DE102011105917A1

DE102011105917A1 - Verdichtervorrichtung für den Turbolader eines Kolbenmotors, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102011105917A1
Application number: DE102011105917A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rauscher; Bernhard NOODT; Christian Müller; Michael FINCK
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2012-12-27
Also published as: US20120328458A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung (1) für den Turbolader (100) eines Kolbenmotors (200), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter (2) zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verdichtervorrichtung (1). Es ist eine Rückführungseinrichtung (3) vorgesehen, mittels welcher zumindest ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter (2) erneut zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Turbolader (100) für einen Kolbenmotor (200), eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (300) sowie ein Computerprogramm.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung für den Turbolader eines Kolbenmotors, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner einen Turbolader für einen Kolbenmotor.
Verdichtervorrichtungen der hier angesprochenen Art sind üblicherweise Bestandteil eines Turboladers für einen Kolbenmotor und dienen zum Verdichten der von dem Kolbenmotor angesaugten Luft, wodurch sich eine Leistungssteigerung des Kolbenmotors ergibt. Solche Turbolader kommen heute vielfach in Kraftfahrzeugen zum Einsatz, um die Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern.
Die Auslegung der Verdichtervorrichtung zielt üblicherweise darauf ab, dass der Kolbenmotor auch bei niedrigen Drehzahlen ein möglichst hohes Drehmoment aufweist. Die Auslegung der Verdichtervorrichtung ist jedoch durch die natürliche Grenze des Verdichters, der sogenannten Pumpgrenze, erschwert. Im Bereich der Pumpgrenze oder bei Überschreiten der Pumpgrenze kommt es zu einem instabilen Strömungsverhalten bis hin zu einem Abriss der Strömung und damit verbunden einem Leistungseinbruch der Verdichtervorrichtung. Das instabile Strömungsverhalten der Verdichtervorrichtung macht sich auch in störenden Ladungswechselgeräuschen, dem sogenannten Hissing oder Surging, bemerkbar.
Es hat sich gezeigt, dass die Auslegung der Verdichtervorrichtungen bei modernen Kolbenmotoren häufig nahe am Grenzbereich der Verdichter liegt, so dass je nach gerade vorliegendem Betriebspunkt der Verdichtervorrichtung es zu einem Überschreiten der Pumpgrenze mit den damit verbundenen Folgen kommen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verdichtervorrichtung für den Turbolader eines Kolbenmotors, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit den eingangs genannten Merkmalen bereit zu stellen, durch welche ein Überschreiten der Pumpgrenze des Verdichters der Verdichtervorrichtung und damit verbundene Ladungswechselgeräusche sowie ein Abriss der Strömung sicher verhindert wird. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung für einen Turbolader vorgeschlagen werden. Auch soll ein Turbolader für einen Kolbenmotor, insbesondere Abgasturbolader, vorgeschlagen werden, welcher für den Einsatz einer derartigen Verdichtervorrichtung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Verdichtervorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist. Ferner wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. Weiterhin wird zur Lösung der Aufgabe eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 12 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruches 13 vorgeschlagen. Zur Lösung der Aufgabe wird darüber hinaus ein Turbolader mit den Merkmalen des Anspruches 14 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Eine erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung für den Turbolader eines Kolbenmotors, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, hat wenigstens einen Verdichter zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft.
Nach der Erfindung weist die Verdichtervorrichtung eine Rückführungseinrichtung auf, mittels welcher zumindest ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter erneut zuführbar ist bzw. zugeführt wird.
Durch die erneute Zuführung von bereits verdichtetem Medium wird der Durchfluss an Medium durch den Verdichter erhöht und damit der Abstand des Betriebsbereiches des Verdichters von der Pumpgrenze vergrößert. Sofern sich der Betriebsbereich oder wenigstens ein Betriebspunkt des Verdichters in dem instabilen Strömungsbereich befindet, ist mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme der Betriebsbereich bzw. Betriebspunkt aus dem instabilen Bereich in den strömungsstabilen Betriebsbereich verschoben. Durch die erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung kann damit wirkungsvoll vermieden werden bzw. wird wirkungsvoll vermieden, dass der Verdichter die Pumpgrenze erreicht oder überschreitet. Ein instabiles Verhalten der Strömung des durch den Verdichter hindurch geleiteten Mediums ist dadurch ebenso vermieden wie etwaige Geräusche, wie beispielsweise Ladungswechselgeräusche. Durch die erneute Zuführung des bereits verdichteten Mediums ergibt sich ferner ein erhöhter Wirkungsgrad des Verdichters.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann besonders wirkungsvoll ein hohes Drehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen des Kolbenmotors erreicht werden und gleichzeitig eine besonders wirkungsvolle Leistungssteigerung des Kolbenmotors bei Volllast bzw. Nennlast erzielt werden, ohne dass es dabei zu einem Erreichen bzw. Überschreiten der Pumpgrenze mit den damit verbundenen Strömungsinstabilitäten und Ladungswechselgeräuschen kommt.
Die erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung ist daher besonders für einen Einsatz in einem Turbolader eines Dieselmotors geeignet, insbesondere wenn es sich um einen hochaufgeladenen Dieselmotor handelt.
Nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rückführungseinrichtung einer Kühleinrichtung zum Kühlen des verdichteten Mediums nachgeschaltet ist, so dass mittels der Rückführungseinrichtung zumindest ein Teilstrom des verdichteten und gekühlten Mediums dem Verdichter erneut zuführbar ist bzw. zugeführt wird. Es ist dadurch eine zusätzliche thermische Belastung des Verdichters durch das erneut zugeführte verdichtete Medium vermieden. Auch zielt diese Maßnahme darauf ab, eine Absenkung des Wirkungsgrades des Verdichters durch eine hohe Temperatur des dem Verdichter zugeführten verdichteten Mediums zu vermeiden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Rückführungseinrichtung wirkverbundene Stelleinrichtung vorgesehen, mittels welcher der rückzuführende Strom von verdichtetem Medium einstellbar ist bzw. eingestellt wird. Durch diese Maßnahme ist der rückzuführende Strom des verdichteten Mediums in einfacher Weise regulierbar, vorzugsweise stufenlos regulierbar bzw. einstellbar, so dass je nach momentanem Betriebspunkt des Verdichters bzw. der Verdichtervorrichtung der dem Verdichter zugeführte Teilstrom von bereits verdichtetem Medium gezielt so dosiert werden kann, dass der momentane Betriebspunkt des Verdichters nahe an der Pumpgrenze liegt, aber die Pumpgrenze selbst nicht erreicht oder überschreitet. Es ist damit der jeweilige momentane Betriebspunkt des Verdichters in der Weise zu verschieben, dass der Verdichter jeweils den bestmöglichen Wirkungsgrad liefert und Instabilitäten der Strömung verbunden mit störenden Strömungsgeräuschen vermieden sind.
Es bietet sich an, dass die Stelleinrichtung im Wesentlichen stufenlos einstellbar ist. Dadurch kann der Verdichter besonders wirkungsgradoptimiert betrieben werden.
Es bietet sich ferner an, dass die Stelleinrichtung elektrisch betätigbar ist. Beispielsweise kann die Stelleinrichtung elektromotorisch oder elektromagnetisch betätigbar sein bzw. betätigt werden. Durch die elektrische Betätigung der Stelleinrichtung kann die Stelleinrichtung technisch besonders einfach in eine elektronische Regelung bzw. Steuerung zum Einstellen des rückzuführenden Stromes an verdichtetem Medium eingebunden werden.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass die Stelleinrichtung pneumatisch oder hydraulisch betätigbar ist.
Die Stelleinrichtung kann ein Kolbenelement oder Klappenelement aufweisen, mittels welchem der Durchfluss des rückzuführenden Stromes von verdichtetem Medium einstellbar ist bzw. eingestellt wird. Ein Regulieren des rückzuführenden Stromes von verdichtetem Medium ist dadurch in technisch einfacher und kostengünstiger Weise möglich. Auch ermöglichen das Kolbenelement und das Klappenelement ein feines Dosieren des Durchflusses an rückgeführtem verdichtetem Medium.
Um den Durchfluss des rückzuführenden Stromes von verdichtetem Medium selbsttätig einstellen bzw. regulieren zu können, bietet es sich an, dass die Stelleinrichtung als Stellglied mit einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung koppelbar ist bzw. gekoppelt wird. Bei der Regelung bzw. Steuerung des rückzuführenden Stromes von verdichtetem Medium ist vorzugsweise auf Messgrößen, wie beispielsweise dem Durchfluss durch den Verdichter und/oder dem Druck des Mediums vor dem Verdichter und/oder nach dem Verdichter zurückzugreifen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist daher wenigstens ein dem Verdichter vorgeschalteter Durchflusssensor vorgesehen, mittels welchem der in den Verdichter einströmende Strom von Medium ermittelbar und vorzugsweise als wenigstens ein elektrisches Signal nutzbar ist.
Der Durchflusssensor ist bevorzugt in der Weise angeordnet, dass der in den Verdichter einströmende Strom von Medium erfasst wird, welcher dem Verdichter erstmalig zugeführt wird, also ohne den rückgeführten Teilstrom von bereits verdichtetem Medium. Bevorzugt ist der Durchflusssensor dazu vor dem Verdichter soweit vorgeschaltet, dass der Durchflusssensor auch der Zuführstelle an verdichtetem Teilstrom vorgelagert ist.
Der Durchflusssensor kann als Massenstrommesser oder Volumenstrommesser ausgebildet sein, so dass der rückzuführende Strom von verdichtetem Medium durch ein dem Massenstrom oder dem Volumenstrom entsprechendes elektrisches Signal an dem Durchflusssensor abgreifbar ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein dem Verdichter nachgeschalteter Drucksensor vorgesehen, mittels welchem der Druck des verdichteten Mediums als Absolutdruck oder Differenzdruck ermittelbar und vorzugsweise als wenigstens ein elektrisches Signal nutzbar ist. Der Drucksensor kann als Absolutdruckmesser ausgebildet sein, bei welchem der Atmosphärendruck in dem erfassten Messwert enthalten ist. Bei einer Ausbildung des Drucksensors als Referenzdrucksensor wird der gemessene Druck als Differenzdruck gegenüber einem Vergleichsdruck erfasst, so dass der ermittelte Druckwert unabhängig von dem Atmosphärendruck ist.
Bevorzugt ist der Drucksensor der Kühleinrichtung zum Kühlen des verdichteten Mediums und nach der Rückführungseinrichtung nachgeschaltet, so dass mittels des Drucksensors der am Ausgang der Verdichtervorrichtung vorliegende Druck des verdichteten Mediums in gekühltem Zustand als Absolutdruck oder Differenzdruck vorliegt und als elektrisches Signal genutzt werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung für den Turbolader eines Kolbenmotors, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, welche einen Verdichter zum Verdichten eines strömenden Mediums aufweist. Die Verdichtervorrichtung kann eine Verdichtervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art sein.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter erneut zugeführt. Durch dieses Rückführen des verdichteten Mediums zum Verdichter wird der in den Verdichter eingehende Strom an Medium und damit der Durchsatz durch den Verdichter erhöht, woraus sich folglich eine Steigerung des Wirkungsgrades des Verdichters ergibt. Auch wird dadurch der momentane Betriebspunkt des Verdichters weg von der Pumpgrenze des Verdichters verschoben, so dass Instabilitäten der Strömung und eine damit verbundene Geräuschbildung durch den Ladungswechsel vermieden sind.
Es bietet sich an, dass bei Teillast und/oder Volllast des Kolbenmotors ein Teilstrom des verdichteten Mediums des Verdichters erneut zugeführt wird. Dadurch wird der Kolbenmotor im Wesentlichen über seinen gesamten Lastbereich optimal aufgeladen, also mit verdichtetem Medium versorgt, ohne dass dabei der Verdichter der Verdichtervorrichtung selbst in einen kritischen Betriebszustand gelangt, nämlich die Pumpgrenze erreicht oder überschreitet. Der Kolbenmotor kann selbst bei hohem Drehmoment und niedrigen Drehzahlen optimal aufgeladen werden, ohne dass der Verdichter die Pumpgrenze erreicht oder überschreitet und es damit zu Instabilitäten der Strömung im Verdichter und unerwünschte Geräuschbildung durch Ladungswechsel kommt.
Es bietet sich ferner an, dass das verdichtete Medium zuerst gekühlt wird und anschließend ein Teilstrom des verdichteten und gekühlten Mediums dem Verdichter erneut zugeführt wird. Durch das vorherige Abkühlendes bereits verdichteten Mediums und das erst anschließende Rückführen eines Teilstromes zurück zum Verdichter ist ein Erhitzen des durch den Verdichter durchgeleiteten Medienstromes entgegengewirkt. Dadurch können thermische Belastungszustände im Verdichter vermieden werden. Auch ist durch die niedrige Temperatur des durch den Verdichter durchgeleiteten Mediums der Verdichter selbst in einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der dem Verdichter zugeführte Teilstrom reguliert wird. Dadurch kann der dem Verdichter zugeführte Teilstrom von bereits verdichtetem Medium individuell auf den jeweils vorliegenden momentanen Betriebspunkt des Verdichters eingestellt werden und darauf optimiert werden, dass der momentane Betriebspunkt des Verdichters nahe am Optimum liegt, ohne dabei die Pumpgrenze zu erreichen oder zu überschreiten.
Bevorzugt wird der dem Verdichter zugeführte Teilstrom unter Berücksichtigung des Durchflusses des Mediums in den Verdichter und/oder des Druckes des Mediums nach dem Verdichter reguliert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden der in den Verdichter einströmende Strom von Medium und der Druck, insbesondere Absolutdruck, des verdichteten Mediums als Momentanwerte erfasst und vorzugsweise daraus Momentanwerte für das Druckverhältnis des Verdichters ermittelt. Vorzugsweise werden anschließend die Momentanwerte für das Druckverhältnis jeweils gegen einen vorgegebenen Sollwert verglichen.
Eine solche Vorgehensweise ist technisch einfach zu realisieren.
Nach einer anderen Vorgehensweise kann der in den Verdichter einströmende Strom von Medium und der Druck, insbesondere Absolutdruck, des verdichteten Mediums als Momentanwerte erfasst werden, vorzugsweise daraus Momentanwerte für die Differenz aus einem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis, beispielsweise dem Druckverhältnis an der Pumpgrenze des Verdichters, und dem momentanen Druckverhältnis des Verdichters ermittelt werden, welche vorzugsweise anschließend jeweils gegen einen vorgegebenen Sollwert verglichen werden. Dadurch ist das kritische Druckverhältnis, insbesondere das Druckverhältnis an der Pumpgrenze des Verdichters, unmittelbar berücksichtigt. Bei einem Wechsel des Fahrzeugtyps und/oder des Turboladertyps ist dann lediglich das kritische Druckverhältnis entsprechend zu ändern, ohne dazu eine aufwendige neue Bedatung etwaiger abgespeicherter Kennfelder vornehmen zu müssen.
Es bietet sich an, dass der Sollwert als Funktion des Massenstroms oder Volumenstroms des Verdichters vorgegeben wird. Indem den einzelnen Werten für den Massenstrom bzw. Volumenstrom des Verdichters jeweils wenigstens ein Sollwert zugeordnet wird, kann über den gesamten Betriebsbereich des Verdichters jeweils individuell ein entsprechender Sollwert zugeordnet werden.
Als Sollwert kann das kritische Druckverhältnis des Verdichters, beispielsweise das kritische Druckverhältnis an der Pumpgrenze des Verdichters vorgegeben werden.
Auch kann als Sollwert die Differenz aus einem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis und einem Sicherheitsfaktor gebildet sein, so dass die jeweiligen Sollwerte einen Betriebspunkt betreffen, welcher einen Sicherheitsabstand zu dem kritischen Druckverhältnis, beispielsweise an der Pumpgrenze des Verdichters, in Abhängigkeit von dem Massenstrom bzw. Volumenstrom des durch den Verdichter durchgesetzten Mediums, haben.
Das momentane Druckverhältnis des Verdichters kann durch eine Recheneinheit berechnet werden. Die Recheneinheit kann das Steuergerät des Kolbenmotors, die sogenannte ECU sein. Auch können sämtliche weiteren Berechnungsvorgänge im Zuge des Verfahrens durch die Recheneinheit, insbesondere das Steuergerät des Kolbenmotors, durchgeführt werden.
Die Messwerte des Massenstromes bzw. Volumenstromes für das Medium werden dazu bevorzugt temperaturkorrigiert, also temperaturnormiert verarbeitet. Zusätzlich kann eine Berücksichtigung des Luftdruckes vorgenommen sein, indem die Werte auch druckluftnormiert bezüglich des Atmosphärendruckes verarbeitet werden. Dazu wird bevorzugt auf gemessene Werte des Atmosphärendruckes zurückgegriffen, wozu wenigstens ein entsprechender Sensor vorgesehen ist.
Die Sollwerte können in Abhängigkeit des Volumenstromes bzw. Massenstromes des Verdichters als Kennfeld in einer Speichereinheit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung bzw. Steuerungseinrichtung abgelegt werden.
Es bietet sich an, dass bei Überschreiten des Sollwertes der rückgeführte Teilstrom von verdichtetem Medium erhöht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der jeweils vorliegende momentane Betriebspunkt des Verdichters durch den Teilstrom von bereits verdichtetem Medium in den Verdichter weg von dem Sollwert in Richtung des unkritischen Betriebsbereiches verschoben wird.
Die Erfindung umfasst auch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Verdichtervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art.
Bevorzugt führt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung die Schritte eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art aus.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Computerprogramm, welches die Schritte eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art ausführt, wenn es abgearbeitet wird.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung einen Datenträger, welcher ein Computerprogramm der vorstehenden Art aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Turbolader für einen Kolbenmotor, insbesondere Abgasturbolader, mit einer Verdichtervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, welche insbesondere mittels eines Verfahrens der vorstehend beschriebenen Art betrieben wird.
Es bietet sich an, dass der Turbolader eine die Verdichtervorrichtung antreibende Turbine aufweist, welche verstellbare Schaufelelemente hat. Die Turbine kann dazu eine variable Turbinengeometrie aufweisen, beispielsweise eine sogenannte VTG-Turbine sein. Dadurch ist die Leistungsabgabe und das Ansprechverhalten des Turboladers an unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Lastwechsel des Kolbenmotors besser anzupassen. Um das zu erreichen, können sich verstellbare, nicht routierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse befinden. Der Anstellwinkel der Leitschaufeln kann so geregelt sein, dass bei wenig Durchsatz durch die Turbine, aber hohem Leistungsbedarf des Turboladers das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht.
Durch die Variabilität der Turbine ist es möglich, dass der von der Turbine angetriebene Verdichter des Turboladers entsprechend der Änderung der Drehzahl der Turbine in seiner Drehzahl sich verändert und damit eine Leistungsanpassung des Verdichters an jeweils vorliegende Betriebsbedingungen in einfacher Weise erreicht wird.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Kolbenmotor und einem mit dem Kolbenmotor zusammenwirkenden Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, der vorstehend beschriebenen Art.
Der Turbolader weist vorzugsweise eine Verdichtervorrichtung der vorstehend beschriebenen Art auf, welche vorzugsweise mit einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art betrieben wird.
Der Kolbenmotor ist bevorzugt ein Dieselmotor, welcher mittels des Turboladers hochaufgeladen wird.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine mögliche Ausführungsform eines mit einem Kolbenmotor zusammenwirkenden Abgasturboladers in schematischer Darstellung und
2 das Kennfeld eines Verdichters für den Abgasturbolader gemäß der 1 in Diagrammdarstellung mit darin eingezeichneter optimierter Volllastkennlinie.
1 zeigt – in schematischer Darstellung – einen Kolbenmotor 200, insbesondere einen Dieselmotor, welcher mit einem Abgasturbolader 100 zusammenwirkt. Der Abgasturbolader weist eine mittels des Abgases des Kolbenmotors 200 antreibbare Turbine 110 und eine Verdichtervorrichtung 1 auf.
Zum Antreiben der Turbine 110 wird das Abgas des Kolbenmotors 200 gemäß Pfeil 9 der Turbine 110 zugeführt, wobei unter energetischer Nutzung des Abgases die Turbine 110 angetrieben wird und anschließend das Abgas gemäß Pfeil 10 die Turbine 110 verlässt, vorzugsweise über eine (in der 1 nicht dargestellte Abgasanlage) abgeführt wird.
Die Turbine 110 ist mechanisch mit einem Verdichter 2 der Verdichtervorrichtung 1 verbunden, vorzugsweise treibt die Turbine 110 über eine Welle 8 den Verdichter 2 an.
Der von der Turbine 110 angetriebene Verdichter 2 saugt ein strömendes Medium, insbesondere Außenluft bzw. Umgebungsluft, gemäß Pfeil 11 an, verdichtet die Luft und gibt die verdichtete Luft über eine Ausgangsleitung 12 ab. Bevorzugt wird die verdichtete Luft einer Kühleinrichtung 4 zugeführt, welche dem Verdichter 2 nachgeschaltet ist und zum Kühlen der verdichteten Luft dient. Die verdichtete Luft und vorzugsweise gekühlte Luft wird dann gemäß Pfeil 13 dem Kolbenmotor 200 als Verbrennungsluft zugeführt bzw. durch die Kolben des Kolbenmotors 200 angesaugt.
Erfindungsgemäß weist die Verdichtervorrichtung 1 eine Rückführungseinrichtung 3 auf, durch welche ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter 2 erneut geführt wird.
Bevorzugt ist die Rückführungseinrichtung 3 in der Weise angeordnet, dass erst nach der Kühleinrichtung 4 ein Teilstrom des verdichteten Mediums entnommen wird, so dass das verdichtete Medium in bereits gekühlter Form als Teilstrom dem Verdichter 2 erneut zugeführt wird.
Die Verdichtervorrichtung 1 weist bevorzugt wenigstens eine Rohrleitung auf, welche beispielsweise in einen Abzweig einer Ausgangsleitung der Kühleinrichtung 4 mündet und darüber hinaus mit einer Eingangsleitung oder mit einem Eingangsbereich für den Verdichter 2 strömungsverbunden ist.
Weiterhin weist die Rückführungseinrichtung 3 eine Stelleinrichtung 5 auf, mittels welcher der rückgeführte Teilstrom an verdichtetem Medium reguliert werden kann. Die Stelleinrichtung 5 ist bevorzugt in die Rückführungsleitung der Rückführungseinrichtung 3 integriert und kann ein Ventil, insbesondere ein Kolbenventil aufweisen, um damit den Durchfluss des Teilstromes durch die Rückführungsleitung zu regulieren bzw. einzustellen.
Die Stelleinrichtung 5 weist ferner bevorzugt einen elektrischen Antrieb oder einen elektromagnetischen Antrieb auf, um durch elektrische Ansteuerung des Antriebes für das Ventil den Durchfluss regulieren zu können.
Die Stelleinrichtung 5 ist über wenigstens eine Signalleitung 14 mit einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 wirkverbunden, durch welche die Stelleinrichtung 5 gesteuert und/oder geregelt wird, also der an den Verdichter 2 rückgeführte Teilstrom an verdichteter Luft eingestellt wird. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 kann teilweise oder vollständig in dem Steuergerät für den Kolbenmotor 200 integriert sein.
Die Steuer-/Regeleinrichtung 300 steuert bzw. regelt den Durchfluss an rückgeführtem Teilstrom unter Berücksichtigung des in den Verdichter 2 einströmenden Volumenstromes oder Massenstromes an Medium, insbesondere Außenluft bzw. Umgebungsluft, und des Druckes der aufgeladenen Luft, welche dem Kolbenmotor 200 zugeführt wird. Dazu ist bevorzugt wenigstens ein dem Verdichter 2 vorgeschalteter Durchflusssensor 6 vorgesehen, welcher bevorzugt auch dem Zugang für den Teilstrom an rückgeführter verdichteter Luft vorgeschaltet ist, so dass der Durchflusssensor 6 lediglich den Durchfluss an nicht rückgeführtem Medium erfasst, welches in den Verdichter 2 gelangt. Bevorzugt ist der Durchflusssensor 6 durch einen Luftmassenmesser gebildet.
Weiterhin ist ein dem Verdichter 2 nachgeschalteter Drucksensor 7 vorgesehen. Der Drucksensor 7 ist bevorzugt der Kühleinrichtung 4 nachgeschaltet, so dass durch den Drucksensor 7 der Druck der verdichteten und gekühlten Luft erfasst wird, wobei vorzugsweise der Drucksensor 7 nach der Entnahmestelle für den rückgeführten Teilstrom der verdichteten Luft angeordnet ist. Der Drucksensor 7 ist bevorzugt ein Absolutdruckmesser.
Der Drucksensor 7 und der Durchflusssensor 6 sind jeweils dazu ausgebildet, mit den Messwerten korrelierende elektrische Signale zu erzeugen, welche über Signalleitungen 15, 16 an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 übermittelt werden.
Zum Regulieren des rückgeführten Teilstromes von verdichteter Luft zum Verdichter 2 kann wie folgt vorgegangen werden:
Der in den Verdichter 2 einströmende Luftstrom wird mittels des Durchflusssensors 6 und der Druck der verdichteten Luft durch den Drucksensor 7 erfasst. Der Durchflusssensor 6 und der Drucksensor 7 liefern bevorzugt Momentanwerte über die Signalleitungen 15 und 16 an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300. Aus dem jeweiligen Momentanwert der verdichteten Luft und gegebenenfalls aus dem jeweiligen Momentanwert des in den Verdichter 2 einströmenden Luftstromes wird ein jeweiliger Momentanwert für das Druckverhältnis des Verdichters ermittelt, insbesondere mittels einer Berechnungsformel in der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 berechnet, und anschließend der jeweilige Momentanwert gegen einen vorgegebenen Sollwert verglichen.
Der Sollwert ist als Funktion des Durchsatzes, insbesondere Massenstromes oder Volumenstrom des Verdichters 2, in der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 in einer Speichereinheit abgelegt. Bevorzugt ist in der Speichereinheit das Kennfeld für den Verdichter 2 abgelegt, wobei die Sollwerte in Abhängigkeit von dem Massenstrom oder Volumenstrom der Luft durch den Verdichter 2 die Pumpgrenze des Verdichters 2 bzw. den Verlauf der Pumpgrenze des Verdichters 2 betreffen.
Auch kann es sein, dass als vorgegebene Sollwerte eine Differenz aus einem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis, vorzugsweise dem kritischen Druckverhältnis des Verdichters 2 an der Pumpgrenze und einem vorgegebenen Sicherheitsfaktor vorgegeben und abgespeichert sind. In diesem Fall berechnet die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 aus den von dem Durchflusssensor 6 und dem Drucksensor 7 gelieferten Werten eine Differenz aus dem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis und dem momentanen Druckverhältnis des Verdichters 2 und vergleicht jeweils diese Differenz mit dem vorgegebenen Sollwert.
Stellt die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 fest, dass der vorgegebene Sollwert überschritten ist, wird der dem Verdichter 2 rückgeführte Teilstrom von verdichteter Luft erhöht. Vorzugsweise wird der Teilstrom von verdichteter Luft über einen vorgegebenen Wert erhöht. Dazu wird die Stelleinrichtung 5 über einen vorgegebenen Wert verstellt.
Sofern wenigstens ein darauffolgender ermittelter Momentanwert noch immer den Sollwert überschreitet, wird ein weiteres Mal durch die Stelleinrichtung 5 der rückgeführte Teilstrom an verdichteter Luft erhöht. Dies geschieht solange, bis die ermittelten Momentanwerte unterhalb des vorgegebenen Sollwertes liegen.
Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 300 kann in der Weise ausgelegt sein, dass der Teilstrom an rückgeführter verdichteter Luft verringert wird, sofern der wenigstens eine ermittelte Momentanwert einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet. Dadurch ist sichergestellt, dass durch Regulieren des Teilstromes an rückgeführter verdichteter Luft der Verdichter 2 je nach Betriebszustand des Kolbenmotors 200 mit möglichst hohem Wirkungsgrad und außerhalb des kritischen Bereiches des Verdichters 2, also unterhalb der Pumpgrenze arbeitet.
2 zeigt die mögliche Arbeitsweise des Verfahrens mittels der Rückführungseinrichtung 3 anhand des dort dargestellten Kennfeldes des Verdichters 2. Auf der Abszisse ist als Kenngröße der Volumenstrom und auf der Ordinate als Kenngröße das Druckverhältnis, angegeben als das Verhältnis von Enddruck zu Saugdruck des Verdichters 2 aufgetragen. Die darin ersichtliche Kennlinie 50 zeigt die Pumpgrenze des Verdichters 2. Die mit dem Bezugszeichen 51 gekennzeichnete Kennlinie in der 2 zeigt den Verlauf des Druckverhältnisses des Verdichters 2 in Abhängigkeit von dessen Volumenstrom bei Volllast des Kolbenmotors 200.
Wie aus der 2 ersichtlich ist, verläuft die Kennlinie 51 über mehrere Abschnitte oberhalb der Pumpgrenze (Kennlinie 50), hat also die Pumpgrenze des Verdichters 2 bereits überschritten. In diesem Bereich kommt es zu einem Abreißen der Strömung und damit verbunden zu einer unerwünschten Geräuschbildung beim Ladungswechsel.
Durch die erfindungsgemäße Rückführung eines Teilstroms von verdichteter Luft zum Verdichter 2 und der damit vorgenommenen Rezirkulation der bereits einmal verdichteten Luft ist eine Verschiebung der Kennlinie 51 in Richtung der Pfeile 52 möglich, so dass die korrigierte bzw. durch die Rückführung bzw. Rückführungseinrichtung 3 optimierte Kennlinie sich vollständig innerhalb des stabilen Arbeitsbereiches des Verdichters 2 befindet, wie anhand der Kennlinie mit dem Bezugszeichen 53 ersichtlich ist.
2 zeigt ferner, dass durch das Regulieren des rückgeführten Teilstromes von verdichteter Luft mittels der Stelleinrichtung 5 je nach Betriebspunkt die Verschiebung in Richtung gemäß Pfeil 52 unterschiedlich sein kann. Beispielsweise ist die Verschiebung gemäß Pfeil 52' kleiner als die Verschiebung gemäß Pfeil 52'', was durch eine zueinander unterschiedliche Durchflusseinstellung durch die Stelleinrichtung 5 hervorgerufen ist.
Bezugszeichenliste

1: Verdichtervorrichtung
2: Verdichter
3: Rückführungseinrichtung
4: Kühleinrichtung
5: Stelleinrichtung
6: Durchflusssensor
7: Drucksensor
8: Welle
9: Pfeil
10: Pfeil
11: Pfeil
12: Ausgangsleitung
13: Pfeil
14: Signalleitung
15: Signalleitung
16: Signalleitung
50: Kennlinie
51: Kennlinie
52: Pfeil
53: Kennlinie
100: Turbolader
110: Turbine
200: Kolbenmotor
300: Steuer-/Regeleinrichtung

Claims

Verdichtervorrichtung (1) für den Turbolader (100) eines Kolbenmotors (200), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter (2) zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft, und mit einer Rückführungseinrichtung (3), mittels welcher zumindest ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter (2) erneut zuführbar ist.
Verdichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführungseinrichtung (3) einer Kühleinrichtung (4) zum Kühlen des verdichteten Mediums nachgeschaltet ist, so dass mittels der Rückführungseinrichtung (3) zumindest ein Teilstrom des verdichteten und gekühlten Mediums dem Verdichter (2) erneut zuführbar ist.
Verdichtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Rückführungseinrichtung (3) wirkverbundene Stelleinrichtung (5) vorgesehen ist, mittels welcher der rückzuführende Strom von verdichtetem Medium einstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung (1) für den Turbolader (100) eines Kolbenmotors (200), insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wobei die Verdichtervorrichtung (1) einen Verdichter (2) zum Verdichten eines strömenden Mediums aufweist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter (2) erneut zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Teillast oder Volllast des Kolbenmotors (200) ein Teilstrom des verdichteten Mediums dem Verdichter (2) erneut zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Medium zuerst gekühlt wird und anschließend ein Teilstrom des verdichteten und gekühlten Mediums dem Verdichter (2) erneut zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Verdichter (2) zugeführte Teilstrom, insbesondere unter Berücksichtigung des Durchflusses des Mediums in den Verdichter (2) und/oder des Druckes des Mediums nach dem Verdichter (2), eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Verdichter (2) einströmende Strom von Medium und der Druck, insbesondere Absolutdruck, des verdichteten Mediums als Momentanwerte erfasst werden, daraus Momentanwerte für das Druckverhältnis des Verdichters (2) ermittelt werden, welche anschließend jeweils gegen einen vorgegebenen Sollwert verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Verdichter (2) einströmende Strom von Medium und der Druck, insbesondere Absolutdruck, des verdichteten Mediums als Momentanwerte erfasst werden, daraus Momentanwerte für die Differenz aus einem vorgegebenen kritischen Druckverhältnis und dem momentanen Druckverhältnis des Verdichters (2) ermittelt werden, welche anschließend jeweils gegen einen vorgegebenen Sollwert verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert als Funktion des Massenstromes oder Volumenstromes des Verdichters (2) vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Sollwertes der dem Verdichter (2) zugeführte Teilstrom von verdichtetem Medium erhöht wird.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (300) für eine Verdichtervorrichtung (1) eines Turboladers (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (300) die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 11 ausführt.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 11 ausführt, wenn das Computerprogramm abgearbeitet wird.
Turbolader (100) für einen Kolbenmotor (200), insbesondere Abgasturbolader, mit einer Verdichtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche insbesondere mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 11 betrieben wird.
Turbolader nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (100) eine die Verdichtervorrichtung (1) antreibende Turbine (110) mit verstellbaren Schaufelelementen aufweist.