DE19846527C1 - Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine auf einem Motorprüfstand - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, deren Abgasturbolader mit einer Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und mit einem Ladeluftverdichter versehen ist, wird auf einem Motorprüfstand in befeuerter Betriebsweise Motorleistung erzeugt und in Bremsleistung einer Prüfstandsbremse umgewandelt. DOLLAR A Um die Bremseigenschaften des Abgasturboladers mit vertretbarem Aufwand auf Motorprüfständen überprüfen zu können, wird die variable Turbinengeometrie bei befeuerter Betriebsweise in ihre Staustellung überführt, wobei Bremsventile, über die die Brennräume mit dem Abgasstrang kommunizieren, geschlossen bleiben. Daraufhin wird der Ladedruck-Istwert gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine auf einem Motorprüfstand nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 195 43 190 A1 ist ein Motorbremssystem für eine auf­ geladene Brennkraftmaschine bekannt, die mit einer Abgasturbine mit einer über ein verstellbares Leitgitter variabel einstell­ baren Turbinengeometrie versehen ist. Das Leitgitter umfaßt Leitschaufeln, die mit Hilfe eines Stellglieds so eingestellt werden können, daß der wirksame Turbinenquerschnitt der Turbine verändert wird. Hierdurch können je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine verschieden hohe Abgasgegendrücke im Ab­ schnitt zwischen den Zylindern und dem Abgasturbolader reali­ siert werden, wodurch die Leistung der Turbine und die Leistung des Verdichters je nach Bedarf eingestellt werden können.

Um im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine eine Motorbremswir­ kung zu erzielen, wird das Leitgitter in eine Staustellung überführt, in der der Turbinenquerschnitt deutlich reduziert ist. Im Leitungsabschnitt zwischen den Zylindern und der Abgas­ turbine baut sich ein hoher Abgasgegendruck auf, welcher be­ wirkt, daß Abgas mit hoher Geschwindigkeit durch die Kanäle zwischen den Leitschaufeln strömt und das Turbinenrad mit einem großen Impuls beaufschlagt. Die Turbinenleistung wird auf den Verdichter übertragen, woraufhin die dem Motor zugeführte Ver­ brennungsluft vom Verdichter unter erhöhten Ladedruck gesetzt wird.

Dadurch wird der Zylinder eingangsseitig mit erhöhtem Druck be­ aufschlagt, ausgangsseitig liegt zwischen dem Zylinderauslaß und dem Abgasturbolader ein erhöhter Abgasgegendruck an, der dem Abblasen der im Zylinder verdichteten Luft über Bremsventi­ le in den Abgasstrang hinein entgegenwirkt. Im Motorbremsbe­ trieb muß der Kolben im Verdichtungs- und Ausschiebehub Kom­ pressionsarbeit gegen den hohen Überdruck im Abgasstrang ver­ richten, wodurch eine starke Bremswirkung erreicht wird.

Derartige Motorbremssysteme sollen bevorzugt bei schweren Nutz­ fahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei können Motorbremsleistun­ gen in der Größenordnung von mehreren Hundert kW erzeugt wer­ den.

In der Großserienfertigung werden die Brennkraftmaschinen für schwere Nutzfahrzeuge nach der Motorenmontage einer Funktions­ überprüfung auf einem Motorprüfstand unterzogen, um etwaige Fehlfunktionen des Motors noch vor dem Einbau in das Fahrzeug detektieren und lokalisieren zu können. Die Motorprüfstände sind üblicherweise mit Wasserbremsen zur Aufnahme der im Prüf­ betrieb erzeugten Motorleistung ausgestattet. Die Wasserbremsen sind jedoch als passives Bauteil nur dazu geeignet, Motorlei­ stung aufzunehmen und als Bremsleistung zu dissipieren. Sie können aber nicht aktiv angetrieben werden und sind deshalb nicht in der Lage, Leistung abzugeben, so daß ein Motorbremsbe­ trieb mit diesem Bremsentyp nicht simuliert werden kann. Motor­ prüfstände mit Wasserbremsen werden daher ausschließlich im be­ feuerten Motorbetrieb gefahren, eine Prüfung von Motoren mit variabler Turbinengeometrie ist im Bremsbetrieb nicht möglich.

Es sind andererseits elektrische Bremsen für Prüfstände be­ kannt, die im befeuerten Motorbetrieb als Generator eingesetzt werden und im Bremsbetrieb der Brennkraftmaschine Leistung ab­ geben; dieser Bremsentyp kann sowohl für den befeuerten Betrieb als auch für den Motorbremsbetrieb eingesetzt werden. Es können jedoch mit diesen Prüfstandsbremsen nicht mit vertretbarem Auf­ wand die für einen Motorbremsbetrieb großer Brennkraftmaschinen mit variabler Turbinengeometrie erforderlichen Leistungswerte in der Größenordnung von mehreren Hundert kW erzeugt werden. Der Motorbremsbetrieb ist bei diesem Bremsentyp auf geringere Leistungswerte beschränkt, große Brennkraftmaschinen können da­ her nicht in ihrem gesamten Leistungsspektrum geprüft werden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren anzuge­ ben, mit dem aufgeladene Brennkraftmaschinen, die mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet sind und hohe Leistungswerte aufweisen, mit vertretbarem Aufwand auf Motorprüfständen einer Funktionsüberprüfung unterzogen werden können.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Gemäß dem neuartigen Verfahren wird die Brennkraftmaschine aus­ schließlich im befeuerten Betrieb auf dem Motorprüfstand ge­ prüft, so daß rein passive Prüfstands-Bremssysteme verwendet werden können, die mit vergleichsweise geringem Aufwand herge­ stellt, betrieben und unterhalten werden können und die zur Aufnahme sehr großer Leistungen geeignet sind. Zugleich ist es aber möglich, die Funktionsfähigkeit der variablen Turbinengeo­ metrie in ihrem gesamten Leistungsspektrum zu prüfen, insbeson­ dere in Betriebspunkten hoher Leistung, die im realen Motor­ bremsbetrieb auftreten können, ohne jedoch den Motorbremsbe­ trieb auf dem Prüfstand simulieren zu müssen. Hierfür wird die einstellbare Turbine des Abgasturboladers in ihre dem Motor­ bremsbetrieb entsprechende Staustellung überführt, in der übli­ cherweise der wirksame Turbinenquerschnitt ein Minimum ein­ nimmt. Entgegen dem tatsächlichen Motorbremsbetrieb bleiben nun aber die Bremsventile in ihrer dem befeuerten Betrieb entspre­ chenden Schließstellung, so daß die Brennräume der Zylinder nur über die Auslaßventile, nicht jedoch über die Bremsventile mit dem Abgasstrang kommunizieren. Zugleich wird Kraftstoff einge­ spritzt und es wird Motorantriebsleistung erzeugt.

Durch den verengten Turbinenquerschnitt wird ein erhöhter Ab­ gasgegendruck stromauf der Turbine erzeugt, der zu hohen Strö­ mungsgeschwindigkeiten mit hohem Impuls auf das Turbinenlaufrad führt, was einen erhöhten Ladedruck zur Folge hat. Da die Bremsventile geschlossen bleiben, muß der Brennrauminhalt nicht gegen den erhöhten Abgasgegendruck ausgeschoben werden, so daß keine Motorbremsleistung generiert wird. Es wird ausschließlich Antriebsleistung erzeugt, die von passiven Prüfstandsbremsen aufgenommen werden kann.

Der sich in dieser Betriebsweise einstellende Ladedruck korre­ liert mit der im realen Fahrbetrieb erreichbaren Motorbremslei­ stung und kann daher als ein Maß für die Güte und die Qualität des Motorbremssystems herangezogen werden. Der Ladedruck wird gemessen und mit einem bekannten Sollwert verglichen. Weicht der gemessene Ladedruck in unzulässiger Weise vom Sollwert ab, so liegt eine Fehlfunktion einer die Motorbremsfunktion beein­ flussenden Komponente vor. Liegt der gemessene Ladedruck inner­ halb zulässiger Grenzen im Bereich des Sollwerts, funktioniert das Motorbremssystem einwandfrei.

In zweckmäßiger Weiterbildung des Verfahrens ist in einem Steu­ ergerät des Moorprüfstandes ein Kennfeld mit Ladedruck- Sollwerten in Abhängigkeit der Motorlast und der Motordrehzahl abgespeichert. Die Brennkraftmaschine wird im Motorprüfstand in der Regel mit einer definierten Motordrehzahl betrieben, bei der Drehmoment erzeugt wird, das von der Prüfstandsbremse als Last aufgenommen wird. Je nach Last und Drehzahl kann diesem Motor-Betriebspunkt in Staustellung der variablen Turbinengeo­ metrie ein Ladedruck-Sollwert zugeordnet werden, der zum Ver­ gleich mit dem gemessenen Ladedruck-Istwert herangezogen wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden die Lade­ druck-Istwerte in Bremsleistungswerte umgerechnet. In dem Steu­ ergerät des Motorprüfstandes kann ein Kennfeld mit Motor- Bremsleistungswerten in Abhängigkeit des Ladedrucks abgespei­ chert sein, wobei mit Hilfe dieses Kennfeldes den gemessenen Ladedruck-Istwerten unmittelbar die korrespondierenden Brems­ leistungs-Istwerte zugeordnet werden, die bestimmte Sollwerte erreichen müssen, damit kein Fehlerfall vorliegt.

Im Fehlerfall - Ladedruck-Istwert ungleich Ladedruck-Sollwert oder Bremsleistungs-Istwert ungleich Bremsleistungs-Sollwert - wird vorzugsweise ein Fehlersignal erzeugt, das zur Anzeige ge­ bracht bzw. dokumentiert werden kann. Über das Fehlersignal kann eine Fehlfunktion des Motor-Bremsleistungssystems detek­ tiert werden. Hieran können sich gegebenenfalls weitere Unter­ suchungen zur Lokalisation des Fehlers anschließen.

Als Prüfstandsbremse wird bevorzugt eine Wasserbremse verwen­ det, die sich durch eine große Leistungsaufnahme, einen einfa­ chen Aufbau und eine gute Wärmeableitung und geringe Kosten auszeichnet.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Ablaufdiagramm gemäß dem erfindungsge­ mäßen Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit variabler Turbinengeometrie dargestellt ist.

Das Ablaufdiagramm ist aus Gründen der besseren Verständlich­ keit in verschiedene Blöcke 1 bis 5 unterteilt. Der in dem Dia­ gramm gezeigte Ablauf wird technisch in einem Motorprüfstand realisiert, der die für die Motorprüfung erforderlichen Kompo­ nenten wie Prüfstandssteuergerät mit entsprechender Prüfsoft­ ware, Sensorik, Bremsen etc. aufweist.

Die auf dem Prüfstand zu untersuchende Brennkraftmaschine, ins­ besondere ein Dieselmotor eines schweren Nutzfahrzeugs, weist einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine mit variabler Tur­ binengeometrie auf, die zwischen einer Offenstellung, in der der wirksame Turbinenquerschnitt einen maximalen Wert einnimmt, und einer Staustellung, in der der wirksame Turbinenquerschnitt minimal ist, variabel verstellt werden kann. Der Abgasturbola­ der kann sowohl im befeuerten Betrieb als auch im Motorbremsbe­ trieb eingesetzt werden, wobei im Motorbremsbetrieb die Turbi­ nengeometrie in die Staustellung überführt wird und Bremsventi­ le am Zylinderauslaß geöffnet werden.

Die variable Turbinengeometrie ist zweckmäßig als radiales Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln zur Querschnittsre­ duzierung der Turbine ausgeführt. Alternativ zu einem radialen Leitgitter kann die variable Turbinengeometrie auch als Axial­ schieber realisiert sein. Gegebenenfalls kommen auch Klappen­ turbinen oder sonstige Varioturbinentypen zum Einsatz, die eine variable Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts oder in sonstiger Weise eine Beeinflussung des auf das Turbinenrad treffenden Abgasmassenstromes ermöglichen.

Als Bremsventile kommen Konstantdrosseln, getaktete Dekompres­ sionsventile oder auch getaktete Auslaßventile in Betracht.

Gemäß Block 1 wird die zu untersuchende Brennkraftmaschine im befeuerten Betrieb auf dem Motorprüfstand getestet. Der Prüf­ stand ist mit einem passiven Bremssystem, insbesondere mit ei­ ner Wasserbremse ausgerüstet, das zur Aufnahme großer Motorlei­ stungen der Brennkraftmaschine ausgelegt ist. Um das Motor­ bremssystem zu überprüfen, werden gemäß Block 2 die Bremsventi­ le geschlossen und die variable Turbinengeometrie (VTG) in die dem Motorbremsbetrieb entsprechende Staustellung überführt. Zu­ gleich wird Kraftstoff eingespritzt, so daß die Brennkraftma­ schine Leistung erzeugt, welche vom Prüfstands-Bremssystem auf­ genommen wird und angezeigt werden kann. Zweckmäßig wird eine definierte Kraftstoffmenge eingespritzt, die einer bestimmten Motordrehzahl entspricht. Hierfür kann ein Kennfeld für die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit der Motordrehzahl im Prüf­ standssteuergerät abgelegt sein.

Gemäß Block 3 wird daraufhin der Ladedruck-Istwert p_2S,ist im Be­ reich des Ansaugrohres stromab des Verdichters gemessen. Der sich einstellende Ladedruck p_2S,ist korreliert mit einer Motor­ bremsleistung, die im realen Motorbremsbetrieb bei geöffneten Bremsventilen und ohne Kraftstoffeinspritzung erreicht werden würde.

Im Block 4 wird der gemessene Ladedruck-Istwert p_2S,ist mit einem Ladedruck-Sollwert p_2S,soll verglichen. Der Ladedruck-Sollwert p_2S,soll ist in einem Kennfeld in Abhängigkeit der Motorlast und der Motordrehzahl abgespeichert. Von der Differenz zwischen Istwert und Sollwert wird der Betrag gebildet und mit einem To­ leranzwert Tol verglichen. Liegt der Betrag der Differenz in­ nerhalb des Toleranzwertes, so ist liegt kein Fehler im Motor­ bremssystem vor und das Prüfverfahren kann gemäß der gestri­ chelten Linie fortgesetzt werden. Liegt dagegen der Betrag der Differenz außerhalb des Toleranzwertes Tol, so ist die Abwei­ chung des Ladedruck-Istwerts vom Ladedruck-Sollwert unzulässig hoch und es wurde eine Fehlfunktion in einer oder in mehreren am Motorbremssystem beteiligten Komponenten detektiert. In die­ sem Fall wird ein Fehlersignal erzeugt und gemäß Block 5 in ei­ ner Fehlerdokumentation abgespeichert und angezeigt.

Es kann zweckmäßig sein, im Block 4 anstelle des Ladedruck- Vergleiches einen Vergleich zwischen einem hypothetischen Mo­ torbremswert, der mit dem gemessenen Ladedruck korreliert, und einem Soll-Motorbremswert durchzuführen. Hierfür wird wiederum zunächst der Ladedruck gemessen, gemäß einem bekannten Kennfeld bzw. einer bekannten Beziehung in einen hypothetischen Motor­ bremswert umgerechnet, ein Soll-Motorbremswert aus einem Kenn­ feld in Abhängigkeit der Motorlast und der Motordrehzahl be­ stimmt und der errechnete Motorbrems-Istwert vom Sollwert sub­ trahiert, wobei die Differenz unterhalb eines spezifischen To­ leranzwertes liegen muß.

Gegebenenfalls werden Messungen und Vergleiche für eine Reihe von Motorbetriebspunkten durchgeführt, insbesondere für eine variierende Motordrehzahl und für variierende Stellungen der variablen Turbinengeometrie. Außerdem kann es vorteilhaft sein, auch die Abweichung des Ladedruck-Istwerts oberhalb oder unter­ halb des Ladedruck-Sollwerts zu bestimmen. Beide Maßnahmen kön­ nen zur Eingrenzung des Fehlers bzw. zur Fehlerlokalisation herangezogen werden. Beispielsweise deutet ein unzulässig nied­ riger Ladedruck auf eine mangelhafte Einstellmöglichkeit der variablen Turbinengeometrie hin.

Claims (8)

1. Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine auf einem Motorprüfstand, wobei der Abgasturbola­ der der Brennkraftmaschine mit einer Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts und mit einem Ladeluftverdichter versehen ist, und wobei in befeuerter Betriebsweise Motorleistung er­ zeugt und in Bremsleistung einer Prüfstandsbremse umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß zur Überprüfung der Bremseigenschaften des Abgasturbola­ ders die variable Turbinengeometrie bei befeuerter Betriebs­ weise in ihre Staustellung überführt, wird und zugleich Bremsventile, über die die Brennräume mit dem Abgasstrang kommunizieren, geschlossen bleiben und
• 2. daß der Ladedruck-Istwert gemessen und mit einem vorgegebe­ nen Sollwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Prüfstandssteuergerät ein Kennfeld mit Ladedruck- Sollwerten in Abhängigkeit der Motorlast und der Motordrehzahl abgespeichert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Prüfstandssteuergerät ein Kennfeld mit Motor- Bremsleistungswerten in Abhängigkeit des Ladedrucks abgespei­ chert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung des Ladedruck-Istwerts von einem vorgegebe­ nen Ladedruck-Sollwert ein Fehlersignal erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Prüfstandsbremse eine Wasserbremse verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremsventile Konstantdrosseln verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremsdrosseln getaktete Dekompressionsventile verwende werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremsdrosseln getaktete Auslaßventile verwendet werden.