DE102008014681A1

DE102008014681A1 - Verfahren zum Entgegenwirken eines Abfalls des Ladedrucks und ein Turbolader mit einer Steuerungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008014681A1
Application number: DE102008014681A
Authority: DE
Inventors: Roland Herfurth; Andre Dr. Kaufmann; Achim Koch
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader mit den Schritten: Bestimmen, ob im Betrieb ein Pumpen des Verdichters auftritt bzw. bevorsteht. Wird festgestellt, dass ein Pumpen auftritt bzw. bevorsteht: Bestimmen eines dem Verdichter zuzuführenden Luftmassenstroms, der ausreichend ist, um einen Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, um ein Pumpen des Verdichters zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern, und Bestimmen des sich ergebenden Abfalls des Ladedrucks beim Zuführen des Luftmassenstroms und Bestimmen eines Werts, basierend auf dem Ladedruckabfall, um den die Leistung der Turbine bzw. des damit verbundenen Verdichters erhöht werden muss, um den Ladedruckabfall zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern, und Zuführen des Luftmassenstroms und Einstellen der Turbinenleistung auf Basis dieses Werts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgegenwirken des Abfalls eines Ladedrucks, wenn beispielsweise ein Vordrall bei einem Turbolader erzeugt wird, zum Verhindern eines Pumpes des Verdichters. Des Weiteren betriff die Erfindung einen Turbolader mit einer Steuerungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Der Verdichter eines Abgasturboladers kennzeichnet sich durch ein Kennfeld in dem sich, bei gewissen Turboladerdrehzahlen und Massenströmen, ein eindeutig zugeordneter Druck erzeugen lässt. Dieses Kennfeld wird bei großen Massenströmen durch die sog. Stopfgrenze limitiert. Bei kleinen Massenströmen wird das Kennfeld durch die Pumpgrenze limitiert. Diese sog. Pumpgrenze tritt aufgrund eines Strömungsabriss am Verdichterradeintritt bzw. am Verdichterradaustritt oder bei beiden auf.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich mittels des Vordralls die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld zu kleineren Massenströmen hin verschieben lässt. Dabei kann es jedoch zu einem Abfall des Ladedrucks kommen, wenn der Vordrall durch eine zugeführte Zapfluft erzeugt wird, die von der Druckseite des Verdichters abgezweigt wird.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem das Abfallen des Ladedrucks verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt, zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader mit den Schritten:

a) Bestimmen, ob im Betrieb ein Pumpen des Verdichters auftritt bzw. bevorsteht,
b) Wird festgestellt, dass ein Pumpen auftritt bzw. bevorsteht:
c) Bestimmen eines dem Verdichter zuzuführenden Luftmassenstroms, der ausreichend ist um einen Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, um ein Pumpen des Verdichters zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern, und
d) Bestimmen des sich ergebenden Abfalls des Ladedrucks beim Zuführen des Luftmassenstroms und Bestimmen eines Werts basierend auf dem Ladedruckabfall, um den die Leistung der Turbine bzw. des damit verbundenen Verdichters erhöht werden muss, um den Ladedruckabfall zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern und
e) Zuführen des Luftmassenstroms und Einstellen der Turbinenleistung auf Basis dieses Werts.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass einerseits dem Auftreten eines Pumpens bei dem Verdichter entgegengewirkt werden kann, indem ein Luftmassenstrom dem Verdichter zugeführt wird, welcher einen geeigneten Vordrall erzeugt. Andererseits kann ein Abfall des Ladedrucks aufgrund des Abblasen des Luft verhindert oder zumindest reduziert werden, indem der Ladedruckabfall bestimmt wird, der sich aufgrund des Abblasens der Luft ergibt und entsprechend die Turbinenleistung erhöht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Ventilanordnung bereitgestellt, über welche der Luftmassenstrom über einen Ausströmkanal dem Verdichter zuführbar ist, zum Erzeugen eines Vordralls bei einem Verdichter des Turboladers. Die Ventilanordnung kann hierbei beispielsweise ein Zapfluftventil aufweisen, mit einem variablen Querschnitt. Ein solches Ventil hat den Vorteil, dass sich ein vorbestimmter Luftmassenstrom einfach einstellen lässt, der dem Verdichter zugeführt wird, um einen ausreichenden Vordrall zu erzeugen. Dabei kann das Zapfluftventil beispielsweise einen Kegelventilsitz aufweisen, wobei über die Steigung des Kegelventilsitzes und den Vorschub der Querschnitt des Zapfluftventils geeignet eingestellt werden kann und damit der abzublasende Luftmassenstrom. Statt eines Kegelventilsitzes kann jedoch auch ein anders geformter Ventilsitz vorgesehen werden, um einen vorbestimmten Luftmassenstrom abzublasen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Leistung der Turbine beispielsweise über eine Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine angepasst. Die Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine kann beispielsweise ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie mit beweglichen Leitschaufeln und/oder eine Schiebehülse aufweisen. Über einen entsprechenden Aktuator, wird hierbei beispielsweise eine Wastegate-Klappe des Wastegates entsprechend angesteuert oder ein Stellglied zur Versstellung der Leitschaufeln bzw. der Schiebehülse. Als Aktuator kann hierbei, beispielsweise ein elektrischer bzw. elektromechanischer und/oder elektromagnetischer Aktuator eingesetzt werden. Beispielsweise auch ein Schrittmotor. Dieser hat den Vorteil, dass er sich sehr genau ansteuern lässt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Teilschnittansicht eines Turboladers mit einer Steuereinrichtung zum Ausgleichen eines Abfalls eines Ladedrucks P2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt,
2 eine schematische, geschnittene Vorderansicht eines Verdichtergehäuses, wobei das Verdichtergehäuse mit einer Nut zum Einführen von Luft zur Erzeugung eines Vordralls versehen ist;
3 eine weitere schematische, geschnittene Vorderansicht eines Verdichtergehäuses, wobei das Verdichtergehäuse eine Bohrung zum Einführen von Luft zur Erzeugung eines Vordralls aufweist.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In 1 ist eine vereinfachte Teilschnittansicht eines Turboladers 10 gezeigt. Dabei ist eine Welle 12 des Turboladers 10 in dessen Gehäuse 14 angeordnet, wobei auf der Welle 12 ein Turbinenrad 16 und ein Verdichterrad 18 angeordnet ist. Der Übersicht halber wurde auf einige Details verzichtet, wie zum Beispiel die Lagerung der Welle 12, das Schubumluftventil, Wasser und Ölkanäle, außerdem wurde der Rotor stark vereinfacht als ein Teil dargestellt.
Im vorliegenden Fall, wie er in 1 gezeigt ist, weist das Turbinengehäuse 20 des Turboladers 10 beispielsweise einen Wastegate-Kanal 22 auf, der über eine Wastegate-Klappe 24 geöffnet und geschlossen werden kann, zum Abblasen des Überdrucks an der Turbine. Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung aber auch beispielsweise auf einen Turbolader mit einer variablen Turbinengeometrie VTG anwendbar, bei welcher bewegliche Leitschaufeln vorgesehen sind, um den Strömungsquerschnitt der Turbine geeignet zu verstellen. Des Weiteren kann die Erfindung auch beispielsweise auf einen Turbolader mit einer verstellbaren Schiebehülse VST angewendet werden.
Die Ausführungen zu dem Turbolader 10 mit einem Wastgate gelten daher auch entsprechend für solche Turbolader, bei denen statt dem Wastegate oder zusätzlich zu diesem beispielsweise bewegliche Leitschaufeln (VTG) oder eine verstellbare Schiebehülse (VST) verwendet werden, um den Strömungsquerschnitt der Turbine geeignet zu verändern. Bei den beiden letztgenannten Ausführungsformen, wird statt einem Wastegate-Aktuator als Betätigungseinrichtung die entsprechende Betätigungseinrichtung der beweglichen Leitschaufeln bzw. der Schiebehülse durch eine zugeordnete Steuerungseinrichtung STG angesteuert. Als Betätigungseinrichtung kann hierbei beispielsweise ein elektrischer Aktuator eingesetzt werden. Grundsätzlich kann aber auch jede andere Art von Aktuator als Betätigungseinrichtung eingesetzt werden, der über eine Steuerungseinrichtung angesteuert werden kann, um durch Betätigen beispielsweise der beweglichen Leitschaufeln oder der Schiebehülse den Strömungsquerschnitt der Turbine geeignet zu verändern.
Wie in dem Beispiel in 1 gezeigt ist, wird die Wastegate-Klappe 24 über den zugeordneten Wastegate-Aktuator 26 als Betätigungseinrichtung betätigt. Dieser kann beispielsweise ein elektrischer Aktuator sein. Wie in 1 dargestellt ist, wird der Wastegate-Aktuator 26 von der Steuerungseinrichtung 28 angesteuert.
In dem Verdichtergehäuses 30 des Turboladers 10 ist eine Zuführung bzw. ein Ausströmkanal 32 vorgesehen, zum Abblasen von Luft, um einen vorbestimmten Vordrall vor dem Verdichtereinlass zu erzeugen, so dass das Auftreten eines „Pumpens” am Verdichterrad 18 im Wesentlichen verhindert oder zumindest reduziert werden kann.
Damit es nun zu einem Druckaufbau am Verdichter kommt, wird das Wastegate durch den Wastegate-Aktuator 26 bzw. die damit verbundene Wastegate-Klappe 24 geschlossen. Dabei muss das Wastegate nicht automatisch ganz geschlossen sein. Je nach Höhe des gewünschten Ladedrucks und dem aktuellen Massenstrom an der Turbine ist das Wastegate meist leicht geöffnet. Der Wastegate-Aktuator 26 wird durch die zuvor erwähnte Steuerungseinrichtung STG 28 kontrolliert bzw. gesteuert. Die Steuerungseinrichtung STG 28 kann hierbei beispielsweise ein extra Steuergerät für den Turbolader 10 sein oder aber durch ein Motorsteuergerät übernommen werden. Des Weiteren kann die Steuerungseinrichtung STG 28, wie in 1 gezeigt ist, ebenfalls einen Zapfluft-Aktuator 34 steuern, der im folgenden noch näher beschrieben wird.
Zum „Pumpen” kann es am Verdichterrad 18 kommen, wenn der Ladedruck P2, d. h. der Druck am Verdichteraustritt, sehr hoch ist bzw. wenn der Druck P1, d. h. der Druck am Verdichtereintritt, sehr niedrig ist. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Ladedruck P2 beispielsweise über einen Drucksensor 36 bestimmt werden, welcher z. B. in der Volute 38 des Verdichters angeordnet ist. Entsprechend kann auch der Druck P1 vor dem Verdichter über einen entsprechenden Drucksensor (nicht dargestellt) bestimmt werden.
Hierbei ergibt sich, dass das Druckverhältnis bzw. der Quotient PQ = P2/P1 sehr groß werden kann. Bei zu hohen Druckverhältnissen und zu geringen Massenströmen kann es dabei zum sog. Pumpen kommen. Das heißt es kommt zu Strömungsabrissen an den Verdichterschaufeln 40, zum Beispiel and der Vorderkante der Verdichterschaufel. Dies führt wiederum zu Druckschwankungen, die bereits nach kurzer Zeit zu einer Schädigung des Verdichters bzw. zu Lagerschäden führen können.
Die Steuerungseinrichtung STG 28 kann beispielsweise an der gemessenen Luftmenge, sowie dem Ladedruck P2 ermitteln, dass der Verdichter in einem Bereich nahe der Pumpgrenze arbeitet bzw. erkennt über auftretende Druckschwankungen, dass ein Pumpen am Verdichter bevorsteht. Auf zwei Beispiele von Verfahren zum Feststellen, wann ein Pumpen bei einem Verdichter auftritt und zum Erzeugen eines Vordralls vor dem Verdichter, um einem Pumpen entgegenzuwirken, wird im nachfolgenden noch näher eingegangen. Diese Verfahren sind hierbei jedoch ledig lich beispielhaft, um ein Pumpen am Verdichter zu bestimmen und einen entsprechenden Vordrall zu erzeugen. Die Erfindung ist auf diese Verfahren nicht beschränkt.
Wird nun also festgestellt, dass ein Pumpen am Verdichter auftritt, so kann die Steuerungseinrichtung STG 28 den Zapfluft-Aktuator 34 so ansteuern, dass ein Betätigungselement, hier ein Stempel 42 eines Zapfluftventils 35, nach hinten gezogen wird und den zugeordneten Ausströmkanal 32 teilweise oder vollständig freizugeben, so dass Luft von der Verdichterseite aus über den Ausströmkanal 32 abgeblasen werden kann. Dadurch kann einerseits der Arbeitsbereich des Verdichters hin zu einem höheren Volumenstrom verschoben werden. Andererseits kann die abgeblasene Luft, hier die Zapfluft, derart am Verdichter in den Ansaugkanal 44 eingeblasen werden, so dass in der anströmenden Luft ein Drall bzw. Vordrall erzeugt wird, der geeignet ist dem Strömungsabriss an den Verdichterschaufeln 40 bzw. dem Pumpen am Verdichter entgegenzuwirken.
Beispiele für die Ausgestaltung des Ausströmkanals 32 bzw. der Zuführung wird im nachfolgenden anhand der 2 und 3 erläutert.
Beim Öffnen des Zapfluftventils 35 wird der Ladedruck P2, d. h. der Druck am Verdichteraustritt, hierbei zurückgehen, da durch das Abströmen der komprimierten Luft diese im Kreis, um den Verdichter herum gefördert wird. Mit anderen Worten, es wird u. U. ein Teil der Energie, die vom Abgas an die Turbine übertragen wird, dabei verschenkt, da der Ladedruck P2 im ersten Moment verringert wird. Diese Energie muss zusätzlich von der Turbine zur Verfügung gestellt werden. Dazu muss der Druck vor der Turbine erhöht werden.
Eine Ladedruckregelung, die beispielsweise das Wastegate an der Turbine bzw. die Wastegate-Klappe 24 steuert, bemerkt das Abfallen des Ladedrucks P2. Die Ladedruckregelung, die von der Steuerungseinrichtung 28 durchgeführt wird, wird das Wastegate daher beispielsweise ein Stück weiter schließen und dadurch den Druck an der Turbine und somit auch deren Leistung erhöhen. Somit wird einem Abfallen des Ladedrucks P2 durch das Abblasen der Zapfluft entgegengewirkt.
Eine normale gängige Ladedruckregelung, zum Beispiel eine PID-Regelungseinrichtung mit einem proportionalen (P), integralen (I) und diffenrentialen (D) Anteil, die Teil der Steuerungseinrichtung ist, kann diesen Druckabfall bei dem Ladedruck P2 ausgleichen.
Es bedarf jedoch erst einer gewissen Abweichung, damit der Proportionale (P)-Anteil der PID-Regelungseinrichtung aktiv wird bzw. einer gewissen Zeit bis der Integrale (I)-Anteil der PID-Regelungseinrichtung die Regelabweichung vollkommen ausgeglichen hat. Dabei kann es allerdings – je nach Güte der Regelung – trotzdem zu einem mehr oder weniger starken Einbruch des Ladedrucks P2 kommen.
Die Erfindung sieht nun vor, dass einem möglichen Abfallen des Ladedrucks aufgrund des Abblasens von Luft am Verdichter frühzeitig entgegengewirkt werden kann, so dass ein starkes Abfallen des Ladedrucks beispielsweise schon im voraus verhindert werden kann. Dabei wird jedoch gleichzeitig sichergestellt, dass über das Abblasen der Luft ein geeigneter Vordrall am Verdichter erzeugt werden kann, der ein Pumpen des Verdichters vorzugsweise im Wesentlichen verhindert.
Hierzu findet gemäß der Erfindung durch die Steuerungseinrichtung 28 und deren Regelungseinrichtung eine geeignete Vorsteuerung statt oder im zuvor beschrieben Fall eine Unterstützung der Ladedruckregelung durch eine Störgrößenaufschaltung.
Gemäß der Erfindung wird die – von der Steuerungseinrichtung STG 28 selber verursachte Störung, d. h. der Abfall des Ladedrucks P2 durch das Abblasen von Luft zur Erzeugung eines Vordralls, in eine Vorsteuerung einbezogen zur Unterstützung der Steuerungseinrichtung 28, die neben dem Zapfluft-Aktuator 34 den Wastegate-Aktuator 26 betätigt.
Hierbei kann die bekannte Störgröße, d. h. der Ladedruck P2 bzw. dessen Abfallen, für eine Vorsteuerung genutzt werden zur Unterstützung der Steuerungseinrichtung 28, deren Regelungseinrichtung beispielsweise eine PID-Regelungseinrichtung aufweist. Dies kann auf verschiedene Arten geschehen.
Entsprechend Parametern, wie beispielsweise dem Ladedruck P2 hinter dem Verdichter bzw. am Verdichterradaustritt und des Drucks P1 vor dem Verdichter bzw. am Verdichterradeintritt, der Ansaugtemperatur des Volumenstroms durch den Verdichter und/oder der Menge der abgeblasenen Luft, wird ein Wert bzw. eine korrektive Vorsteuergröße bestimmt und an die entsprechende, zugeordnete Steuerungseinrichtung 28 bzw. deren Regelungseinrichtung übergeben. Als korrektive Vorsteuergröße kann beispielsweise eine addititve Turbinen- bzw. Verdichterleistung oder ein additiver Ansteuerwert bzw. Stellwert für den Wastegate-Aktuator bestimmt und an die Regelungseinrichtung des Wastegates übergeben werden.
Die additive Turbinen- bzw. Verdichterleistung ist die zusätzliche Turbinen- bzw. Verdichterleistung die aufgebracht werden muss, um einen Abfall des Ladedrucks P2 zu reduzieren oder im Wesentlichen ganz zu verhindern, der entsteht, wenn Luft über den Ausströmkanal abgeblasen wird, um einen Vordrall zu erzeugen, der einem Pumpen des Verdichters entgegenwirkt. Entsprechend der zusätzlich notwendigen Turbinen- bzw. Verdichterleistung wird dann das Wastegate bzw. der Wastegate-Kanal 22 zusätzlich ein Stück mehr geschlossen, um die Turbinenleistung und damit die Verdichterleistung um die entsprechend additive Turbinen- bzw. Verdichterleistung zu erhöhen. Entsprechendes gilt bei Turbolader beispielsweise mit variabler Turbinengeometrie VTG bzw. Schiebehülse VST. Hier werden die beweglichen Schaufeln entsprechend ein Stück stärker geschlossen um die Turbinenleistung geeignet zu erhöhen.
Entsprechend wird auch die Schiebehülse verschoben, um die Turbinenleistung geeignet zu erhöhen.
Neben der additiven Turbinen- bzw. Verdichterleistung kann des Weiteren die Menge der abgeblasenen Zapfluft direkt bestimmt und an die Steuerungseinrichtung 28 des Wastegates übergeben werden bzw. deren Regelungseinrichtung. Anhand von Drücken, wie beispielsweise der Druck am Verdichtereintritt P1 und der Ladedruck P2, und/oder einem oder mehreren anderen geeigneten Parametern, welche beispielsweise aus anderen Zusammenhängen bereits bekannt sind bzw. der Steuerungseinrichtung 28 vorliegen, kann sich die Steuerungseinrichtung 28 bzw. deren Regelungseinrichtung selber die erforderliche Störgrößenaufschaltung bzw. eine geeignete korrektive Vorsteuergröße berechnen und damit den präventiven Eingriff für die Ansteuerung der Turbine berechnen bzw. bestimmen.
Mit andere Worten, gemäß der Erfindung kann der zu erwartende Abfall des Drucks P2 bestimmt oder abgeschätzt werden, der durch das Abblasen von Luft zum Verhindern des Pumpens verursacht wird. Anhand des zuvor berechneten bzw. abgeschätzten Druckabfalls wird eine entsprechende korrektive Vorsteuergröße bestimmt, beispielsweise eine zusätzliche Turbinenleistung bzw. Verdichterleistung die erbracht werden muss, um das Absinken des Ladedrucks P2 im Wesentlichen zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Als Vorsteuergröße kann auch beispielsweise direkt eine Ansteuergröße für die Wastegate-Klappe 24 bzw. deren Wastegate-Aktuator 26 bestimmt werden, um das Wastegate um ein geeignetes Maß zu schließen, so dass dadurch die Leistung der Turbine und damit die Leistung des Verdichters geeignet erhöht werden kann, so dass dem Druckabfall des Drucks P2 entgegengewirkt werden kann.
Die Bestimmung der Menge der Zapfluft, die zugeführt wird, um einen geeigneten Vordrall zu erzeugen und damit ein Pumpen zu verhindern kann beispielsweise durch eine geeignete Messung(en) erfolgen oder durch eine Berechnung zum Beispiel nach der St. Venant-Gleichung oder durch eine andere geeigneten Modellbildung, wie beispielsweise ein Kennfeld.
Die St. Venant-Gleichungen lautet wie folgt:
bei einer kritischen Strömung (wenn der Luftfluss in der Drossel Schallgeschwindigkeit erreicht, engl. choked flow):
Dabei ist:

C_D:: Durchflusskoefizient
A_T:: die Fläche der Drosselstelle
P₀:: Druck vor der Drosselstelle
P_T:: Druck nach der Drosselstelle
T₀:: Temperatur vor der Drosselstelle
R:: ideale Gaskonstante
γ:: Isentropenkoeffizient
ṁ_real:: Massenstrom über die Drossel

Der Massenstrom der von der Verdichterseite abgezweigt wird und als Zapfluft tangential in die Anströmung des Verdichers eingebracht wird kann dabei Größenordnungen von 0% bis 50% annehmen (wobei alle Zwischenwerte mit eingeschlossen sind) und vorzugsweise beispielsweise einen Wert von etwa 25% des Verdichtermassenstroms an der Pumpgrenze betragen.
Der erfinderische Schritt liegt in der Verkettung der beiden Regeleingriffe, Abblasen der Zapfluft und Änderung der Ansteuerung der Turbine. Gemäß der Erfindung wird die Regelung der Turbine nicht sich selbst überlassen und auf das Einbrechen des Ladedrucks gewartet. Stattdessen wird die Regelung der Turbine unterstützt mit den Informationen, die beispiels weise sowieso zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel dem zuzuführenden Zapfluftstrom und damit dem damit verbundenen Druckabfall des Drucks P2.
Im folgenden werden die beiden Verfahren kurz erläutert, anhand derer ein Pumpen des Verdichter bestimmt werden kann und wobei ein entsprechender Luftmassenstrom über den Ausströmkanal abgeblasen wird, um dem Pumpen des Verdichters entgegenzuwirken.
In einem ersten Schritt wird beispielsweise der Druck P2 hinter dem Verdichteraustritt bestimmt. Alternativ kann aber auch ein Druck der Luftmassenströmung vor und/oder hinter dem Verdichter bzw. hinter dem Diffusoraustritt und/oder vor dem Diffusoreintritt gemessen werden. In einem nächsten Schritt wird bestimmt, ob der Verlauf des Drucks P2 die Pumpgrenze erreicht. In diesem Fall kommt es im Wesentlichen zu periodischen Schwankungen des Drucks P2, d. h. es tritt ein Rotating Stall auf. Dieser Rotating Stall ist ein Vorbote des Pumpens, bei diesem kommt es zu einem Abriss der Strömung und damit zu einem Zusammenbruch des Luftstroms in einem Kanal des Verdichterrades. Dieser Effekt wandert im Verdichterrad von einem Kanal zum Nächsten und bewirkt Druckschwankungen mit hoher Frequenz, aber kleiner Amplitude. Übersteigt die Druckschwankung des Drucks P2 bzw. deren Amplitude beispielsweise in einem angepassten Frequenzbereichs ein vorbestimmtes Grenzmaß, ab welchem ein Rotating Stall des Verdichter erkannt wird und somit klar ist dass ein Pumpen unmittelbar bevorsteht, so wird in einem nächsten Schritt Luft über ein Zapfluftventil 35 vor dem Verdichter eingeblasen, um einen geeigneten Vordrall zu erzeugen der dem Pumpen des Verdichters entgegenwirkt.
In dem zweiten Verfahren wird wenigstens ein Kennfeld verwendet mit dem Betriebsbereich eines Turboladers 10 und seiner Pumpgrenze, beispielsweise in Abhängigkeit von Parametern, wie dem Luftmassenstrom und dem Druckverhältnis aus Druck am Austritt des Verdichters/Druck am Eintritt des Verdichters.
Anhand des Kennfeldes kann bestimmt werden, ob ein Turbolader während des Betriebs die Pumpgrenze erreicht bzw. ein Pumpen auftritt. Beim Auftreten eines Pumpens kann wiederum ein Zapfluftventil 35 betätigt werden, über das Luft so eingeblasen wird, dass ein geeigneter Vordrall vor dem Verdichter erzeugt werden kann, welcher dem Pumpen entgegenwirkt.
Das Zapfluftventil 35 kann dabei einen von dem Druckverhältnis aus Druck am Austritt des Verdichters/Druck am Eintritt des Verdichters abhängigen Ventilquerschnitt A(N) öffnen, um beispielsweise einen von dem Druck P2 abhängigen Luftmassenstrom abzuführen. Der Ventilquerschnitt A(N) kann dabei aus einem entsprechenden z. B. 3-dimensionalen Kennfeld entnommen werden, dass z. B. den Ventilquerschnitt A(N) in Abhängigkeit von dem Luftmassenstrom, dem zuvor erwähnten Druckverhältnis und der Turboladerdrehzahl angibt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Ventilöffnung über eine umgestellte St. Venant Gleichung bestimmt werden.
Das Zapfluftventil 35 kann mit einem variablen Querschnitt A ausgebildet sein, wobei es hierbei beispielsweise einen Kegelventilsitz aufweist, wobei über die Steigung des Kegelsitzes 42 und den Vorschub der Querschnitt A des Zapfluftventils 35 geeignet eingestellt werden kann, um einen vorbestimmten Luftmassenstrom über den Ausströmkanal abfließen zu lassen.
Der Ausströmkanal 32, wie er in 1 dargestellt ist, kann in einer Ausführungsform der Erfindung beispielsweise mit einer Nut 46 verbunden sein. Diese Nut 46 ist in 2 in einer schematischen Vorderansicht eines Verdichtergehäuses 30 dargestellt. Die Nut 46 kann hierbei im Wesentlichen umlaufend ausgebildet sein und sich wahlweise zu ihrem Ende hin verjüngen, wie in 2 gezeigt ist. Der Abstand der Nut 46 von dem Verdichterrad 18 kann z. B. so gewählt werden, dass der Abstand der Nut 46 mindestens 1/4 des Durchmessers am Verdichterradeintritt und höchstens das fünffache des Durchmessers am Verdichterradeintritt beträgt. Vorzugsweise kann der Abstand der Nut 46 vom Verdichterrad das 1,5-fache des Durchmessers am Verdichterradeintritt betragen.
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 3 gezeigt ist, kann der Ausströmkanal 32 so ausgerichtet bzw. angeordnet sein, dass er die Luft im Wesentlichen oder zumindest nahezu tangential in das Verdichtergehäuse 30 bzw. die Verdichterzuführung einführt. Dabei kann der Ausströmkanal 32 auch mit einer Nut 46, wie sie zuvor anhand von 2 beschrieben wurde, kombiniert werden.
Grundsätzlich ist die Erfindung aber nicht auf diese Ausführungsformen des Ausströmkanals 32 bzw. seiner Verbindung mit dem Inneren des Verdichtergehäuses, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, beschränkt. Die Ausführungsformen in den 2 und 3 sind lediglich beispielhaft. Die Erfindung kann auf alle Ausführungen von Zuströmkanälen 32 und ihre Verbindung zum Inneren des Verdichtergehäuses 30 angewendet werden, um neben einem geeigneten Vordrall zur Verhinderung eines Pumpens auch einem unerwünschten Druckabfall des Drucks P2 wirksam entgegenzuwirken.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon.

Claims

Verfahren zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader (10) mit den Schritten: a) Bestimmen, ob im Betrieb ein Pumpen des Verdichters auftritt bzw. bevorsteht, b) Wird festgestellt, dass ein Pumpen auftritt bzw. bevorsteht: c) Bestimmen eines dem Verdichter zuzuführenden Luftmassenstroms, der ausreichend ist um einen Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, um ein Pumpen des Verdichters zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern, und d) Bestimmen des sich ergebenden Abfalls des Ladedrucks beim Zuführen des Luftmassenstroms und Bestimmen eines Werts basierend auf dem Ladedruckabfall, um den die Leistung der Turbine bzw. des damit verbundenen Verdichters erhöht werden muss, um den Ladedruckabfall zumindest zu reduzieren oder im Wesentlichen zu verhindern und e) Zuführen des Luftmassenstroms und Einstellen der Turbinenleistung auf Basis dieses Werts.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilanordnung (35) bereitgestellt wird, über welche der Luftmassenstrom über einen Ausströmkanal (32) dem Verdichter zuführbar ist, zum Erzeugen eines Vordralls bei einem Verdichter des Turboladers (10).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (35) beispielsweise wenigstens ein Zapfluftventil (35) aufweist, beispielsweise ein Zapfluftventil mit einem variablen Querschnitt, wobei ein solches Zapfluftventil z. B. einen Kegelventilsitz (42) aufweist, wobei über die Steigung des Kegelventilsitzes und den Vorschub der Querschnitt des Zapfluftventils geeignet eingestellt werden kann, um einen vorbestimmten Luftmassenstrom über den Ausströmkanal abfließen zu lassen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der Turbinenleistung eine Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine (22, 24) des Turboladers (10) vorgesehen ist, wobei die Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine (22, 24), beispielsweise ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie mit beweglichen Leitschaufeln und/oder eine Schiebehülse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine über einen Aktuator (26) angesteuert wird, beispielsweise einen elektrischen bzw. elektromechanischen und/oder elektromagnetischen Aktuator, wobei der Aktuator z. B. ein Schrittmotor ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine über eine Druckdose angesteuert wird, die mit einem Steuerdruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) zum Bestimmen, ob ein Pumpen des Verdichters bevorsteht weiter die Schritte aufweist: a1) Bestimmen eines Druckverlaufs eines Drucks der Luftmassenströmung, welcher einen Rückschluss zulässt, ob bei dem Verdichter ein Pumpen bevorsteht oder nicht, a2) Bestimmen, ob der Druckverlauf des Drucks eine Pumpgrenze erreicht oder nicht, a3) Wird die Pumpgrenze erreicht oder überschritten, bestimmen, ob eine Amplitude des Druckverlaufs des Drucks einen vorbestimmten Grenzwert für das Erkennen von Rotating Stall überschreitet, wird der Grenzwert dabei überschritten, so wird bestimmt, dass ein Pumpen des Verdichters bevorsteht.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) zum Bestimmen, ob ein Pumpen des Verdichters vorliegt bzw. bevorsteht weiter die Schritte aufweist: a1) Bereitstellen wenigstens eines Kennfeldes in dem die Pumpgrenze des Verdichters angegeben ist, a2) Bestimmen, ob der Verdichter die Pumpgrenze überschreitet, wobei bei dem Überschreiten der Pumpgrenze bestimmt wird, dass ein Pumpen des Verdichters vorliegt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert, basierend auf dem zu erwartenden Ladedruckabfall, beispielsweise anhand eines Kennfelds bestimmbar oder von einer Steuerungseinrichtung (28) berechenbar ist.
Turbolader, welcher aufweist: – eine Ventilanordnung (35) über welche ein Luftmassenstrom einem Verdichter zugeführt werden kann, – eine Einrichtung zum Verändern eines Strömungsquerschnitts der Turbine (22, 24), und – eine Steuerungseinrichtung (28), welche die Ventilanordnung und die Einrichtung zum Verändern eines Strömungsquerschnitts gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ansteuert.
Turbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (28) beispielsweise eine PID-Regelungseinrichtung aufweist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Verändern der Leistung der Turbine (22, 24), beispielsweise ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie mit beweglichen Leitschaufeln und/oder eine Schiebehülse aufweist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (10) einen Ausströmkanal (32) aufweist, über den Luft abgeblasen wird, zur Erzeugung eines geeigneten Vordralls, wobei der Ausströmkanal (32) derart angeordnet ist, dass die Luft im Wesentlichen tangential in das Verdichtergehäuse (30) abgeblasen wird und/oder der Ausströmkanal (32) mit einer Nut (46) am Umfang des Verdichtergehäuses verbunden ist, wobei die Nut beispielsweise im Wesentlichen umlaufend ausgebildet ist und sich beispielsweise zu ihrem Ende hin verjüngt.