel und der Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors gefiltertund zeitlich abgeleitet, wodurch man eine Referenz-Winkelbeschleunigung φΚΕΡ erhält.
Abhängig von der Qualität der verfügbaren Referenzdaten der Motordrehzahl NM_REF kann auf die Mittelung über ein Arbeitsspiel und die Zylinderanzahl auch verzichtet werden, bei- spielsweise wenn eine derartige Mittelung schon im Rahmen der Ermittlung der Referenzdaten stattgefunden hatoder im Falle einer Ausführung des Antriebsaggregats als Elektromotor mit im Wesentlichen über eine Umdrehung gleichmäßigem Drehmomenteintrag. Die Referenz-Winkelbeschleunigung φΚΕΡ wird danach mit der bekannten Massenträgheit IA des Antriebsaggregats 2 (z.B. iA des Verbrennungsmotors) zu einem Referenz-
BereinigungsdrehmomentΔMM_REF multipliziert. Schließlich wird das Referenz
Bereinigungsdrehmoment ΔΜμ_ρει= mit dem effektiven Referenz-Drehmoment Meff_ref (im Falle eines Verbrennungsmotors mit dem über ein Arbeitsspiel und die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors gemittelten effektiven Referenz-Drehmoments Meff_ref_filt) addiert, woraus das innere effektive Soll-Drehmoment Mint_eff_soll resultiert, das bereits zur Regelung des Antriebsaggregats 2 herangezogen werden kann.
Wiederum kann abhängig von der Qualität der verfügbaren Referenzdaten auf eine Mittelung des inneren effektiven Drehmoments Mint_eff_soll über ein Arbeitsspiel und die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors auch verzichtet werden, beispielsweise wenn eine derartige Mittelung schon im Rahmen der Ermittlung der Referenzdaten stattgefunden hatoder in Abhängigkeit der Ausführung des Antriebsaggregats 2 (z.B. als Elektromotor). Sind die erforderlichen Messdaten für ein solches Vorgehen nicht verfügbar, können analoge Verfahren eingesetzt werden, um aus den verfügbaren Referenzdaten das innere effektive SollDrehmoment Mint_eff_soll zu ermitteln.
Beispielsweise könnte im Rahmen eines Fahrversuchs eines Fahrzeugs mit entsprechendem Antriebsaggregat 2 aus einer gemessenen Fahrzeugbeschleunigung das erforderliche Drehmoment zur Beschleunigung der Fahrzeugmasse berechnet werden und über bekannte Massenträgheiten, Getriebeübersetzungen, etc. das dafür notwendige innere effektive Drehmoment Mint_eff berechnet und als inneres effektives Soll-Drehmoment Mint_eff_soll verwendet werden. Auch wäre es denkbar, das innere effektive Soll-Drehmoment Mint_eff_soll eines Antriebsaggregats 2 aus gespeicherten Daten eines Aggregatesteuergeräts wie z.B. eines Motorsteuergeräts (ECU - engine control unit) eines Verbrennungsmotors zu ermitteln. Alternativ könnten die Werte für das innere effektive Soll-Drehmoment Mint_eff_soll wie oben beschreiben auch aus Indizierdaten des Referenzlaufs ermittelt werden.
Das resultierende innere effektive Soll-Drehmoment Mint_eff_soll kann bereits direkt zur Regelung des Antriebsaggregats 2, z.B. des Verbrennungsmotors am Prüfstand 1 herangezogen werden, was durch BlockD symbolisiert ist. Dazu kann das innere effektive ist-Drehmoment Mint_eff_ist wie oben beschreiben während des Prüflaufs ermittelt werden, beispielsweise im Beobachter 10 oder im Falle eines Verbrennungsmotors auch durch ein Zylinderdruckindiziersystem. Die Abweichung zwischen dem inneren effektiven Soll-
Drehmonent MINT_EFF_sOLL unddem inneren effektiven Ist-Drehmoment MINT_EFF_IsT kann dann mit einem geeigneten Regler, beispielsweise ein einfacher PI-Regler, am Prüfstand 1 ausgeregelt werden.
Die Regelung kann aber auch in einer Vorsteuerung ein vorgegebenes Kennfeld KF für die stellgröße verwenden,z.B. Fahrpedalstellung α eines Verbrennungsmotors über der Motordrehzahl NMund dem effektiven Drehmoment MEFFoder dem inneren effektiven Drehmoment MINT_EFF. Dazu wird z.B. aus dem Kennfeld KF aus dem effektiven Drehmoment MEFF(oder dem gefilterten effektiven DrehmomentMEFF_FILT) und der Motordrehzahl NM (oder allgemein der Aggregatsdrehzahl) ein Vorsteuerwert der stellgröße, z.B. die Fahrpedalstellung α, ermittelt. Der Regler, vorzugsweise die Aggregatsregelungseinheit 6, dem/der wieder die Abweichung zwischen dem inneren effektiven soll-Drehmoments MINT_EFF_sOLL und dem inneren effektiven Ist-Drehmoments MINT_EFF_IsT zugeführt werden, ermittelt dann eine Reglerstellgröße, mit der dann nur mehr kleinere Abweichungen ausgeregelt werden, die sich aus Ungenauigkeiten des Kennfeldes KF ergeben.
Die stellgröße für das Antriebsaggregat2 ergibt sich somit in bekannter Weise als summe der Vorsteuer-stellgröße und der Regler-stellgröße. Ein solches Kennfeld KF kann z.B. durch stationäre Prüfstandsmessungen in verschiedenen Betriebspunkten im relevanten Betriebsbereich des Antriebsaggregats 2 ermittelt werden. Dabei werden bei einem Verbrennungsmotor beispielsweise mittels der Fahrpedalstellung α und der Motordrehzahl NM stationäre Betriebspunkte eingestellt und das effektive Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle 3 im jeweiligen Betriebspunkt gemessen und in einem Kennfeld KF hinterlegt. Aufgrund der fehlenden Dynamik der Massenträgheit entspricht das effektive Drehmoment MEFFbei stationärem Betrieb dem inneren effektiven Drehmoment MINT_EFF. Das erhaltene Kennfeld wird invertiert, sodass man ein Kennfeld KF der Fahrpedalstellung α, aufgetragen über dem inneren effektiven Drehmoment MINT_EFF und der Motordrehzahl NM erhält.
Als Regler kann grundsätzlich jeder geeignete Regler eingesetzt werden, der gegebenenfalls in bekannter Art und Weise auch anwendungsspezifisch parametriert werden muss und der vorzugsweise als Hardware oder software in der Aggregatsregelungseinheit 6 implementiert ist.
Erfindungsgemäß wird die beschränkte stelldynamik des Antriebsaggregats 2 am Prüfstand 1 bei der Durchführung des Prüflaufs berücksichtigt. Hierbei ist es unerheblich, ob der Prüflauf mit dem inneren effektive Drehmoment MINT_EFF durchgeführt oder mit dem effektiven Drehmoment MEFF, das an der Verbindungswelle 3 wirkt. Wenn das innere effektive Drehmoment MINT_EFF verwendet wird, dann kann dieses wie oben beschrieben ermittelt und verwendet werden. Daseffektive Drehmoment MEFFkann an der Verbindungswelle 3 einfach gemessen werden. Die Berücksichtigung der stelldynamik ist damit unabhängig von der
Verwendung des inneren effektiven Drehmoments Mint_eff und kann damit unabhängig vom verwendeten Drehmoment realisiert werden. in einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Prüflauf mit dem inneren effektive Drehmoment Mint_eff durchgeführt und die Stelldynamik des Antriebsaggregats 2 wird wie nachfolgend beschrieben bei der Durchführung des Prüflaufs am Prüfstand 1 berücksichtigt.
Zur Berücksichtigung der Stelldynamik bei der Regelung des Antriebsaggregats 2 wird eine Übertragungsfunktion UF verwendet, die das Zeitverhalten des Antriebsaggregats 2 korrigiert. Das Zeitverhalten des Antriebsaggregats 2 beschreibt im Wesentlichen die zeitliche Trägheit der Regelstrecke (also alles zwischen Einstellen der Stellgröße und des Drehmomentaufbaus) und bildet den verzögerten Drehmomentaufbau des Antriebsaggregats 2 auf die Stellgrößeab. Beispielsweise die Zeit zwischen dem Einstellender Fahrpedalstellung α und dem verzögerten Anstieg (oder Abfall) des inneren effektiven Drehmoments Mint_eff (oder des effektiven Drehmoments MEFF).
Aufgrund seiner physikalischen Wirkungsweise hat ein Elektromotor im Allgemeinen eine höhere Stelldynamikals ein Verbrennungsmotor, weshalb die Berücksichtigung der Stelldynamik bei der Durchführung des Prüflaufs insbesondere bei einem Verbrennungsmotor vorteilhaft ist. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass ein Verbrennungsmotor aufgrund der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge mehr Zeit für die Umsetzung einer Drehmomentanforderung benötigt, also die Zeit zwischen Vorgabe der Stellgröße (z.B. Fahrpedalstellung α) und des tatsächlichen Drehmomentaufbaus. Ein Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung benötigt z.B. ausreichend Zeit für den Ladedruckaufbau, die Gemischbildung, Verbrennung, etc. in einem Elektromotor hingegen sind weniger physikalische Vorgänge nötig, beispielsweise wird wesentlich weniger Zeit benötigt, um ein Magnetfeld aufzubauen. in einer einfachen Ausgestaltung kann die Übertragungsfunktion UF die Werte des inneren effektiven Soll-Drehmoments Mint_eff_soll (oder des effektiven Soll-Drehmoments Meff_soll) um eine sogenannte Totzeit Δ1 auf der Zeitachse verschieben. Damit erhält man ein, um die Totzeit Δ1 verschobenes inneres effektives Soll-Drehmoment Mint_eff_soll_uh (oder ein effektives Soll-Drehmoment MEFF_SOLL_UH). Das ist in Fig.3a und Fig.3b durch den Block C symbolisiert. Mint_eff_soll_uh (oder Meff_soll_uh) können als Sollwerte zur Regelung verwendet werden (Block D).
Alternativ kann auch aus dem inneren effektiven Soll-Drehmoment Mint_eff_soll (oder dem effektiven Soll-Drehmoment MEFF_SOLL) und der Soll-Drehzahl NMmit derÜbertragungsfunkti-on UF eine zugehörige, zeitlich korrigierte Stellgröße, beispielsweise die Fahrpedalstellung α, ermittelt werden. Dazu kanndie Stellgröße beispielsweise über ein Kennfeld KFaus dem inneren effektiven Soll-Drehmoment Mint_eff_soll (oder dem effektiven Soll-Drehmoment
Meff_soll) und der Soll-Drehzahl NM ermittelt werden und diese Stellgröße um die Totzeit Δ1 verschoben werden, wie in Fig.3c dargestellt ist. Die so ermittelte zeitlich verschobene Stellgröße aUH kann zur Vorsteuerung der Regelung des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF oder des effektiven Drehmoments MEFF verwendet werden, was durch Block D symbolisiert ist.
Dabei kann die Totzeit Δ1 im einfachsten Fall ein vorgegebener oder parametrierter konstanter Zeitwert sein. Idealerweise wird die Totzeit Δ1 aber in Abhängigkeit eines Betriebspunktes (Drehmoment/Drehzahl) des Antriebsaggregats 2 festgelegt. Dazu kann die Totzeit Δ1 z.B. aus Kennfeldern ermittelt wird, in denen die Totzeit Δ1 beispielsweise in Abhängigkeit der Aggregatsdrehzahl NM und des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF (Δ1 = f(NM,
Mint_eff)) des Antriebsaggregats 2 oder des effektiven Drehmoments MEFF (Δ1 = f(NM, MEFF)) 2 aufgetragen ist. Solche Kennfelder können beispielsweise durch vorherige Vermessung des Antriebsaggregats 2 auf einem Prüfstand 1 ermittelt werden oder näherungsweise aus Erfahrungswerten oder aus der Vermessung bauartähnlicher Referenz-Antriebsaggregate ermittelt werden. Bauartähnliche Verbrennungsmotoren können z.B. Verbrennungsmotoren mit vergleichbaren Kenngrößen sein, z.B. ähnlicher Hubraum, gleiche Zylinderzahl, gleiches Aufladekonzept, gleiche Gemischbildung etc.
Bei der Ermittlung der Totzeit Δ1 durch vorherige Vermessung des Antriebsaggregats 2 auf einem Prüfstand 1 wird vorzugsweise jeweils ein Kennfeld für den Anstieg des Drehmoments des Antriebsaggregats 2 und eines für den Abfall des Drehmoments des Antriebsaggregats 2 ermittelt. Dabei werden vorzugsweise in ausgewählten Betriebspunkten des Antriebsaggregats 2 sprunghafte Änderungen der Stellgröße, z.B. der Fahrpedalstellung α desVerbrennungsmotorsoder Änderungen des elektrischen Stromes, in Form von kurzen Rampen, beim Verbrennungsmotor sogenannten α-Rampen, vorgegeben und es wird die Totzeit Δ1 bis zur verzögerten Reaktion des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF oder des effektiven Drehmoments MEFF gemessen, welche im Wesentlichen ein Maß für die Trägheit des Drehmomentaufbaus des Antriebsaggregats 2 darstellt. Diese Ermittlung der Totzeit Δ1 mittels Rampen sollten sowohl für den sprunghaften Anstieg, als auch den sprunghaften Abfall des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF oder des effektiven Drehmoment MEFF durchgeführt werden, wodurch zwei Totzeit-Kennfelder resultieren. Die Rampen sollten dabei so steil gewählt werden, dass vom Antriebsaggregat 2 die maximale Dynamik gefordert wird.
Die Totzeit Δ1 für einen Betriebspunkt des Antriebsaggregats 2 kann aber auch durch Analyse des Verlaufs des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF oder des effektiven Drehmoments MEFF ermittelt werden, beispielsweise kann die Totzeit Δ1 abhängig vom Gradienten des Verlaufs des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF in dem entsprechenden Betriebspunkt festgelegt werden. Diese Methode wird vorzugsweise dann gewählt, wenn keine sepa raten Messungen am Antriebsaggregat 2 zur Ermittlung der Totzeit Δ1 durchgeführt werden können oder vorliegen.
Die Übertragungsfunktion UF kann aber auch beliebig anders ausgestaltet sein, wobei die Übertragungsfunktion UF im allgemeinen Fall eine Funktion des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF oder des effektiven Drehmoments MEFF ist, also UF=f(MINT_EFF oder MEFF). Vorzugsweise ist die Übertragungsfunktion UF eine Funktion des Betriebspunktes des Antriebsaggregats 2, also UF=f(N, MINT_EFF oder MEFF).
Die vorgegebenen sollwerte des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF_sOLL oder des effektiven Drehmoments MEFF_sOLL werden nun mit der Übertragungsfunktion UF korrigiert, um das Zeitverhalten des Antriebsaggregats 2 (die stelldynamik) zu berücksichtigen, wie nachfolgend am Beispiel einer Totzeit Δtals Übertragungsfunktion UF erläutert wird.
Zur Durchführung des Prüflaufs werden die vorgegebenen Sollwerte um die Totzeit Δ1 verschoben, insbesondere zeitlich nach vorne geschoben, und am Prüfstand 1 wie oben beschrieben zur Durchführung des Prüflaufs eingeregelt.
Der nach der Verschiebung um die entsprechenden Totzeiten Δ1 resultierende Verlauf des vorgegebenen inneren effektiven soll-Drehmoments MINT_EFF_sOLL oder des effektiven sollDrehmoments MEFF_sOLL kann nochso angepasst werden, dass all jene Datenpunkte gelöscht werden, die größere absolute Zeitwerte aufweisen als ihre nachfolgenden Punkte. Dadurch wird ein kontinuierlich steigender Zeitvektor erzeugt. Im nächsten schritt sollte der resultierende Verlauf der sollwerte auf eine gemeinsame Zeitbasis mit dem Verlauf der Referenz-Aggregatsdrehzahl NA_REF gebracht werden, um die durch BlockD symbolisierte Regelung des Antriebsaggregats 2 am Prüfstand 1tauglich zu sein.
Fig.4 zeigt ein Diagramm mit Messungen eines Referenz-Prüflaufsam Beispiel eines als Verbrennungsmotorausgeführten Antriebsaggregats 2, wobei der Verlauf der Referenzwerte der Motordrehzahl NM_REF als strichpunktierte Linie, der Verlauf der Referenzwerte des effektiven Drehmoments MEFF_REF an der Verbindungswelle 3 als durchgezogene Linie und der Verlauf der Referenzwerte der Fahrpedalstellung a_REF als gestrichelte Linie über der Zeit t aufgetragen sind. Der Referenz-Prüflauf im vorliegenden Beispiel stellt eine Fahrtmit konstanter Beschleunigung mit drei Gangwechseln und anschließender Verzögerung dar. Anhand dieses Referenz-Prüflaufs soll nachfolgend beispielhaft die erzielten Verbesserungen deserfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt werden.Ein Referenz-Prüflauf kann mit dem zu untersuchenden Antriebsaggregat 2 oder auch mit einem anderen ReferenzAntriebsaggregat erfolgen. Referenzwerte könnten aber auch aus anderen Quellen stammen, beispielsweise aus gesetzlich vorgegebenen Messzyklen. Zum Zwecke einer übersichtlicheren Darstellung werden die nachfolgenden Ergebnisse im Zeitabschnitt Z dargestellt, der zwischen der Zeit t1 des Referenz-Prüflaufs und der Zeit t2 des Referenz-Prüflaufs liegt, wie in Fig.4 dargestellt.
Fig.5 zeigt die Ergebnisse eines ersten Prüflaufs im Zeitabschnitt Z zwischen der Zeit t1 und der Zeit t2 mit der üblichen N/MEFF - Regelungsart. Dabei wird die Motordrehzahl NM mittels der Regelungseinrichtung 5 der Belastungsmaschine 4 geregelt und das effektive Drehmoment MEFF an der Verbindungswelle 3 wird mittels der Aggregatsregelungseinheit 6 über die Stellgröße der Fahrpedalstellung α geregelt. Dabei sind die Verläufe der gemessenen Istwerte des ersten Prüflaufs den Verläufen der Referenzwerte des aus Fig.4 bekannten ReferenzPrüflaufs gegenübergestellt. Wiederum ist der Verlauf der Referenzwerte der Motordrehzahl NM_REF als strichpunktierte Linie gezeichnet, der Verlauf der Referenzwerte des effektiven
Drehmoments MEFF_REF an der Verbindungswelle 3 als durchgezogene Linie und der Verlauf der Referenzwerte der Fahrpedalstellung a_REF als gestrichelte Linie. Die entsprechenden Verläufe der gemessenen Istwerte NM_|ST, Meff_iST und α_ιδτ sind jeweils mit einem runden Marker versehen.Es ist ersichtlich, dass die Motordrehzahl NM am Prüfstand 1 sehr exakt eingeregelt werden kann, was auf eine leistungsfähige Belastungsmaschine 4 mit entsprechender Regelungscharakteristik zurückzuführen ist. Weiters ist eine relativ schlechte Übereinstimmung zwischen den Referenz- und Ist-Verläufen des effektiven Drehmoments MEFF und Referenz- und Ist-Verläufen der Fahrpedalstellung α ersichtlich. Dies ist, wie eingangs beschrieben, auf die starke Kopplung von Motordrehzahl NM und effektivem Drehmoment MEFF über die Massenträgheit IA des Verbrennungsmotors zurückzuführen.
Fig.6 zeigt die Ergebnisse eines zweiten Prüflaufs im Zeitabschnitt Z zwischen der Zeit t1 und der Zeit t2 mit der erfindungsgemäßen Regelungsart N/Mint_eff. Dabei wird die Motordrehzahl NM mittels der Regelungseinrichtung 5 der Belastungsmaschine 4 geregelt und das innere effektive Drehmoment Mint_eff wird mittels der Aggregatsregelungseinheit 6 über die Stellgröße der Fahrpedalstellung α geregelt. Dabei sind die Verläufe der gemessenen istwerte des zweiten Prüflaufs den Verläufen der Referenzwerte des aus Fig.4 bekannten Referenz-Prüflaufs gegenübergestellt. Wiederum ist der Verlauf der Referenzwerte der Motordrehzahl NM_REF als strichpunktierte Linie gezeichnet, der Verlauf der Referenzwerte des effektiven Drehmoments MEFF_REF an der Verbindungswelle 3 als durchgezogene Linie und der Verlauf der Referenzwerte der Fahrpedalstellung α_^ι= als gestrichelte Linie. Die entsprechenden Verläufe der gemessenen Istwerte NM_ist, Meff_ist und α_|δτ sind jeweils wiederum mit einem runden Marker versehen. Es ist ersichtlich, dass sich qualitativ bessere Übereinst-immungender Referenz- und ist-Verläufe deseffektivenDrehmoments MEFF an der Verbindungswelle 3 und der Referenz- und ist-Verläufe der Fahrpedalstellung α ergeben, jedoch ist auch ein zeitlicher Versatz tv der Referenz- und ist-Verläufe erkennbar. Dieser Versatztv ist vorwiegend auf das beschriebene Zeitverhalten der Übertragungsfunktion UF des Verbren- nungsmotors zurückzuführen, also im Wesentlichen die Trägheit des Drehmomentaufbaus zwischen Signal der Stellgröße und tatsächlich messbarem Drehmomentaufbau.
Wie beschrieben ist es vorteilhaft, wenn das Zeitverhalten der Übertragungsfunktion UF des
Verbrennungsmotors berücksichtigt wird, indem das innere effektive Soll-Drehmoment
Mint_eff_soll um die Totzeit Δ1 vorverschoben wird, wie nachfolgend anhand Fig. 7 dargestellt wird.
Fig.7 zeigt die Ergebnisse eines dritten Prüflaufs im Zeitabschnitt Z zwischen der Zeit t1 und der Zeit t2 mit der erfindungsgemäßen Regelungsart N/MINT_EFF, wobei das innere effektive Soll-Drehmoment MINT_EFF_SOLL um eine konstante Totzeit Δ1 von 100ms vorverschoben wurde. Dabei wird die Motordrehzahl NM mittels der Regelungseinrichtung 5 der Belastungsmaschine 4 geregelt und das innere effektive Drehmoment MINT_EFF wird mittels der Aggregatsregelungseinheit 6 über die Stellgröße der Fahrpedalstellung α geregelt. Dabei sind die Verläufe der gemessenen Istwerte des dritten Prüflaufs den Verläufen der Referenzwerte des aus Fig.4 bekannten Referenz-Prüflaufs gegenübergestellt. Wiederum ist der Verlauf der Referenzwerte der Motordrehzahl NM_REF als strichpunktierte Linie gezeichnet, der Verlauf der Referenzwerte des effektiven Drehmoments MEFF_REF an der Verbindungswelle 3 als durchgezogene Linie und der Verlauf der Referenzwerte der Fahrpedalstellung a_REF als gestrichelte Linie. Die entsprechenden Verläufe der gemessenen Istwerte NM_IST, MEFF_IST und a_IST sind jeweils wiederum mit einem runden Marker versehen. Man kann eine deutlich bessere Übereinstimmung der Verläufe der Referenz- und Istwerte des effektiven Drehmoments Meff und Fahrpedalstellung α erkennen. Die Überhöhungen bei den Verläufen der Istwerte des effektiven Drehmoments MEFF_IST und Fahrpedalstellung a_IST lassen sich im vorliegenden Fall z.B. darauf zurückführen, dass der verwendete Regler der Aggregatsregelungseinheit 6 mit dem, um die Totzeit Δ1 korrigierten Sollwert (Soll-Drehmoment MINT_EFF_SOLL) eine konstante Regelabweichung während des vorgegangenen Drehmomentanstiegs erfährt. Als Folge erhöht sich durch den integrativen (I)-Anteil im verwendeten Regler die Stellgröße (Fahrpedalstellung α) zu stark. Durch eine andere Reglerparametrierung kann diese Erhöhung vermieden werden.
Dieser Effekt kann aber auch dadurch vermieden werden, dass zur Regelung des inneren effektiven Drehmoments MINT_EFF eine Vorsteuerung verwendet wird und dass die Korrektur des Zeitverhaltens nicht auf das Soll-Drehmoment MINT_EFF_SOLL (oder MEFF_SOLL), sondern auf einen Vorsteuerwert der Stellgröße der Vorsteuerung angewendet wird. Dafür wird beispielsweise mittels eines Kennfeldes KF der Vorsteuerwert der Fahrpedalstellung α aus dem inneren effektiven Soll-Drehmoment MINT_EFF_SOLL und der Soll-Drehzahl NM_SOLL ermittelt. Dieser Vorsteuerwert (Fahrpedalstellung α) wird dann um die Totzeit Δ1 verschoben. Das innere effektive Drehmoment MINT_EFF wird nun ohne Korrektur des inneren effektiven SollDrehmoments MINT_EFF_SOLL mittels der Aggregatsregelungseinheit 6 geregelt (siehe Fig.3c) und der, um die Totzeit Δ1 verschobene, Vorsteuerwert (Fahrpedalstellung α) wird zum Reglerausgang des Reglers der Aggregatsregelungseinheit 6 addiert. Das Ergebnis ist in Fig.8 dargestellt und man erkennt, dass im Wesentlichen keine Überhöhungen bei den Verläufen der Istwerte des effektiven Drehmoments MEff_ist und Fahrpedalstellung a_IST auftreten. Alternativ könnte aber auch das innere effektive Soll-Drehmoment MINT_EFF_SOLL mittels Übertragungsfunktion UFkorrigiert werden und der Vorsteuerwert aus dem korrigierten sollDrehmoment MINT_EFF_sOLL und der soll-Drehzahl NM_sOLL mittels eines Kennfeldes KF ermittelt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das innere effektive Drehmoment Mint_Eff_soll um eine Totzeit Δ1 vorverschoben, die in Abhängigkeit der Betriebspunkte des Antriebsaggregats 2 gewählt wird. Damit können weitere Verbesserungen in der Übereinstimmung der Verläufe der Referenz- und Istwerte des effektiven Drehmoments MEff und Fahrpedalstellung α erzielt werden. Dazu können für die Totzeit Δ1, wie bereits beschrieben, betriebspunktabhängige Kennfelder erstellt werden, die z.B. durch vorherige Vermessung des Antriebsaggregats 2 auf einem Prüfstand 1 ermittelt werden können, wie dies bereits anhand Fig. 3 erörtert wurde.
Wenn eine vorherige Vermessung nicht möglich sein sollte, kann die Totzeit Δ1 in einem Betriebspunkt des Antriebsaggregats 2 beispielsweise auch in Abhängigkeit des Gradienten des Verlaufs des inneren effektiven soll-Drehmoments MINT_EFF_sOLL in dem entsprechenden Betriebspunkt ermittelt werden. Es kann aber näherungsweise auch eine konstante Totzeit Δ1 gewählt werden, wie anhand der Ergebnisse des dritten Prüflaufs in Fig. 7 beschrieben wurde. Es ist natürlich auch möglich, Kennfelder für die Totzeit Δ1 basierend auf Erfahrungswerten oder basierend auf der Vermessung von Referenz -Antriebsaggregaten zu erstellen, Referenz-Verbrennungsmotoren können in diesem Zusammenhang beispielsweise bauartähnli-cheVerbrennungsmotoren sein, z.B. Verbrennungsmotoren mit vergleichbaren Kenngrößen wie ähnlicher Hubraum, gleiche Zylinderzahl, gleiches Aufladekonzept, gleiche Gemischbildung, etc. Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand Messungen eines Verbrennungsmotors beschrieben wurde, sei an der stelle nochmals angemerkt, dass das Verfahren auch für andere Antriebsaggregate 2 geeignet ist, z.B. Elektromotoren, Hybridantriebe, Antriebsstränge, etc.

Claims (20)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands (1) zum Durchführen eines Prüflaufs mit einem Antriebsaggregat (2), das mittels einer Verbindungswelle (3) mit einer Belastungsmaschine (4) zum Antrieb oder zur Belastung des Antriebsaggregats (2) verbunden wird, wobei die Belastungsmaschine (4) am Prüfstand (1) zur Durchführung des Prüflaufs von einer Regelungseinrichtung (5) geregelt wird und das Antriebsaggregat (2) zur Durchführung des Prüflaufs von einer Aggregatsregelungseinheit (6) geregelt wird, wobei zur Durchführung des Prüflaufs vorgegebene zeitliche Verläufe einer Drehzahl und eines Drehmoments des Antriebsaggregats (2) nachgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein inneres effektives Drehmoment (MINT_EFF) oder ein effektives Drehmoment (MEFF) des Antriebsaggregats (2) von der Aggregatsregelungseinheit (6) geregelt wird, indem Sollwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_SOLL) oder das effektive Drehmoment (MEFF_SOLL) vorgegeben werden und Istwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_IST) oder das effektive Drehmoment (MEFF_IST) während des Betriebs des Antriebsaggregats (2) am Prüfstand (1) ermittelt werden und dass mittels einer Übertragungsfunktion (UF) die Stelldynamik des Antriebsaggregats (2) bei der Regelung berücksichtigt wird, indem die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigiert werden oder dass zur Regelung des inneren effektiven Drehmoments (MINT_EFF) oder des effektiven Drehmoments (MEFF) des Antriebsaggregats (2) eine Vorsteuerung einer Stellgröße des Antriebsaggregats (2) verwendet wird, wobei Vorsteuerwerte der Stellgröße oder die Sollwerte der Regelung mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigiert werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) aus einer an der Belastungsmaschine (4) oder am Antriebsaggregat (2) oder an der Verbindungswelle (3) gemessenen Ist-Drehzahl (NIST) und eines an der Belastungsmaschine (4) oder am Antriebsaggregat (2) oder an der Verbindungswelle (3) gemessenen effektiven Ist-Drehmoments (MEFF_IST) und der bekannten Massenträgheit (IA) des Antriebsaggregats (2) ermittelt wird oder dass das effektive Ist-Drehmoment (MEFF_IST) durch Messung an der Verbindungswelle (3) ermittelt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) ermittelt wird, indem die gemessenen Ist-Drehzahl (NIST) nach der Zeit abgeleitet wird und mit der bekannten Massenträgheit (IA) des Antriebsaggregats multipliziert wird und das Produkt zum gemessenen effektiven Ist-Drehmoment (MEFF_IST) addiert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsaggregat (2) ein Verbrennungsmotor verwendet wird und dass das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) mittels Zylinderdruckindizierung am Verbrennungsmotor ermittelt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Ist- Drehmoment (MINT_EFF_IST) aus der Differenz zwischen einem indizierten Ist-Drehmoment (MINDI_IST) und einem Reib-Drehmoment (MR) ermittelt wird, wobei das indizierten Ist-Drehmoment (MINDI_IST) mittels der Zylinderdruckindizierung ermittelt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Soll-Drehmoment (MINT_EFF_SOLL) aus dem vorgegebenen Verlauf der Drehzahl des Antriebsaggregats (2), dem vorgegebenen Verlauf des Drehmoments des Antriebsaggregats (2) und aus der bekannten Massenträgheit (IA) des Antriebsaggregats (2) ermittelt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Soll Drehmoment (MINT_EFF_SOLL) ermittelt wird, indem der Verlauf der vorgegebenen Drehzahl nach der Zeit abgeleitet wird und mit der bekannten Massenträgheit (IA) des Antriebsaggregats (2) multipliziert wird und das Produkt zum vorgegebenen Verlauf des Drehmoments des Antriebsaggregats (2) addiert wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgröße eine Fahrpedalstellung (α) verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerwerte der Stellgröße aus einer Drehzahl, insbesondere der Ist-Drehzahl (NIst) oder der vorgegebenen Drehzahl, und einem Soll-Drehmoment, insbesondere dem inneren effektiven Soll-Drehmoment (MINT_EFF_soll), dem effektiven Soll-Drehmoment (MEFF_soll), einem mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigierten inneren effektiven Soll-Drehmoment (MINT_EFF_soll_UH) oder einem mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigierten effektiven SollDrehmoment (MEFF_soll_UH), ermittelt werden, vorzugsweise aus einem Kennfeld KF .
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Übertragungsfunktion (UF) die Sollwerte der Regelung oder die Vorsteuerwerte der Stellgröße um eine Totzeit (Δ9 auf der Zeitachse verschoben werden.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (Δ9 für alle Betriebspunkte des Antriebsaggregats (2) gleich groß festgelegt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (Δ9 abhängig vom Betriebspunkt des Antriebsaggregats (2) festgelegt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (Δ9 für einen Betriebspunkt des Antriebsaggregats (2) abhängig vom Gradienten des Verlaufs des inneren effektiven Soll-Drehmoments (MINT_EFF_SOLL) oder des effektiven Soll-Drehmoments (MEFF_SOLL) in dem Betriebspunkt festgelegt wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (Δ1) durch Vermessung des Antriebsaggregats (2) oder eines Referenz Antriebsaggregats auf dem Prüfstand (1) ermittelt wird.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit (Δ9 gemessen wird, indem die Stellgröße des Antriebsaggregats (2) sprunghaft geändert wird und die Zeit zwischen der sprunghaften Änderung der Stellgröße und einer dadurch bewirkten Änderung des inneren effektiven Ist-Drehmoments (MINT_EFF_IST) gemessen wird.
  16. 16. Prüfstand (1) zum Durchführen eines Prüflaufs mit einem Antriebsaggregat (2), das mittels einer Verbindungswelle (3) mit einer Belastungsmaschine (4) zum Antrieb oder zur Belastung des Antriebsaggregats (2) verbunden ist, wobei eine Regelungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die die Belastungsmaschine (4) am Prüfstand (1) zur Durchführung des Prüflaufs regelt und eine Aggregatsregelungseinheit (6) vorgesehen ist, die das Antriebsaggregat (2) zur Durchführung des Prüflaufs regelt, wobei der Prüfstand (1) zur Durchführung des Prüflaufs in Form von vorgegebenen zeitlichen Verläufen einer Drehzahl und eines Drehmoments des Antriebsaggregats (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aggregatsregelungseinheit (6) ein inneres effektives Drehmoment (MINT_EFF) oder ein effektives Drehmoment (MEFF) des Antriebsaggregats (2) regelt, wobei die Aggregatsregelungseinheit (6) zur Regelung Sollwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_SOLL) oder das effektive Drehmoment (MEFF_SOLL) erhältund die Aggregatsregelungseinheit (6) Istwerte für das innere effektive Drehmoment (MINT_EFF_IST) oder das effektive Drehmoment (MEFF_IST) während des Betriebs des Antriebsaggregats (2) am Prüfstand (1) ermittelt und dassdie Aggregatsregelungseinheit (6) zur Regelung die Sollwerte der Regelung mit einer Übertragungsfunktion (UF) korrigiert, um eine Stelldynamik des Antriebsaggregats (2) zu berücksichtigen oder dasszur Regelung des inneren effektiven Drehmoments (MINT_EFF) oder des effektiven Drehmoments (MEFF) des Antriebsaggregats (2) eine Vorsteuerung einer Stellgröße des Antriebsaggregats (2) vorgesehen ist, wobei Vorsteuerwerte der Stellgröße oder die Sollwerte der Regelung von der Aggregatsregelungseinheit (6) mit der Übertragungsfunktion (UF) korrigiertwerden.
  17. 17. Prüfstand (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dassder Prüfstand (1) einen Beobachter (10) in Form einer Hardware oder Software zur Ermittlung der Istwerte des inneren effektiven Drehmoments (MINT_EFF_IST) aufweist
  18. 18. Prüfstand (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Beobachter (10) vorgesehen ist, das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) aus einer an der Belastungsmaschine (4) oder am Antriebsaggregat (2) oder an der Verbindungswelle (3) gemessenen Ist-Drehzahl (NIST) undeines an der Belastungsmaschine (4) oder am Antriebsaggre- gat (2) oder an der Verbindungswelle (3) gemessenen effektiven Ist-Drehmoments (MEFF_IST) und der bekannten Massenträgheit (IA) des Antriebsaggregats (2) zu ermitteln.
  19. 19. Prüfstand (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebsaggre gat (2) ein Verbrennungsmotor vorgesehen ist und dass ein Zylinderdruckindiziersystem zur Zylinderdruckindizierung des Verbrennungsmotors am Prüfstand (1) vorgesehen ist, wobei das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) aus der Zylinderdruckindizierung ermittelt wird.
  20. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das innere effektive Ist-Drehmoment (MINT_EFF_IST) aus der Differenz zwischen einem indizierten Ist-Drehmoment (MINDI_IST) und einem Reib-Drehmoment (MR) ermittelt wird, wobei das indizierte Ist- Drehmoment (MINDI_IST) mittels der Zylinderdruckindizierung ermittelt wird.
ATA51075/2017A 2017-12-22 2017-12-22 Verfahren zum Betreiben eines Prüfstands AT520521B1 (de)

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