DE102018004309A1

DE102018004309A1 - Method for optimized operation of a flow compressor

Info

Publication number: DE102018004309A1
Application number: DE102018004309.7A
Authority: DE
Inventors: Malte Averdunk; Sven Schmalzriedt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Strömungsverdichters (14) in Bezug auf dessen Pumpgrenze (PG), wobei im realen Betrieb des Strömungsverdichters (14) bei jeder auftretenden Drehzahl (n) der Betriebspunkt (BP) zunehmend in Richtung der Pumpgrenze (PG) verschoben wird, bis das Erreichen der Pumpgrenze (PG) detektiert wird. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Erreichen der Pumpgrenze (PG) durch einen abfallenden Luftmassenstrom aus dem Strömungsverdichter (14) nach dem Überschreiten der Pumpgrenze (PG) detektiert wird, wonach der Strömungsverdichter (14) aus dem Pumpbereich gefahren wird, wobei der letzte vor dem Auftreten des Pumpens angefahrene Betriebspunkt (BP) gespeichert wird, und wobei der Strömungsverdichter (14) anschließend bei der jeweiligen Drehzahl (n) mit dem gespeicherten Betriebspunkt betrieben wird.The invention relates to a method for optimized operation of a flow compressor (14) with respect to its surge limit (PG), wherein in real operation of the flow compressor (14) at each speed (n) occurring the operating point (BP) increasingly in the direction of the surge line (PG ) is shifted until reaching the surge limit (PG) is detected. According to the invention, it is provided that reaching the pumping limit (PG) is detected by a falling air mass flow from the flow compressor (14) after exceeding the pumping limit (PG), after which the flow compressor (14) is moved out of the pumping area, the last one before stored operating point (BP) is stored, and wherein the flow compressor (14) is then operated at the respective speed (n) with the stored operating point.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Strömungsverdichters in Bezug auf dessen Pumpgrenze nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for optimized operation of a flow compressor with respect to its surge limit after the closer defined in the preamble of claim 1.

Die US 2017/0074276 A1 beschreibt ein Verfahren, um die Pumpgrenze eines elektrisch angetriebenen Strömungsverdichters zu ermitteln. Den Kern der Idee bildet dabei eine adaptive kontinuierliche Annäherung an die Pumpgrenze während des Betriebs, wobei die Tatsache genutzt wird, dass sich in der Nähe der Pumpgrenze der Regelungsaufwand exorbitant erhöht, sodass die Pumpgrenze praktisch erkannt werden kann, bevor sie tatsächlich erreicht wird. In der Praxis führt dies zu einem gewissen Abstand der erkannten adaptierten Pumpgrenze von der tatsächlich auftretenden Pumpgrenze.The US 2017/0074276 A1 describes a method to determine the surge limit of an electrically driven flow compressor. At the heart of the idea is an adaptive continuous approach to the surge line during operation, taking advantage of the fact that the control effort exorbitantly increases near the surge limit, so that the surge limit can be practically detected before it is actually reached. In practice, this leads to a certain distance of the recognized adapted pumping limit from the actually occurring surge limit.

Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, einen Strömungsverdichter so zu betreiben, dass dieser seine Pumpgrenze nicht überschreitet. Dafür wird in der Praxis ein Sicherheitsabstand zwischen der zu erwartenden Pumpgrenze der jeweiligen Bauart des Strömungskompressors und dem Bereich, in welchem er betrieben wird, eingehalten. Dieser Sicherheitsabstand wird in der Praxis eher groß gewählt wird, da eventuelle Toleranzen in den Bauteilen des Strömungsverdichters dafür sorgen, dass es zu einer gewissen Varianz der tatsächlichen Pumpgrenze im Bezug auf die erwartete Pumpgrenze kommt. Der Sicherheitsabstand muss also ausreichend groß sein, um das Überschreiten der Pumpgrenze sicher und zuverlässig zu unterbinden.Furthermore, it is known from the general state of the art to operate a flow compressor so that it does not exceed its surge limit. In practice, a safety margin is maintained between the expected surge limit of the respective type of flow compressor and the area in which it is operated. This safety distance is rather large in practice, since any tolerances in the components of the flow compressor ensure that there is a certain variance of the actual surge line with respect to the expected surge line. The safety distance must therefore be sufficiently large to safely and reliably prevent the exceeding of the surge line.

Dabei ist es so, dass durch den oben genannten Abstand bzw. Sicherheitsabstand von der tatsächlichen Pumpgrenze typischerweise Wirkungsgrad verloren geht, da der Wirkungsgrad in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze meist höher ist als im Bereich, welcher bei der jeweiligen Drehzahl durch den Abstand bzw. Sicherheitsabstand lediglich erreicht werden kann.It is the case that efficiency is typically lost due to the above-mentioned distance or safety distance from the actual surge limit, since the efficiency in the immediate vicinity of the surge limit is usually higher than in the range which at the respective rotational speed is only limited by the distance or safety clearance can be achieved.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Strömungsverdichters in Bezug auf dessen Pumpgrenze anzugeben, welches einen möglichst hohen Wirkungsgrad beim jeweiligen Strömungsverdichter ermöglicht.The object of the present invention is to provide a method for optimized operation of a flow compressor with respect to its surge limit, which allows the highest possible efficiency in the respective flow compressor.

Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 5 eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch.According to the invention, this method is achieved by a method having the features in claim 1, and in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. In addition, a preferred use of the method is specified in claim 5. Again, there is an advantageous embodiment of the dependent claim.

Ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Pumpgrenze im realen Betrieb ermittelt, indem bei jeder auftretenden Drehzahl der Bereich zulässiger Betriebspunkte so lange in Richtung der Pumpgrenze verschoben wird, bis das Erreichen der Pumpgrenze detektiert wird. Anders als im Stand der Technik setzt das erfindungsgemäße Verfahren darauf, dass das Erreichen der Pumpgrenze durch einen abfallenden Luftmassenstrom aus dem Verdichter nach dem Überschreiten der Pumpgrenze detektiert wird. Danach wird der Verdichter aus dem Pumpbereich gefahren, wobei der letzte vor dem Auftreten des Pumpens angefahrene Betriebspunkt gespeichert wird.Similar to the prior art mentioned in the introduction, in the method according to the invention the pumping limit is determined in real operation by shifting the range of permissible operating points in the direction of the surge limit at each occurring rotational speed until reaching the surge limit is detected. Unlike in the prior art, the inventive method is based on the fact that reaching the surge limit is detected by a falling air mass flow from the compressor after exceeding the surge limit. Thereafter, the compressor is run out of the pumping area, storing the last operating point approached prior to the occurrence of the pumping.

Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die tatsächliche Pumpgrenze detektiert und der letzte noch funktionierende Betriebspunkt vor dieser Pumpgrenze erfasst. Dadurch, dass kein Regelungsaufwand beim Annähern an die Pumpgrenze betrachtet wird, lässt sich über das erfindungsgemäße Verfahren ein Betriebspunkt auffinden, welcher noch näher an der Pumpgrenze liegen wird als bei dem eingangs genannten Verfahren.Thus, in the method according to the invention, the actual pumping limit is detected and the last still functioning operating point is detected before this pumping limit. The fact that no control effort when approaching the surge limit is considered, can be found on the inventive method, an operating point, which will be even closer to the surge line than in the aforementioned method.

Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebendieser zuletzt angefahrene noch funktionierende Betriebspunkt entsprechend gespeichert und bei zukünftigem Betrieb bei derselben Drehzahl entsprechend verwendet. Mit der Zeit und bei über die Zeit auftretenden verschiedenen Drehzahlen ergibt sich so eine Reihe von möglichen Betriebspunkten, welche jeweils sehr dicht an der Pumpgrenze liegen und einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Dabei kommt es je nach Toleranzen der Bauteile des Verdichters auch bei prinzipiell baugleichen Verdichtern durch die Varianz der Bauteile in der Herstellung zu unterschiedlichen Betriebspunkten. Jeder Verdichter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch mit dem für ihn möglichen maximalen Wirkungsgrad in maximaler Nähe der Pumpgrenze betreibbar. Bauteiltoleranzen oder auch sich während des Betriebs verschlechternde Bauteile werden so entsprechend berücksichtigt und die Betriebspunkte werden immer auf eine möglichst große Nähe an die Pumpgrenze hin adaptiert. Dadurch müssen keine Sicherheitsabstände, wie im allgemeinen Stand der Technik beschrieben, eingehalten werden, und es lässt sich ein besserer Wirkungsgrad des Verdichters erreichen.Furthermore, in the case of the method according to the invention, this latter still operating operating point is stored correspondingly and used accordingly in the case of future operation at the same speed. With time and at different speeds occurring over time, this results in a number of possible operating points, which are in each case very close to the surge line and allow a high degree of efficiency. Depending on the tolerances of the components of the compressor, the variance of the components in the production also leads to different operating points, even in the case of principally identical compressors. In the method according to the invention, however, each compressor can be operated at its maximum efficiency, which is possible for it, in the maximum vicinity of the pumping limit. Component tolerances or even during operation deteriorating components are considered accordingly and the operating points are always adapted to the greatest possible proximity to the surge line. As a result, no safety distances, as described in the general prior art, be complied with, and it can achieve a better efficiency of the compressor.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass der Verdichter über ein Anpassen des Gegendrucks aus dem Pumpbereich gefahren wird. Tritt ein Pumpen auf, dann kann über ein entsprechendes Anpassen des Gegendrucks, beispielsweise indem eine Klappe oder ein Ventil geöffnet wird, um einen höheren Volumenstrom fördern zu müssen, der Pumpbereich wieder verlassen werden. Der letzte vor dem Pumpen gespeicherte Betriebspunkt wird dann zukünftig verwendet.According to a very advantageous development of the idea, it is provided that the compressor is moved by adjusting the back pressure from the pumping area. If a pumping occurs, then it can be adjusted accordingly the back pressure, for example by a flap or a valve is opened in order to promote a higher volume flow, the pumping area are left again. The last operating point stored before pumping will then be used in the future.

Wie bereits erwähnt, kann die Anpassung des Gegendrucks insbesondere über eine Klappe oder ein Ventil erfolgen, beispielsweise über ein System-Bypass- oder Abblasventil, welches insbesondere bei einem elektrisch angetriebenen Turbolader als bevorzugte Anwendung, die Druckseite des Verdichters mit der Eingangsseite der Turbine oder gegebenenfalls auch der Umgebung verbindet. Ein solches Ventil wird im Bereich der Turboladertechnik häufig auch als Umblasventil bezeichnet.As already mentioned, the adaptation of the backpressure can take place, in particular, via a flap or a valve, for example via a system bypass or blow-off valve which, in particular in the case of an electrically driven turbocharger, is the preferred application, the pressure side of the compressor with the input side of the turbine or, if appropriate also connects the environment. Such a valve is often referred to as a blow-in valve in the turbocharger technology.

Das Pumpen wird über einen abfallenden Luftmassenstrom detektiert. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass das Pumpen über einen Wert der ersten Ableitung des Luftmassenstroms detektiert wird, welcher unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Sobald die erste Ableitung des Luftmassenstroms unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, wird also gegengesteuert, indem beispielsweise gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung der Gegendruck angepasst wird. Der Verdichter kommt damit wieder aus dem Pumpbereich und der letzte gültige Betriebspunkt vor dem Auftreten des entsprechenden Werts der ersten Ableitung des Luftmassenstroms wird gespeichert und zukünftig verwendet.The pumping is detected via a falling air mass flow. According to a very advantageous development of the idea, it is the case that the pumping is detected via a value of the first derivative of the air mass flow which falls below a predetermined limit value. As soon as the first derivative of the air mass flow falls below a predetermined limit value, counteracting is thus effected, for example, by adjusting the backpressure according to the advantageous development described above. The compressor thus comes back from the pumping area and the last valid operating point before the occurrence of the corresponding value of the first derivative of the air mass flow is stored and used in the future.

Die bevorzugte Verwendung des Verfahrens liegt im Betreiben eines elektrisch angetriebenen Turboladers, also einer Wirkkombination von elektrisch angetriebenem Verdichter einerseits und Turbine, welche zumindest eine elektrische Maschine sowie insbesondere zusätzlich den Verdichter antreibt. Eine besonders bevorzugte Variante kann dabei lediglich eine elektrische Maschine vorsehen, welche auf einer gemeinsamen Welle mit dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist.The preferred use of the method is in the operation of an electrically driven turbocharger, ie a combination of action of electrically driven compressor on the one hand and turbine, which drives at least one electric machine and in particular additionally the compressor. A particularly preferred variant can provide only an electric machine which is arranged on a common shaft with the compressor and the turbine.

Eine besonders günstige Ausführungsvariante dieser Verwendung sieht es dabei ferner vor, dass der elektrisch angetriebene Turbolader zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Insbesondere bei einem solchen Einsatz ist ein hochdynamischer Betrieb des Verdichters charakteristisch. Außerdem kann über einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters Kraftstoff eingespart werden und Emissionen können minimiert werden. Im Zusammenhang mit dem hochdynamischen Betrieb ist das erfindungsgemäße Verfahren nun ideal geeignet, über den gesamten Betriebsbereich hinweg mit der Zeit die Pumpgrenze entsprechend zu adaptieren und zu erlernen und sich ergebende Veränderungen der Pumpgrenze beispielsweise aus sich verändernden Umgebungsbedingungen oder insbesondere sich abnutzenden Bauteilen in dem Verdichter ebenfalls zu erlernen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dann immer einen Betrieb in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze und damit einen Betrieb beim bestmöglichen Wirkungsgrad, welcher mit dem jeweiligen Verdichter in Abhängigkeit seiner Bauteiltoleranzen und einer eventuellen Abnutzung seiner Bauteile zu erzielen ist.A particularly favorable embodiment variant of this use also provides that the electrically driven turbocharger is used to supply air to a fuel cell system in a vehicle. Particularly in such an application, a highly dynamic operation of the compressor is characteristic. In addition, fuel can be saved via a high efficiency of the compressor and emissions can be minimized. In connection with the highly dynamic operation, the inventive method is now ideally suited to adapt over the entire operating range over time, the surge line and learn and resulting changes in the surge limit, for example, from changing environmental conditions or in particular wear components in the compressor also to learn. The inventive method then always allows operation in the immediate vicinity of the surge line and thus an operation at the best possible efficiency, which can be achieved with the respective compressor depending on its component tolerances and a possible wear of its components.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben wird.Advantageous embodiments of the idea also emerge from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to FIGS.

Dabei zeigen:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
2 ein Diagramm des Drucks über dem Volumenstrom mit eingezeichnetem Betriebsbereich des Verdichters; und
3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs gemäß der Erfindung.

Showing:

1 a principle indicated fuel cell system in a vehicle;
2 a diagram of the pressure above the flow with recorded operating range of the compressor; and
3 a schematic representation of the process flow according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren in einem Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst eine Brennstoffzelle 3 mit einem Kathodenbereich 4 und einem Anodenbereich 5. Dem Anodenbereich 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Dosierventil 7 sowie eine Gasstrahlpumpe 8 zugeführt. Der frische Wasserstoff dient in der Gasstrahlpumpe 8 als Treibstrahl. Nicht verbrauchter Wasserstoff wird zusammen mit Produktwasser und inerten Gasen über eine Rezirkulationsleitung 9 von dem Anodenbereich 5 wieder durch die Gasstrahlpumpe angesaugt und dem Anodenbereich 5 erneut zur Verfügung gestellt. Dieser sogenannte Anodenloop ist bei Brennstoffzellensystemen 2 prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig. In der Rezirkulationsleitung 9 sitzt dabei typischerweise ein Wasserabscheider 10, welcher über eine Gas- und Wasserleitung 11 und einer Ventileinrichtung 12 darin mit einer Abgasleitung 13 des Brennstoffzellensystems 2 verbunden ist. So können Wasser und inerte Gase bei geöffneter Ventileinrichtung 12 zumindest von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf bzw. dem Wasserabscheider 10 in der Rezirkulationsleitung 9 abgelassen werden.In the presentation of the 1 is a preferred use for the inventive method in a vehicle 1 with a fuel cell system 2 described. The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3 with a cathode area 4 and an anode area 5 , The anode area 5 becomes hydrogen from a compressed gas storage 6 via a pressure regulating and dosing valve 7 and a gas jet pump 8th fed. The fresh hydrogen is used in the gas jet pump 8th as a propulsion jet. Unused hydrogen is combined with product water and inert gases via a recirculation line 9 from the anode area 5 sucked in again by the gas jet pump and the anode area 5 again provided. This so-called anode loop is in fuel cell systems 2 in principle known from the prior art and familiar to the expert. In the recirculation line 9 typically sits a water trap 10 , which has a gas and water pipe 11 and a valve device 12 in it with an exhaust pipe 13 of the fuel cell system 2 connected is. So can water and inert gases with open valve device 12 at least from time to time from the anode circuit or the water separator 10 in the recirculation line 9 be drained.

Der Kathodenbereich 4 wird mit Luft aus Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird über einen Strömungsverdichter 14 gefördert. Dieser sitzt zusammen mit einer Abluftturbine 15 auf einer gemeinsamen Welle 16, auf welcher außerdem eine elektrische Maschine 17 angeordnet ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. Die verdichtete Ansaugluft gelangt über eine Zuluftleitung 18, in welcher sich zusätzlich noch ein hier nicht dargestellter Ladeluftkühler befinden könnte, zu einem Gas/Gas-Befeuchter 19, in welchem die Zuluft von der Abluft in einer Abluftleitung 20 entsprechend befeuchtet wird und von dort in den Kathodenbereich 4 strömt. Die mit dem Produktwasser beladene und an Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt aus dem Kathodenbereich 4 über die Abluftleitung 20 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 19, in welchen sie den in ihr enthaltene Feuchtigkeit durch für Feuchtigkeit durchlässige Membranen an die Zuluft abgibt. Die Abluft gelangt dann in die Abluftturbine 15 und entspannt über die Abgasleitung 13 aus dem Brennstoffzellensystem 2 bzw. dem Fahrzeug 1. Die aus der Abluft zurückgewonnene Energie im Bereich der Turbine 15 dient zur Unterstützung des Antriebs des Verdichters 14, und falls dieser nicht so viel Antriebsleistung braucht, wie im Bereich der Turbine 15 anfällt, zum Antrieb der elektrischen Maschine 17, welche dann generatorisch betrieben wird.The cathode area 4 is supplied with air from oxygen supplier. The air is passing through a flow compressor 14 promoted. This sits together with an exhaust air turbine 15 on a common wave 16 on which also an electric machine 17 is arranged. This construction is also called electric turbocharger or motor-assisted turbocharger designates. The compressed intake air passes through a supply air line 18 , in which there could also be an intercooler, not shown here, to a gas / gas humidifier 19 , in which the supply air from the exhaust air in an exhaust duct 20 is moistened and from there into the cathode area 4 flows. The exhaust air laden with the product water and depleted in oxygen passes out of the cathode area 4 via the exhaust air line 20 again through the gas / gas humidifier 19 in which it releases the moisture contained in it through moisture permeable membranes to the supply air. The exhaust air then enters the exhaust air turbine 15 and relaxes over the exhaust pipe 13 from the fuel cell system 2 or the vehicle 1 , The energy recovered from the exhaust air in the area of the turbine 15 serves to support the drive of the compressor 14 , and if it does not need as much drive power as in the turbine area 15 accumulates, to drive the electric machine 17 , which is then operated as a generator.

Der Aufbau weist außerdem einen sogenannten Systembypass 21 mit einem Bypassventil 22 auf. Hierüber kann in bestimmten Situationen die Druckseite des Verdichters 14 mit der Druckseite der Turbine 15 verbunden werden, beispielsweise um zu verhindern, dass eine Pumpgrenze PG des Verdichters 14 überschritten wird oder dergleichen.The structure also has a so-called system bypass 21 with a bypass valve 22 on. This can in certain situations, the pressure side of the compressor 14 with the pressure side of the turbine 15 be connected, for example, to prevent a pumping limit PG of the compressor 14 is exceeded or the like.

In der Darstellung der 1 sind ferner ein Luftmassenstromsensor 23 und ein Steuergerät 24 für den Verdichter 14 zu erkennen, wobei das Steuergerät 24, anders als hier schematisch dargestellt, typischerweise auf die elektrische Maschine 17 zum Antrieb des Verdichters 14 einwirkt.In the presentation of the 1 are also an air mass flow sensor 23 and a controller 24 for the compressor 14 to recognize, with the control unit 24 unlike schematically shown here, typically on the electric machine 17 to drive the compressor 14 acts.

In der Praxis ist es so, dass der Verdichter in einem Druck (p)/Volumenstrom (V)-Diagramm gezeigten Betriebsbereich B betrieben wird. In der Darstellung der 2, welche ein solches Druck-/Volumenstrom-Diagramm zeigt, befindet sich dieser Betriebsbereich B zwischen einer Linie nmin der minimalen Drehzahl des Verdichters 14, einer Linie nmax der maximalen Drehzahl des Verdichters 14 und wird nach unten durch eine sogenannte Stopfgrenze SG begrenzt. Nach oben hin wird der Betriebsbereich B des Verdichters 14 letzten Endes durch eine sogenannte Pumpgrenze PG begrenzt. In der Darstellung der Figur ist dabei in strichpunktierter Linie eine gemäß dem Stand der Technik typischerweise verwendete Grenze des Betriebsbereichs B eingezeichnet, welche hier als PG ₀ bezeichnet ist. Dabei handelt es sich nicht um die tatsächliche Pumpgrenze PG, sondern um eine mit einem Sicherheitsabstand x zu einer solchen Pumpgrenze PG definierte theoretische Pumpgrenze, welche bei der entsprechenden Bauart des Verdichters 14 den Betriebsbereich B entsprechend beschränkt. Die real auftretenden Pumpgrenzen sind hier durch drei verschiedene Pumpgrenzen PG ₁, PG ₂, PG ₃ entsprechend eingezeichnet, welche sich je nach Varianz der in dem Verdichter 14 verbauten Bauteile, also letztlich deren Herstellungstoleranzen, entsprechend einstellen. Da diese Pumpgrenzen PG ₁, PG ₂, PG ₃ entsprechend der realen Bauteiltoleranzen in dem Verdichter 14 entsprechend variieren können, muss der Sicherheitsabstand x relativ groß gewählt werden, sodass die Grenze PG ₀ nicht mit einer der realen Pumpgrenzen zusammenfällt oder gar von dieser überschritten wird. In der Praxis ist dies außerordentlich nachteilig.In practice, the compressor is in a pressure ( p ) / Flow rate ( V ) Operating area shown B is operated. In the presentation of the 2 , which shows such a pressure / flow diagram, is this operating range B between a line nmin of the minimum speed of the compressor 14 , a line nmax of the maximum speed of the compressor 14 and gets down through a so-called stuffing limit SG limited. At the top is the operating area B of the compressor 14 ultimately limited by a so-called surge limit PG. In the illustration of the figure, a dash-dotted line is a limit of the operating range which is typically used according to the prior art B drawn, which here as PG ₀ is designated. This is not the actual pumping limit PG, but one with a safety margin x for such a pumping limit PG defined theoretical surge limit, which in the corresponding type of compressor 14 the operating area B limited accordingly. The real pumping limits are here by three different surge limits PG ₁ , PG ₂ , PG ₃ drawn accordingly, which vary depending on the variance in the compressor 14 built components, so ultimately adjust their manufacturing tolerances accordingly. Because these surge limits PG ₁ , PG ₂ , PG ₃ corresponding to the real component tolerances in the compressor 14 may vary according to the safety distance x be chosen relatively large, so the limit PG ₀ does not coincide with one of the real surge limits or even exceeded by this. In practice, this is extremely disadvantageous.

Mittig sind in dem Diagramm verschiedene geschlossene Linien eingezeichnet, welche Bereiche des gleichen Wirkungsgrads in der Art von Höhenlinien definieren. Es ist zu erkennen, dass ein hoher Wirkungsgrad in der Nähe der jeweiligen Pumpgrenze PG ₁, PG ₂, PG ₃ vorliegt. Dadurch, dass eine über einen Sicherheitsabstand definierte Grenze PG ₀ für den Betriebsbereich B definiert werden muss, entsteht so das Problem, dass der Verdichter 14 häufig nicht mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Nimmt man beispielsweise eine exemplarische Drehzahl n ₁, welche hier mit gestrichelter Linie eingezeichnet ist, dann kann sich der Betriebspunkt BP zwischen den Punkten BP ₀ und BP ₁ bewegen. Liegt nun beispielsweise aufgrund der Varianz der Bauteile in dem eingesetzten Verdichter 14 die reale Pumpgrenze PG ₁ vor, wäre ein theoretischer Betriebspunkt BP sehr viel näher an dieser realen Pumpgrenze PG ₁ denkbar, welche einen höheren Wirkungsgrad hätte.In the center, various closed lines are drawn in the diagram, which define areas of the same efficiency in the manner of contour lines. It can be seen that a high efficiency in the vicinity of the respective surge limit PG ₁ , PG ₂ , PG ₃ is present. By having a limit defined over a safety distance PG ₀ for the operating range B must be defined, so the problem arises that the compressor 14 often can not be operated with the best possible efficiency. Take, for example, an exemplary speed n ₁ , which is shown here with a dashed line, then the operating point BP between the points BP ₀ and BP ₁ move. Is now, for example, due to the variance of the components in the compressor used 14 the real pumping limit PG ₁ , a theoretical operating point BP would be much closer to this real surge limit PG ₁ conceivable, which would have a higher efficiency.

Deshalb wird nun ein Verfahren angewandt, bei welchem der Betriebspunkt BP ungeachtet der Grenze PG ₀ aus dem Stand der Technik immer weiter in Richtung der realen Pumpgrenze, hier der Pumpgrenze PG ₂, verschoben wird. Hierbei wird der Bereich der zulässigen Betriebspunkte so lange in Richtung Pumpgrenze verschoben, bis ein Erreichen dieser detektiert wird. Überschreitet er die Pumpgrenze PG ₂, kommt es zu einem stark abfallenden Luftmassenstrom, welcher in dem Luftmassenstromsensor 23 bzw. dem Steuergerät 24 detektiert werden kann. Vorzugsweise indem eine Ableitung des Luftmassenstroms vorgenommen wird. Sobald der Wert dieser Ableitung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, liegt ein entsprechend steiler Abfall des Luftmassenstroms vor und es wird von einem Überschreiten der realen Pumpgrenze PG ₂ ausgegangen. In der Praxis wird nun beispielsweise durch ein Öffnen des Bypassventils 22 im Systembypass 21 der Gegendruck entsprechend reduziert bzw. der Volumenstrom erhöht, sodass der Verdichter 14 sich aus dem Bereich des Pumpens zurück in seinen Betriebsbereich B bewegt. Dabei wird der zuletzt verfügbare Betriebspunkt ohne Pumpen, hier beispielsweise ein Betriebspunkt BP ₂ unmittelbar vor dem Erreichen der realen Pumpgrenze PG ₂ des Verdichters 14 gespeichert. Zukünftig wird bei der Drehzahl n ₁ der Verdichter 14 dann in diesem Betriebspunkt BP ₂ betrieben. Sollte es beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Bauteilgeometrie durch Abnutzung zu einem Überschreiten der Pumpgrenze PG ₂ in diesem Betriebspunkt BP ₂ kommen, beginnt das adaptive Verfahren bei der jeweiligen Drehzahl von vorn und es wird ein weiter in Richtung des gemäß dem Stand der Technik maximal möglichen Betriebspunkt BP ₁ liegender Betriebspunkt verwendet. In jedem Fall liegen die Betriebspunkte BP dann, bis die reale Pumpgrenze PG ₂ die Grenze PG ₀ erreicht hat, bei einem höheren Wirkungsgrad als im Falle der Verwendung des Betriebspunkts BP ₁, sodass durch das Verfahren ein verbesserter Wirkungsgrad des Verdichters 14 und damit des Brennstoffzellensystems 2 erzielt werden kann.Therefore, a method is now adopted in which the operating point BP regardless of the limit PG ₀ from the prior art ever further in the direction of the real surge limit, here the surge limit PG ₂ , is moved. In this case, the range of permissible operating points is shifted in the direction of the surge limit until it is detected. If it exceeds the surge limit PG ₂ , there is a steeply decreasing mass air flow, which in the air mass flow sensor 23 or the control unit 24 can be detected. Preferably by a derivative of the air mass flow is made. As soon as the value of this derivative falls below a predetermined limit value, there is a correspondingly steep drop in the air mass flow and it is exceeded by exceeding the real surge limit PG ₂ gone out. In practice, for example, by opening the bypass valve 22 in the system bypass 21 the back pressure correspondingly reduced or the flow rate increased, so that the compressor 14 out of the pumping area back into its operating range B emotional. Here is the last available operating point without pumps, here for example an operating point BP ₂ immediately before reaching the real surge limit PG _{2 of} the compressor 14 saved. In the future will be at the speed n _{1 of} the compressor 14 then in this operating point BP ₂ operated. Should it, for example due to a change in the geometry of the component due to wear, exceed the surge limit PG ₂ at this operating point BP ₂ come, the adaptive process starts at the respective speed from the beginning and it is a further in the direction of the maximum possible operating point according to the prior art BP ₁ lying operating point used. In any case, the operating points BP then lie until the real surge limit PG ₂ the limit PG ₀ , at a higher efficiency than when using the operating point BP ₁ , so that through the process improved efficiency of the compressor 14 and thus the fuel cell system 2 can be achieved.

Der Verfahrensablauf ist in der Darstellung der 3 nochmals in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Den Start bildet der Betrieb des Verdichters 14, bei dem der Betriebspunkt BP entsprechend in Richtung der Pumpgrenze PG verschoben wird. Solange kein Pumpen auftritt, erfolgt dies weiterhin, wenn bei der jeweiligen Drehzahl ein entsprechender Betriebspunkt BP, beispielsweise der Betriebspunkt BP ₂ gespeichert ist, bleibt dieser für den Betrieb bestehen. Tritt ein Pumpen auf, dann wird, wie es in dem Diagramm der 3 zu erkennen ist, der Gegendruck angepasst, um den Verdichter 14 aus dem Pumpbereich herauszuführen und wieder in den Betriebsbereich B zurückzuführen. Der letzte bekannte Betriebspunkt BP wird dann entsprechend gespeichert und auf Gültigkeit überprüft. Ist er gültig, wird der Betrieb auf diesen neuen Betriebspunkt BP angepasst. Ist er nicht gültig, wird er entsprechend verworfen und das Verfahren lernt einen neuen Betriebspunkt BP, indem es erneut startet. Hierdurch lässt sich die gesamte real für den jeweiligen Verdichter 14 entsprechend seiner Bauteiltoleranzen existierende Pumpgrenze mit der Zeit immer besser annähern, sodass immer mehr Betriebspunkte zur Verfügung stehen, welche sehr dicht an der tatsächlichen Pumpgrenze PG liegen und damit einen Betrieb des Verdichters 14 bei entsprechend hohem Wirkungsgrad ermöglichen.The procedure is in the representation of 3 again shown in a flow chart. The start is the operation of the compressor 14 in which the operating point BP is displaced in the direction of the pumping limit PG. As long as no pumping occurs, this will continue, if at the respective speed a corresponding operating point BP, for example, the operating point BP _{2 is} stored, this remains for the operation. If a pump occurs, then, as in the diagram of 3 it can be seen, the back pressure adapted to the compressor 14 out of the pump area and back into the operating area B due. The last known operating point BP is then stored accordingly and checked for validity. If it is valid, the operation is adapted to this new operating point BP. If it is not valid, it is discarded accordingly and the method learns a new operating point BP by restarting it. This allows the entire real for the respective compressor 14 according to its component tolerances approaching pumping limit with time getting better, so that more and more operating points are available, which are very close to the actual pumping limit PG and thus an operation of the compressor 14 allow for correspondingly high efficiency.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2017/0074276 A1 [0002]

Claims

Method for optimized operation of a flow compressor (14) with respect to its pumping limit (PG), wherein in real operation of the flow compressor (14) at each speed (n) occurring the range of permissible operating points (BP) so long in the direction of the surge limit (PG ) until the reaching of the pumping limit (PG) is detected, characterized in that the reaching of the pumping limit (PG) is detected by a decreasing air mass flow from the flow compressor (14) after exceeding the pumping limit (PG), after which the flow compressor (14) is driven out of the pumping area, storing the last operating point (BP) approached prior to the occurrence of the pumping, and wherein the flow compressor (14) is subsequently operated at the respective speed (n) at the stored operating point.

Method according to Claim 1 , characterized in that the flow compressor (14) is moved by adjusting the back pressure from the pumping area.

Method according to Claim 2 , characterized in that the adjustment of the backpressure via a flap or a valve (22) is made.

Method according to Claim 1 . 2 or 3 , characterized in that the occurring pumping over a value of the first derivative of the air mass flow is detected, which falls below a predetermined limit.

Use of the method according to one of Claims 1 to 4 for operating an electrically driven turbocharger.

Use after Claim 5 , characterized in that the electrically driven turbocharger is provided for supplying air to a fuel cell system in a vehicle.