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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von kleineren Druckschwingungen vor einem Pumpstoß bzw. das Bestimmen von „Rotating Stall” bei einem Verdichter eines Turboladers. Das Auftreten des sog. „Rotating Stall” kann dazu genutzt werden, beispielsweise einen geeigneten Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, der dem Pumpen entgegenwirkt bzw. ein Pumpen im Wesentlichen verhindert.
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Im Allgemeinen ist der Verdichter eines Abgasturboladers durch ein Kennfeld gekennzeichnet 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. Das Verdichterpumpen sollte in jedem Fall vermieden werden, da dieses für den Fahrer hörbar ist. Außerdem kann das Pumpen durch die damit verbundenen Vibrationen zu Schäden am Axiallager des Rotors führen oder die Schaufeln des Verdichters können sogar im schlimmsten Fall brechen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich mittels eines Vordralls die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld zu kleineren Massenströmen hin verschieben lässt.
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Gemäß dem Stand der Technik kann zur Erweiterung des Kennfeldes eine sog. Kennfeld stabilisierende Maßnahme (KSM) herangezogen werden. Diese ermöglicht eine partielle Umlenkung des Massenstroms, durch eine Entlüftung auf der Gehäuseseite des Verdichterrads. Auf diese Art kann ein Strömungsabriss am Verdichterradeintritt verhindert werden. Eine andere Maßnahme zur Erweiterung des Kennfeldes stellt das Vorsehen von Vordralleinrichtungen in axialer und radialer Bauweise dar.
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik der Einsatz von Schubumluftventilen bei Turboladern im Ottomotorbereich bekannt. Diese ermöglichen, dass die Verdichterluft im Kreis gefördert wird wenn die Drosselklappe geschlossen wird.
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Des Weiteren ist ein Turbolader mit einem Verdichtergehäuse bekannt, wobei das Verdichtergehäuse mit einer Ventileinrichtung verbunden ist, über die ein vorbestimmter Luftmassenstrom vor den Verdichter eingeführt werden kann. Dabei weist das Verdichtergehäuse eine umlaufende Nut auf und/oder eine Zuführung für einen Luftmassenstrom. Die Zuführung ist dabei derart ausgerichtet, dass sie den Luftmassenstrom im Wesentlichen oder nahezu tangential in den Verdichter einleitet. Auf diese Weise kann ein Vordrall erzeugt werden, der einem Pumpen des Verdichters entgegenwirkt.
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Ein Verfahren, das das Abdriften des Betriebspunktes eines Verdichters hin zum Pump-Betrieb verhindert, ist in
DE 10 2004 059 369 offenbart. Dort wird auf Grundlage der Messung des Druckes vor und nach dem Verdichter sowie der Verdichterdrehzahl der aktuelle Betriebspunkt des Verdichters ermittelt und festgestellt ob dieser von einer vorbestimmten optimalen Betriebslinie im Verdichterkennfeld abweicht. Ist dies der Fall greift eine Steuerungsvorrichtung korrigierend ein.
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Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung bereitzustellen, mit welcher frühzeitig ein bevorstehendes Pumpen des Verdichter eines Turboladers festgestellt werden kann, um diesem geeignet entgegen zu wirken.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst und durch einen Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Dabei wird ein Verfahren bereitgestellt zum Bestimmen eines Strömungsabrisses bei einer oder mehreren Verdichterschaufeln, mit den Schritten:
- – Erfassen der Drehzahl eines Rotors des Turboladers,
- – Ermitteln einer Drehzahlschwankung des Rotors
- – Vergleichen der ermittelten Drehzahlschwankung mit einem vorbestimmten Grenzwert, ab welchem ein Strömungsabriss bei einer oder mehreren Verdichterschaufeln auftritt, und
- – Bestimmen, dass ein Verdichterpumpen zu erwarten ist bzw. ein sog. „Rotating Stall” auftritt.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass auf sehr einfache Weise zuverlässig das Auftreten eines Rotating Stalls erfasst werden kann und dadurch die Möglichkeit gegeben ist, rechtzeitig dem bevorstehenden Pumpereignis entgegen zu wirken.
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Des Weiteren wird ein Turbolader bereitgestellt, mit einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Strömungsabrisses an einer oder mehreren Verdichterschaufeln, wobei die Vorrichtung aufweist:
- – eine Drehzahlerfassungseinrichtung zur Erfassung der Drehzahl des Rotors des Turboladers,
- – eine Auswerteeinrichtung, die dazu eingerichtet ist zubestimmen, dass ein Pumpereignis zu erwarten ist bzw. ein Rotating Stall auftritt, wenn die Drehzahlerfassungseinrichtung eine Drehzahlschwankung erfasst, die einen Grenzwert erreicht oder übersteigt, ab welchem ein Strömungsabriss bei einer oder mehreren Verdichterschaufeln auftritt bzw. ein Rotating Stall auftritt.
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Der Turbolader hat den Vorteil, dass die Signale einer bereits vorhandenen Drehzahlerfassungseinrichtung genutzt werden können, um anhand einer festgestellten Drehzahlschwankung zu bestimmen, ob ein Rotating Stall auftritt. Ist dies der Fall, so kann in einem nächsten Schritt ein ausreichender Vordrall erzeugt werden, um ein Pumpen des Verdichters im Wesentlichen zu verhindern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Drehzahlerfassungseinrichtung wenigstens einen Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des Rotors auf. Da Drehzahlsensoren in Turboladern bereits für andere Zwecke genutzt werden, können die Signale dieser Drehzahlsensoren nun zusätzlich genutzt werden, um Drehzahlschwankungen des Rotors zu bestimmen und das Auftreten eines Rotating Stall zu erkennen. Dies hat weiter den Vorteil, dass auf diese Weise sehr einfach und kostengünstig der Strömungsabriss bei wenigstens einer Verdichterschaufel festgestellt werden kann und entsprechend geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
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Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform steuert eine Steuerungseinrichtung eine Vordrallventileinrichtung an, zum Abzapfen und/oder Zuführen einer vorbestimmten Luftmasse vor dem Verdichter zum Erzeugen eines Vordralls vor dem Verdichter der ausreichend ist, um einem Pumpen des Verdichters entgegen zu wirken bzw. das Pumpen des Verdichters im Wesentlichen zu verhindern, wenn zuvor durch die Auswerteeinrichtung festgestellt wurde, dass ein Rotating Stall auftritt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung und/oder die Steuerungseinrichtung ein Teil einer Motorsteuerungseinrichtung oder mit dieser gekoppelt. Grundsätzlich können die Auswerteeinrichtung und/oder die Steuerungseinrichtung auch jeweils eine separate Einrichtung sein.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Vordrallventileinrichtung wenigstens ein Zapfluftventil und/oder Schubumluftventil auf. Es kann jedoch auch jede andere Art von Vordrallerzeugungseinrichtung vorgesehen werden, die geeignet ist einen ausreichenden Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, so dass ein Pumpen des Verdichters im Wesentlichen verhindert werden kann.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Turbolader zusätzlich wenigstens eine Druckerfassungseinrichtung aufweisen, beispielsweise mit einem oder mehreren Drucksensoren, zum Bestimmen von Druckschwankungen welche einen Rückschluss auf ein Auftreten eines Strömungsabrisses an wenigstens einer Verdichterschaufel zulassen. Zusätzlich kann auch ein Verdichterkennfeld abgespeichert sein, das von der Auswerteeinrichtung abrufbar ist, zum Bestimmen, ob der Verdichter eine Pumpgrenze erreicht oder überschreitet.
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Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinrichtung das Auftreten eines Strömungsabrisses an wenigstens einer Verdichterschaufel, wenn eine Drehzahlschwankung des Rotors einen Grenzwert erreicht oder übersteigt und wahlweise eine Druckschwankung einen Grenzwert für das Auftreten eines Strömungsabrisses an wenigstens einer Verdichterschaufel erreicht oder übersteigt und/oder der Verdichter die Pumpgrenze erreicht oder übersteigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Kennfeld eines Verdichters, wobei für verschiedene Drehzahl-Kennlinien ein Druckverhältnis in Abhängigkeit von einem Luftmassenstrom über den Verdichter angegeben ist;
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2 eine Diagramm in welchem der Verlauf des Drucks nach dem Verdichter über die Zeit dargestellt ist und wobei ein Pumpereignis auftritt;
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3 eine vereinfachte schematische Ansicht einer Konfiguration einer Frischluft-Ansaugung an einem aufgeladenen Motor; und
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4 zwei Diagramme, welche beide ein Pumpereignis bei einem Verdichter mit Rotating Stall zeigen.
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In allen Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet worden.
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Es ist, wie zuvor beschrieben, bekannt die Luft nach dem Verdichter eines Turboladers abzuzweigen und unter einem anderen Winkel derart wieder vor dem Verdichter in den Ansaugkanal zu blasen, so dass ein Vordrall der Luft entsteht. Für den normalen Fahrbetrieb ist es sinnvoll, die angesaugte Luft nicht permanent in Vordrall zu versetzen, sondern nur dann, wenn es zur Vermeidung der Übertretung der Pumpgrenze nötig ist. Daher ist es vorteilhaft die Ansteuerung eines Zapfluftventils oder eines Schubumluftventils zur Abzweigung und Zuführung von Luft mit einer geeigneten Regelung zu hinterlegen, die immer gerade so wenig Luft wie möglich aber so viel Luft wie nötig zur Erzeugung des Vordralls abzweigt.
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Als Eingangsgrößen für eine Vorsteuerung sind hier beispielsweise der Luftmassenstrom und das Druckverhältnis zu nennen. Des Weiteren können aber auch andere Messgrößen verwendet werden, um zu bewerten, ob der Verdichter an den Rand seines stabilen Arbeitsbereichs kommt.
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In 1 ist zunächst ein Beispiel für ein Verdichterkennfeld eines Turboladers gezeigt. Das Verdichterkennfeld wird dabei für kleine Massenströme durch die Pumpgrenze limitiert und für große Massenströme durch die sog. Stopfgrenze. Wie aus 1 entnommen werden kann, ist für verschiedene Drehzahllinien des Turboladers der Luftmassenstrom in Abhängigkeit von einem Druckverhältnis PQ vorgegeben. Das Druckverhältnis PQ definiert sich dabei als PQ = P2/P1, dasheißt der Druck P2 nach dem Verdichter geteilt durch den Druck P1 vor dem Verdichter.
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Mit Hilfe der Erzeugung eines geeigneten Vordralls soll die Pumpgrenze weiter zu kleineren Massenströmen verschoben werden und der Kennfeldbereich dadurch vergrößert werden. Hierzu muss jedoch festgestellt werden, wann ein Pumpen des Verdichter auftritt bzw. bevorsteht, um rechtzeitig den nötigen Vordrall der Luft vor dem Verdichter zu erzeugen.
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2 zeigt nun den Verlauf des Drucks P2 nach dem Verdichter, wobei im Verlauf ein Pumpereignis auftritt.
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Wie aus 2 entnommen werden kann, bilden sich vor dem eigentlichen Pumpstoß, der hier bei etwa 49,7 Sekunden beginnt, etwa für 1,5 Sekunden lang kleinere Druckschwankungen aus. Dieses Ereignis also diese kleinen Druckschwankungen werden als ”Rotating Stall” bezeichnet. Diese kleinen Druckschwankungen also der ”Rotating Stall” entsteht durch den Abriss der Strömung in wenigstens einem Kanal des Verdichters. Dieser Effekt wandert in der Regel von einem Verdichterkanal zum nächsten, er rotiert sozusagen im Verdichter. Die Drehrichtung kann dabei mit oder gegen die Drehrichtung des Rotors erfolgen.
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Das ”Pumpen” des Verdichters beruht darauf, dass lokale Rückströmungen in einer entsprechend großen Anzahl an Verdichterkanälen oder letztlich in allen Verdichterkanälen des Verdichterrads auftreten, so dass es dort zu einem Strömungsabriss kommt. Wie in 2 gezeigt ist, fällt der Druck nach dem Verdichter bei einem Pumpereignis zunächst sehr stark ab, während bei dem Auftreten eines ”Rotating Stall”, das dem Pumpereignis vorangeht, lediglich kleinere Druckschwankungen auftreten. Das ”Pumpen” des Verdichters kann hierbei, wie zuvor beschrieben, zu Lagerschäden und Schäden an dem Verdichterrad führen und damit zu einer Beschädigung des Turboladers.
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Durch die Messung der Druckschwankungen nach dem Verdichter kann das Auftreten eines ”Rotating Stall” bestimmt bzw. erkannt werden. Dabei können die Druckschwankungen beispielsweise in einem vorbestimmten Zeitfenster betrachtet werden, um zu bestimmen, ob die Druckschwankung nur ganz kurz auftreten und der Verdichter ansonsten normal arbeitet oder ob die Druckschwankungen über eine gewisse Zeit anhalten und einen vorbestimmten Grenzwert im Mittel erreichen oder übersteigen, so dass auf ein Auftreten eines ”Rotating Stall” geschlossen werden kann. Der Grenzwert kann so vorgegeben werden, dass mit dem Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts durch die Druckschwankungen ein Strömungsabriss an wenigstens einer Verdichterschaufel auftritt.
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Wie in 3 dargestellt ist, kann ein Ladedrucksensor 10 direkt vor einer Drosselklappe 12 angeordnet werden und ein Ladeluftkühler 14 zwischen dem Verdichter 16 eines Turboladers und dem Ladedrucksensor 10 vorgesehen werden. Der Ladeluftkühler 14 sowie die meisten langen Zuführungen von und zu diesem können hierbei als Dämpfer wirken, was die Bestimmung eines ”Rotating Stall” erschweren könnte.
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Die Erfindung sieht nun vor, die Rotordrehzahl des Abgasturboladers zur Erkennung des ”Rotating Stall” heranzuziehen.
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Bisher ist die Verwendung eines Drehzahlsensors für den Abgasturbolader bekannt. Dieser wurde jedoch in der Vergangenheit aus Kostengründen oft nicht verbaut. Aufgrund innovativer und kostengünstigerer Sensoren und weiterer Vorteile wie beispielsweise Diagnose und Überdrehzahlschutz kann damit gerechnet werden, dass ein solcher Drehzahlsensor in einem Turbolader in Zukunft vermehrt Anwendung finden wird. Gemäß der Erfindung soll das Sensorsignal eines solchen Drehzahlsensors zusätzlich zur Erkennung des ”Rotating Stall” verwendet werden.
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4 zeigt nun zwei Diagramme. Das erste Diagramm zeigt den Verlauf des Drucks P2 nach dem Verdichter über die Zeit. Im Verlauf des Drucks P2 tritt hierbei ein Pumpereignis auf, wie zuvor bereits mit Bezug auf das gleiche Diagramm in 2 beschrieben wurde. Bevor jedoch das eigentliche Pumpereignis auftritt, geht dem eine Zeitspanne voraus, in welcher es zu kleineren Druckschwankungen kommt die einen sog. ”Rotating Stall” kennzeichnen, welcher, wie zuvor beschrieben, bereits durch den Abriss der Strömung in zumindest einem Kanal des Verdichters auftritt. Der Effekt des Abrisses der Strömung in zumindest einem Kanal kann dann in der Regel von einem Verdichterkanal zum nächsten wandern bzw. sozusagen im Verdichter rotieren bis die Strömung schließlich in allen Verdichterkanälen abreißt und es zu einem Pumpereignis kommt.
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Das zweite Diagramm in 4 zeigt nun im gleichen Zeitraum, wie das erste Diagramm, den entsprechenden Verlauf der Drehzahl des Rotors bzw. der Rotorwelle des Turboladers.
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Wie bereits oben beschrieben, ist es das Ziel, das Pumpen des Verdichters zu vermeiden. Dies soll unter anderem durch das Detektieren des ”Rotating Stall” also der kleinen Druckschwankungen vor dem Pumpereignis erreicht werden. Es ist deutlich aus den beiden Diagrammen in 4 zu erkennen, dass zusammen mit den Druckschwankungen auch in der Turboladerdrehzahl ähnliche Schwankungen auftreten, die genau so zur Regelung beispielsweise eines Vordrallventils herangezogen werden können, um einen geeigneten Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen, der einem Pumpen des Verdichters entgegenwirkt oder das Pumpen im Wesentlichen verhindert.
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Wie aus dem zweiten Diagramm in 4 entnommen werden kann, treten vor dem Pumpereignis ähnliche kleinere Druckschwankungen in der gleichen Zeitspanne auf, wie die Druckschwankungen also der ”Rotating Stall” in dem ersten Diagramm. Tritt im Anschluss an den sog. ”Rotating Stall” das Pumpen des Verdichters auf, so schnellt die Drehzahl des Rotors beim Pumpen kurz nach oben und sinkt dann stark ab und mit ihr der Druck nach dem Verdichter, wie in dem ersten Diagramm gezeigt ist.
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Mit anderen Worten, durch das Vorsehen einer Drehzahlerfassungseinrichtung zur Bestimmung der Drehzahl des Rotors des Turboladers oder das Nutzen der Signale einer bereits vorhandenen Drehzahlerfassungseinrichtung kann mittels einer Auswerteeinrichtung festgestellt werden, wenn bei dem Drehzahlverlauf des Rotors des Turboladers Drehzahlschwankungen einen vorbestimmten kritischen Bereich oder Grenzwert überschreiten. Daraus kann ein sog. ”Rotating Stall” bestimmt werden und somit ein demnächst auftretendes Pumpereignis vorhergesagt werden. In diesem Fall kann beispielsweise über eine Steuerungseinrichtung ein Luftmassenstrom zur Erzeugung eines geeigneten Vordralls vor dem Verdichter bereitgestellt werden, um ein Pumpen des Verdichters im Wesentlichen zu verhindern.
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Die Steuerungseinrichtung kann hierbei eine entsprechende Vordrallventileinrichtung betätigen, beispielsweise zum Abzapfen und/oder Zuführen eines vorbestimmen Luftmassenstroms, wobei der Luftmassenstrom vor dem Verdichter eingeführt wird zur Erzeugung eines geeigneten Vordralls. Die Vordrallventileinrichtung kann wenigstens ein oder mehrere Zapfluftventile und/oder Schubumluftventile aufweisen, um zwei Beispiele zu nennen. Die Auswerteeinrichtung und Steuerungseinrichtung können dabei ein Teil der Motorsteuerung sein oder mit dieser gekoppelt sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich auf einen Turboladern für Kraftfahrzeuge wie PKW und LKW sowie auf jede andere Art von Fahrzeugen anwenden.
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Wahlweise kann zusätzlich zu der Bestimmung der Drehzahl des Rotors ein Druckverlauf eines Drucks der Luftmassenströmung bestimmt werden, welcher einen Rückschluss zulässt, ob bei dem Verdichter ein ”Rotating Stall” auftritt. Wird dabei festgestellt, dass der Verlauf des Drucks eine Pumpgrenze erreicht oder überschreitet, so wird eine Analyse der Amplitude des Verlaufs des Drucks in einem angepassten Frequenzbereich durchgeführt. Dabei wird bestimmt, ob die Amplitude einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert ist so festgelegt, dass er einen Wert für die Amplitude angibt, ab welchem ein Pumpen oder ein ”Rotating Stall” bei dem Verdichter auftritt. Wird der Grenzwert dabei erreicht oder überschritten, so kann daraus bestimmt werden, dass ein ”Rotating Stall” auftritt und somit ein Pumpen des Verdichters bevorsteht.
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In diesem Fall kann die Vordrallventileinrichtung angesteuert werden, um einen geeigneten Vordrall vor dem Verdichter zu erzeugen. Als Druck anhand dessen auf ein Pumpen des Verdichters geschlossen werden kann, kann der Druck der Luftmassenströmung hinter dem Verdichteraustritt, der Druck der Luftmassenströmung vor dem Verdichtereintritt, der Druck hinter dem Diffusoraustritt und/oder der Druck vor dem Diffusoreintritt bestimmt werden. Zur Druckbestimmung können entsprechende Druckerfassungssensoren eingesetzt werden.
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Zusätzlich kann auch ein Verdichterkennfeld hinterlegt werden, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist oder auch ein anderes Verdichterkennfeld. Wird mit Hilfe des Verdichterkennfeldes festgestellt, dass der Verdichter die Pumpgrenze erreicht hat oder überschritten hat, so kann ebenfalls daraus geschlossen werden, dass ein Pumpereignis bevorsteht.
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Die Ergebnisse aus der Untersuchung eines Druckverlaufs und/oder die Bestimmung eines bevorstehenden Pumpereignises anhand eines Verdichterkennfeldes können zusätzlich verifiziert werden, durch die Betrachtung des Verlaufs der Drehzahl des Turboladers, wie zuvor beschrieben wurde und umgekehrt. Treten beispielsweise kurz vor dem Erreichen der Pumpgrenze entsprechende Drehzahlschwankungen auf, die einen kritischen Grenzwert erreichen oder übersteigen, so kann daraus geschlossen werden, dass ein Strömungsabriss an wenigstens einer Verdichterschaufel gegeben ist also ein ”Rotating Stall” auftritt, so dass frühzeitig ein geeigneter Vordrall vor dem Verdichter erzeugt werden kann, um ein Pumpen des Verdichters im Wesentlichen zu verhindern.
