DE102021203563A1 - Method for operating a turbomachine, control device, turbomachine and use of an acceleration sensor - Google Patents

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Joerg NAFE
Tobias Kloiber
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, bei dem das Überschreiten einer Pumpgrenze überwacht wird und im Fall eines Pumpens der Strömungsmaschine mindestens eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird. Erfindungsgemäß wird das Überschreiten der Pumpgrenze mit Hilfe eines Beschleunigungssensors überwacht, der die Vibrationen der Strömungsmaschine erfasst. Die Messwerte des Beschleunigungssensors werden mit einem Schwellwert verglichen, der ein Überschreiten der Pumpgrenze erkennen lässt.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät, eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine sowie eine Verwendung für einen Beschleunigungssensor.The invention relates to a method for operating a turbomachine driven by an electric motor, in particular a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, in which the exceeding of a surge limit is monitored and at least one countermeasure is initiated if the turbomachine surges. According to the invention, exceeding the surge limit is monitored using an acceleration sensor that detects the vibrations of the turbomachine. The measured values of the acceleration sensor are compared with a threshold value, which indicates that the surge limit has been exceeded. The invention also relates to a control unit, a turbomachine driven by an electric motor and a use for an acceleration sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei der Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um einen Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms handeln.The invention relates to a method for operating a turbomachine driven by an electric motor with the features of the preamble of claim 1. The turbomachine can in particular be a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen, sowie eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist. Zudem wird eine Verwendung für einen Beschleunigungssensor vorgeschlagen.In addition, the invention relates to a control device that is set up to carry out steps of the method, as well as an electric motor-driven turbomachine that is suitable for carrying out the method or can be operated according to the method. In addition, a use for an acceleration sensor is proposed.

Stand der TechnikState of the art

Im Betrieb einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine kann es bei Überschreiten einer gewissen „Pumpgrenze“ zum sogenannten „Pumpen“ kommen. Dieses geht mit einem Strömungsabriss am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine einher. Die Folge sind Schwingungen des Massenstroms, des Drucks und der Drehzahl. Sofern die Strömungsmaschine der Bereitstellung eines geforderten Luftmassenstroms für einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle dient, kann dieser nicht mehr bereitgestellt und der Verbrennungsmotor bzw. die Brennstoffzelle nicht mehr am gewünschten Betriebspunkt betrieben werden. Dies hat direkte Auswirkungen auf Effizienz, Emissionen und Verschleiß. Ferner steigt die Belastung im Bereich der Lager der Strömungsmaschine. Es gilt daher ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine zu verhindern.In the operation of an electric motor-driven fluid machine, so-called "pumping" can occur if a certain "pumping limit" is exceeded. This is accompanied by a stall at the inlet and/or at the outlet of the turbomachine. The consequences are oscillations in mass flow, pressure and speed. If the turbomachine is used to provide a required air mass flow for an internal combustion engine or a fuel cell, this can no longer be provided and the internal combustion engine or the fuel cell can no longer be operated at the desired operating point. This has a direct impact on efficiency, emissions and wear. Furthermore, the load in the area of the bearings of the turbomachine increases. It is therefore important to prevent the turbomachine from “pumping”.

Im Stand der Technik wird bei einer fehlenden Pumpgrenzerkennung üblicherweise ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze eingehalten. Der Sicherheitsabstand engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein. Daher ist idealerweise eine Pumpgrenzerkennung vorhanden. Diese basiert in der Regel auf der Beobachtung des Massenstroms oder der Drücke am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine. Wird ein „Pumpen“ detektiert, können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.In the prior art, if there is no surge limit detection, a safety distance from the surge limit is usually maintained. However, the safety distance narrows the operating range of the turbomachine. Ideally, therefore, there is a surge limit detection. This is usually based on the observation of the mass flow or the pressures at the inlet and/or at the outlet of the turbomachine. If "pumping" is detected, countermeasures can be initiated.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 014 681 A1 geht beispielhaft ein Verfahren zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader hervor. Bei dem Verfahren wird das Auftreten eines „Pumpens“ des Verdichters überwacht. Im Rahmen der Überwachung wird mit Hilfe mindestens eines Drucksensors der Druck der Luftmassenströmung vor und/oder hinter dem Verdichter gemessen und geprüft, ob der Druckverlauf die Pumpgrenze erreicht. Treten periodische Druckschwankungen auf, deuten diese auf einen sogenannten „Rotating Stall“ hin, der ein Vorbote des „Pumpens“ ist. In diesem Fall wird bzw. werden ein Vordrall erzeugt und/oder die Verdichterleistung erhöht, um einem unerwünschten „Pumpen“ des Verdichters vorzeitig entgegen zu wirken.From the disclosure document DE 10 2008 014 681 A1 shows an example of a method for preventing a drop in boost pressure in a turbocharger. The method monitors the occurrence of compressor "surge". As part of the monitoring, the pressure of the air mass flow upstream and/or downstream of the compressor is measured with the aid of at least one pressure sensor and it is checked whether the pressure profile reaches the surge limit. If periodic pressure fluctuations occur, these indicate a so-called "rotating stall", which is a harbinger of "pumping". In this case, a pre-swirl is or are generated and/or the compressor output is increased in order to counteract an undesired "pumping" of the compressor prematurely.

Beim „Rotating Stall“ kann es bereits zu einer Strömungsablösung an einer Verdichterradschaufel kommen. Diese reduziert dann den Strömungsquerschnitt und behindert auf diese Weise den Druckaufbau. Reißt die Strömung an mehreren Schaufeln ab, kann der Druckaufbau nicht aufrechterhalten werden. In der Folge kommt es zu einem Rückströmen durch den Verdichter. Dieser Vorgang wird als „Pumpen“ bezeichnet.In the case of "rotating stall", flow separation can already occur on a compressor wheel blade. This then reduces the flow cross-section and in this way impedes the pressure build-up. If the flow breaks down at several blades, the pressure build-up cannot be maintained. As a result, there is a backflow through the compressor. This process is called "pumping".

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Detektion eines Pumpens einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine zu vereinfachen. Ein Pumpen soll dabei sicher erkannt werden, so dass auf die Einhaltung eines Sicherheitsabstands verzichtet werden kann.Proceeding from the prior art mentioned above, the object of the present invention is to simplify the detection of pumping of a turbomachine driven by an electric motor. Pumping should be reliably detected so that maintaining a safety distance can be dispensed with.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Steuergerät, eine Strömungsmaschine und eine Verwendung für einen Beschleunigungssensor angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. A control unit, a turbomachine and a use for an acceleration sensor are also specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms. Bei dem Verfahren wird das Überschreiten einer Pumpgrenze überwacht und im Fall eines Pumpens der Strömungsmaschine wird mindestens eine Gegenmaßnahme eingeleitet. Erfindungsgemäß wird das Überschreiten der Pumpgrenze mit Hilfe eines Beschleunigungssensors überwacht, der die Vibrationen der Strömungsmaschine erfasst. Ferner werden die Messwerte des Beschleunigungssensors mit einem Schwellwert verglichen, der ein Überschreiten der Pumpgrenze erkennen lässt.A method is proposed for operating a turbomachine driven by an electric motor, in particular a compressor, for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell. In the method, the exceeding of a surge limit is monitored and at least one countermeasure is initiated if the turbomachine surges. According to the invention, exceeding the surge limit is monitored with the aid of an acceleration sensor, which detects the vibrations of the turbomachine. Furthermore, the measured values of the acceleration sensor are compared with a threshold value, which indicates that the surge limit has been exceeded.

Die beim Pumpen einer Strömungsmaschine entstehenden Druckpulsationen übertragen sich auf das Gehäuse der Strömungsmaschine, so dass dieses vibriert. Diese Vibrationen sind mit Hilfe des Beschleunigungssensors messbar. Die Messwerte können mit einem zuvor festgelegten Schwellwert verglichen werden, der charakteristisch für die Strömungsmaschine bei Überschreiten der Pumpgrenze ist. Auf diese Weise kann mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Pumpen der Strömungsmaschine erkannt werden. Die Einhaltung eines Sicherheitsabstands kann demnach entfallen. Entsprechend kann auch der Betriebsbereich der Strömungsmaschine vergrößert werden. Alternativ kann die Strömungsmaschine kleiner ausgelegt werden.The pressure pulsations that occur when a turbomachine is pumped are transmitted to the housing of the turbomachine, causing it to vibrate. These vibrations can be measured using the acceleration sensor. The measured values can be compared to a previously defined threshold be compared, which is characteristic of the turbomachine when the surge limit is exceeded. In this way, pumping of the turbomachine can be detected with a high degree of probability. The maintenance of a safety distance can therefore be omitted. Correspondingly, the operating range of the turbomachine can also be increased. Alternatively, the turbomachine can be made smaller.

Der Vergleich der Messwerte mit dem Schwellwert wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt, in dem der mindestens eine Schwellwert hinterlegt ist. Je nach Strömungsmaschine kann dieser Wert variieren. Er wird daher bevorzugt vor Inbetriebnahme der Strömungsmaschine ermittelt und im Steuergerät hinterlegt. Vorzugsweise wird ein der Strömungsmaschine zugeordnetes Steuergerät verwendet. Die Strömungsmaschine inklusive Steuergerät stellt somit eine autarke Komponente dar. Von einem übergeordneten Steuergerät kann dieser, beispielsweise per CAN, eine Drehzahl oder ein Drehmoment zur Verfügung gestellt werden.The comparison of the measured values with the threshold value is preferably carried out using a control device in which the at least one threshold value is stored. Depending on the turbomachine, this value can vary. It is therefore preferably determined before the turbomachine is started up and stored in the control unit. A control unit assigned to the turbomachine is preferably used. The turbomachine, including the control unit, thus represents a self-sufficient component. A higher-level control unit can make a speed or torque available to it, for example via CAN.

Bevorzugt werden die Beschleunigungen der Strömungsmaschine nach Raumachsen getrennt erfasst und ausgewertet. Das heißt, dass eine Vielzahl an Messwerten zur Verfügung stehen, welche die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein Pumpen der Strömungsmaschine möglichst frühzeitig erkannt wird. Darüber hinaus können die nach Raumachsen getrennt erfassten Messwerte zur gegenseitigen Plausibilisierung genutzt werden.The accelerations of the turbomachine are preferably recorded and evaluated separately according to spatial axes. This means that a large number of measured values are available, which increase the probability that pumping of the turbomachine will be detected as early as possible. In addition, the measured values recorded separately according to spatial axes can be used for mutual plausibility checks.

Daher wird ferner vorgeschlagen, dass ein mehrdimensionaler Beschleunigungssensor verwendet wird. Zwar ist die Durchführung des Verfahrens auch mit einem eindimensionalen Beschleunigungssensor möglich, die Verwendung eines mehrdimensionalen, beispielsweise 2- oder 3-dimensionalen Sensors, erhöht jedoch die Genauigkeit der erfassten Messwerte und damit die Genauigkeit des Ergebnisses der Auswertung.Therefore, it is further proposed that a multi-dimensional acceleration sensor is used. Although the method can also be carried out with a one-dimensional acceleration sensor, the use of a multi-dimensional, for example 2- or 3-dimensional sensor increases the accuracy of the measured values recorded and thus the accuracy of the result of the evaluation.

Des Weiteren bevorzugt werden zur Unterscheidung zwischen Nutz- und Rauschsignalen die Messwerte des Beschleunigungssensors vor dem Vergleich mit dem Schwellwert quadriert. Das Quadrat der Messwerte ermöglicht eine eindeutigere Trennung zwischen Nutz- und Rauschsignalen, so dass auf diese Weise die Genauigkeit des Ergebnisses der Auswertung weiter gesteigert werden kann.Furthermore, the measured values of the acceleration sensor are preferably squared before the comparison with the threshold value in order to differentiate between useful and noise signals. The square of the measured values enables a clearer separation between useful and noise signals, so that in this way the accuracy of the result of the evaluation can be further increased.

Wird ein Pumpereignis erkannt, muss eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden, um die Strömungsmaschine zu schützen. Vorzugsweise wird bei Überschreiten der Pumpgrenze ein Betriebspunkt der Strömungsmaschine verschoben, so dass das Pumpen der Strömungsmaschine beendet wird. Beispielsweise kann die Drehzahl der Strömungsmaschine erhöht werden. Dabei sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die maximal zulässige Drehzahl nicht überschritten wird.If a surge event is detected, a countermeasure must be initiated to protect the turbomachine. When the surge limit is exceeded, an operating point of the turbomachine is preferably shifted so that the pumping of the turbomachine is terminated. For example, the speed of the turbomachine can be increased. However, it should be ensured that the maximum permissible speed is not exceeded.

Bei Überschreiten der Pumpgrenze und/oder bei Verschiebung eines Betriebspunkts der Strömungsmaschine wird vorzugsweise eine entsprechende Information an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt, beispielsweise per CAN-Mitteilung. Mit Hilfe des übergeordneten Steuergeräts kann dann eine Betriebspunktverschiebung vorgenommen werden, sofern diese nicht bereits erfolgt ist. Denn mit Hilfe eines der Strömungsmaschine zugeordneten Steuergeräts kann ebenfalls der Betriebspunkt der Strömungsmaschine nur eingestellt werden. Der neue Betriebspunkt ermöglicht eine Rückkehr der Strömungsmaschine in einen stabilen Betrieb.When the surge limit is exceeded and/or when an operating point of the turbomachine is shifted, corresponding information is preferably transmitted to a higher-level control unit, for example by CAN message. The operating point can then be shifted with the help of the higher-level control unit if this has not already taken place. This is because the operating point of the turbomachine can likewise only be set with the aid of a control device assigned to the turbomachine. The new operating point allows the turbomachine to return to stable operation.

In der Regel erhält das der Strömungsmaschine zugeordnete Steuergerät eine Drehzahlvorgabe von einem übergeordneten Steuergerät. Wird von dieser Vorgabe abgewichen, um einen stabilen Betrieb der Strömungsmaschine zu ermöglichen, erfolgt eine entsprechende Mitteilung an das übergeordnete Steuergerät, beispielsweise per CAN-Mitteilung. Das externe Steuergerät bestimmt dann einen neuen Betriebspunkt mit reduziertem Druckverhältnis bzw. erhöhter Drehzahl. Die Abweichung zwischen der, vorzugsweise ebenfalls per CAN, vom externen Steuergerät erhaltenen Solldrehzahl und der vom Steuergerät der Strömungsmaschine vorgegebenen Drehzahl muss später wieder korrigiert bzw. abgebaut werden. Bevorzugt erfolgt der Abbau nach Ablauf einer Wartezeit, deren Länge davon abhängen kann, ob ein weiteres Pumpereignis detektiert wird oder nicht. Bleibt ein solches aus, kann die ursprünglich geforderte Drehzahl wieder freigegeben werden. Bevorzugt wird dabei der Übergang von der erhöhten Drehzahl auf die geforderte Drehzahl gerampt. Das heißt, dass der Abbau nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich vorgenommen wird.As a rule, the control unit assigned to the turbomachine receives a speed specification from a higher-level control unit. If there is a deviation from this specification in order to enable stable operation of the turbomachine, a corresponding message is sent to the higher-level control unit, for example by CAN message. The external control unit then determines a new operating point with a reduced pressure ratio or increased speed. The discrepancy between the setpoint speed, preferably also via CAN, received from the external control unit and the speed specified by the control unit of the turbomachine must later be corrected or reduced again. The dismantling preferably takes place after a waiting time has elapsed, the length of which can depend on whether or not a further pumping event is detected. If there is no such thing, the originally required speed can be released again. The transition from the increased speed to the required speed is preferably ramped. This means that the reduction is not carried out in leaps and bounds, but rather continuously.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Steuergerät für eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine, insbesondere für einen Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, vorgeschlagen. Dieses ist eingerichtet, Schritte eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere ist in dem Steuergerät ein Schwellwert hinterlegt, der einen Vergleich mit den Messwerten des Beschleunigungssensors ermöglicht und charakteristisch für die Strömungsmaschine bei Überschreiten der Pumpgrenze ist. Zur Auswertung der Messwerte des Beschleunigungssensors ist das Steuergerät in datenübertragender Weise mit dem Beschleunigungssensor verbunden. Dem Steuergerät liegen somit die Messwerte des Beschleunigungssensors vor und können mit dem hinterlegten Schwellwert verglichen werden. Wird ein Pumpen detektiert, kann mit Hilfe des Steuergeräts oder einem übergeordneten Steuergerät, das in Daten übertragene Weise mit dem Steuergerät der Strömungsmaschine verbunden ist, eine Betriebspunktverschiebung vorgenommen werden, so dass die Strömungsmaschine in den stabilen Bereich zurückkehrt.In order to achieve the object mentioned at the outset, a control device for an electric motor-driven turbomachine, in particular for a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, is also proposed. This is set up to carry out steps of a previously described method according to the invention. In particular, a threshold value is stored in the control unit, which enables a comparison with the measured values of the acceleration sensor and is characteristic of the turbomachine when the surge limit is exceeded. The control unit is in data transfer mode to evaluate the measured values of the acceleration sensor connected to the acceleration sensor. The measured values of the acceleration sensor are therefore available to the control unit and can be compared with the stored threshold value. If pumping is detected, the operating point can be shifted using the control unit or a higher-level control unit that is connected to the control unit of the turbomachine in a data-transmitted manner, so that the turbomachine returns to the stable range.

Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Steuergerät ist vorzugsweise Teil der Strömungsmaschine oder zumindest an der Strömungsmaschine angeordnet. In Weiterbildung der Erfindung wird daher eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine vorgeschlagen, die einen Beschleunigungssensor sowie ein erfindungsgemäßes Steuergerät umfasst. Die vorgeschlagene Strömungsmaschine ist somit insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Somit können mit Hilfe der Strömungsmaschine die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des Verfahrens erzielt werden. Insbesondere kann das Überschreiten einer Pumpgrenze detektiert werden, so dass unmittelbar Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Ferner kann der Betriebsbereich der Strömungsmaschine vergrößert werden, da bei genauer Kenntnis der Grenze ein Sicherheitsabstand verzichtbar ist. Zugleich wird ein erhöhter Bauteilschutz erreicht, insbesondere wird der Verschleiß in den Lagern der Strömungsmaschine gemindert.The control unit proposed for solving the task mentioned at the outset is preferably part of the turbomachine or at least arranged on the turbomachine. In a development of the invention, an electric motor-driven turbomachine is therefore proposed, which includes an acceleration sensor and a control unit according to the invention. The proposed turbomachine is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated according to this method. The same advantages can thus be achieved with the aid of the turbomachine as with the aid of the method. In particular, exceeding a surge limit can be detected so that countermeasures can be initiated immediately. Furthermore, the operating range of the turbomachine can be increased, since a safety distance can be dispensed with if the limit is known precisely. At the same time, increased component protection is achieved, in particular the wear in the bearings of the turbomachine is reduced.

Bei der vorgeschlagenen Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um einen Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms handeln. Die Strömungsmaschine kann sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen zum Einsatz gelangen.The proposed turbomachine can in particular be a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell. The turbomachine can be used in both stationary and mobile applications.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die vorgeschlagene Strömungsmaschine einen ein- oder mehrdimensionalen, insbesondere 2- oder 3-dimensionalen, Beschleunigungssensor aufweisen. Mit Hilfe eines mehrdimensionalen Beschleunigungssensors können nach Raumachsen getrennte Messwerte erfasst werden, die eine frühzeitige Erkennung eines Pumpereignisses ermöglichen. Ferner kann mit Hilfe der unterschiedlichen Messwerte eine Plausibilisierung durchgeführt werden.To carry out the method according to the invention, the proposed turbomachine can have a one- or multi-dimensional, in particular two- or three-dimensional, acceleration sensor. With the help of a multi-dimensional acceleration sensor, measured values can be recorded separately according to spatial axes, which enable an early detection of a pumping event. Furthermore, a plausibility check can be carried out using the different measured values.

Der Beschleunigungssensor wird vorzugsweise an einer Stelle der Strömungsmaschine positioniert, die bei einem Pumpereignis besonders stark vibriert. Eine geeignete Position stellt beispielsweise der Auslass der Strömungsmaschine dar. Alternative Positionen zur Anordnung des Beschleunigungssensors sind möglich.The acceleration sensor is preferably positioned at a point on the turbomachine that vibrates particularly strongly during a surge event. A suitable position is, for example, the outlet of the turbomachine. Alternative positions for arranging the acceleration sensor are possible.

Des Weiteren wird die Verwendung eines Beschleunigungssensors zur Detektion eines Pumpens einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, vorgeschlagen. Die Verwendung von Beschleunigungssensoren zur Messung von Vibrationen an Geräten und Maschinen ist zwar grundsätzlich bekannt, jedoch nicht im Zusammenhang mit der Detektion eines Pumpereignisses. Die Miniaturisierung der heutigen Sensortechnik ermöglicht eine platzsparende Anordnung des Beschleunigungssensors an der Strömungsmaschine, so dass der konstruktive Aufwand minimal ist.Furthermore, the use of an acceleration sensor for detecting pumping of an electric motor-driven turbomachine, in particular a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, is proposed. The use of acceleration sensors to measure vibrations on devices and machines is known in principle, but not in connection with the detection of a pumping event. The miniaturization of today's sensor technology enables a space-saving arrangement of the acceleration sensor on the turbomachine, so that the design effort is minimal.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines typischen Verdichterkennfelds,
  • 2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Druckverlaufs in einer Strömungsmaschine vor, während und nach einem Pumpereignis,
  • 3 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Beschleunigung einer Strömungsmaschine vor, während und nach einem Pumpereignis, wobei die Werte auf einen gemessenen Maximalwert normiert sind, und
  • 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Beschleunigung analog der 3 jedoch mit quadrierten Werten.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of a typical compressor map,
  • 2 a diagram for the graphical representation of the pressure profile in a turbomachine before, during and after a pumping event,
  • 3 a diagram for the graphical representation of the acceleration of a turbomachine before, during and after a pumping event, the values being normalized to a measured maximum value, and
  • 4 a diagram for the graphical representation of the acceleration analogous to the 3 but with squared values.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt ein typisches Verdichterkennfeld. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck pout am Verdichterauslass und dem Druck pin am Verdichtereinlass über dem Massenstrom m. Des Weiteren sind Linien C dargestellt, entlang welcher die Verdichterdrehzahl n konstant ist. Das Verdichterkennfeld wird einerseits von einer Pumpgrenze A und andererseits von einer Stopfgrenze B begrenzt. Bei einem Überschreiten der Pumpgrenze kommt es zum sogenannten „Pumpen“ des Verdichters. Dieses sorgt für Schwingungen des Massenstroms, des Drucks und der Drehzahl, so dass zum Erhalt eines stabilen Betriebs eine Betriebspunktverschiebung vorgenommen werden muss. Um dies zu verhindern, wird daher oftmals ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze A eingehalten, der in der 1 durch die Linie D definiert ist. Wird der Sicherheitsabstand eingehalten, kann ein „Pumpen“ des Verdichters vermieden werden. Wie aus der 1 deutlich ersichtlich, engt jedoch der Sicherheitsabstand den Betriebsbereich des Verdichters ein. 1 shows a typical compressor map. The pressure ratio between the pressure pout at the compressor outlet and the pressure p in at the compressor inlet is plotted against the mass flow m. Lines C along which the compressor speed n is constant are also shown. The compressor map is limited on the one hand by a surge limit A and on the other hand by a choke limit B. If the surge limit is exceeded, the so-called "pumping" of the compressor occurs. This causes oscillations in the mass flow, the pressure and the speed, so that the operating point has to be shifted in order to maintain stable operation. In order to prevent this, a safety margin to the surge limit A is often maintained, which is 1 is defined by the line D. If the safety distance is maintained, "pumping" of the compressor can be avoided. How from the 1 clearly visible, but the safety distance narrows the operating range of the compressor.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht die Einhaltung des Sicherheitsabstands überwacht, sondern das Überschreiten der Pumpgrenze, so dass der Betriebsbereich vergrößert wird. Denn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Pumpgrenze genau detektiert werden.According to the method according to the invention, it is not the maintenance of the safety margin that is monitored, but the exceeding of the surge limit, so that the operating range is increased. This is because the surge limit can be precisely detected with the aid of the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt hierzu einen Beschleunigungssensor ein. Mit Hilfe des Beschleunigungssensors werden Vibrationen der Strömungsmaschine erfasst. Da ein Überschreiten der Pumpgrenze zu Druckschwingungen führt, die auf das Gehäuse der Strömungsmaschine übertragen werden, kann anhand der erfassten Vibrationen ein Pumpen der Strömungsmaschine detektiert werden.For this purpose, the method according to the invention uses an acceleration sensor. With the help of the acceleration sensor, vibrations of the turbomachine are recorded. Since exceeding the surge limit leads to pressure fluctuations that are transmitted to the housing of the turbomachine, pumping of the turbomachine can be detected on the basis of the detected vibrations.

Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, die den Druck pout am Auslass einer Strömungsmaschine über der Zeit t bei konstanter Verdichterdrehzahl zeigt, geht das Pumpen der Strömungsmaschine mit starken Druckschwankungen einher. Der Bereich ist mit einem Kreis gekennzeichnet. Die gestrichelten Linien kennzeichnen den Beginn und das Ende des Pumpens.As exemplified in the 2 shown, which shows the pressure pout at the outlet of a turbomachine over time t at a constant compressor speed, pumping of the turbomachine is accompanied by strong pressure fluctuations. The area is marked with a circle. The dashed lines mark the beginning and end of pumping.

In der 3 ist der Betrag der Beschleunigung, normiert auf einen gemessenen Maximalwert |a|/â, über der Zeit eingetragen. Korrespondierend zu 2 werden im Bereich des Pumpens die größten Werte erzielt. Das Rauschsignal beträgt jedoch teilweise bis zu 60 % des maximalen Nutzsignals.In the 3 is the magnitude of the acceleration normalized to a measured maximum value |a|/â over time. Corresponding to 2 the highest values are achieved in the area of pumping. However, the noise signal is sometimes up to 60% of the maximum useful signal.

Zur besseren Trennung zwischen Rausch- und Nutzsignal kann, wie beispielhaft in der 4 dargestellt, das Quadrat der Messwerte gebildet werden, und zwar ebenfalls normiert auf einen gemessenen Maximalwert a2/â2. Das Rauschsignal macht in diesem Fall lediglich 40 % des maximalen Nutzsignals aus.For better separation between noise and useful signal, as exemplified in the 4 shown, the square of the measured values are formed, also normalized to a measured maximum value a 2 /â 2 . In this case, the noise signal makes up only 40% of the maximum useful signal.

Die Beschleunigung, die auf ein Pumpen der Strömungsmaschine schließen lässt, kann mit Hilfe des Beschleunigungssensors erfasst werden. Hierzu werden die Messwerte des Beschleunigungssensors mit einem Schwellwert verglichen, der zuvor ermittelt und in einem der Strömungsmaschine zugeordneten Steuergerät hinterlegt worden ist.The acceleration, which suggests that the turbomachine is pumping, can be detected using the acceleration sensor. For this purpose, the measured values of the acceleration sensor are compared with a threshold value that has been previously determined and stored in a control unit assigned to the turbomachine.

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Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, bei dem das Überschreiten einer Pumpgrenze überwacht wird und im Fall eines Pumpens der Strömungsmaschine mindestens eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschreiten der Pumpgrenze mit Hilfe eines Beschleunigungssensors überwacht wird, der die Vibrationen der Strömungsmaschine erfasst, und die Messwerte des Beschleunigungssensors mit einem Schwellwert verglichen werden, der ein Überschreiten der Pumpgrenze erkennen lässt.Method for operating a turbomachine driven by an electric motor, in particular a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, in which the exceeding of a surge limit is monitored and in the case of pumping of the turbomachine at least one countermeasure is initiated, characterized in that the exceeding of the surge limit is monitored with the aid of an acceleration sensor which detects the vibrations of the turbomachine, and the measured values of the acceleration sensor are compared with a threshold value which indicates that the surge limit has been exceeded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Messwerte mit dem Schwellwert mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt wird, in dem der mindestens eine Schwellwert hinterlegt ist, wobei vorzugsweise ein der Strömungsmaschine zugeordnetes Steuergerät verwendet wird.procedure after claim 1 , characterized in that the comparison of the measured values with the threshold value is carried out with the aid of a control unit in which the at least one threshold value is stored, a control unit assigned to the turbomachine preferably being used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungen der Strömungsmaschine nach Raumachsen getrennt erfasst und ausgewertet werden, wobei vorzugsweise die nach Raumachsen getrennt erfassten Messwerte zur gegenseitigen Plausibilisierung genutzt werden.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the accelerations of the turbomachine are recorded and evaluated separately according to spatial axes, the measured values recorded separately according to spatial axes being used for mutual plausibility checks. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrdimensionaler Beschleunigungssensor verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a multi-dimensional acceleration sensor is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterscheidung zwischen Nutz- und Rauschsignalen die Messwerte des Beschleunigungssensors vor dem Vergleich mit dem Schwellwert quadriert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in order to differentiate between useful and noise signals, the measured values of the acceleration sensor are squared before the comparison with the threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Pumpgrenze ein Betriebspunkt der Strömungsmaschine verschoben wird, beispielsweise die Drehzahl der Strömungsmaschine erhöht wird, ohne dass die maximal zulässige Drehzahl überschritten wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the surge limit is exceeded, an operating point of the turbomachine is shifted, for example the speed of the turbomachine is increased without the maximum permissible speed being exceeded. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten der Pumpgrenze und/oder bei Verschiebung eines Betriebspunkts der Strömungsmaschine eine entsprechende Information an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt wird, beispielsweise per CAN-Mitteilung.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the surge limit is exceeded and/or when an operating point of the turbomachine is shifted, corresponding information is transmitted to a higher-level control unit, for example by CAN message. Steuergerät für eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine, insbesondere für einen Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Control unit for a turbomachine driven by an electric motor, in particular for a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, the control unit being set up to carry out steps of a method according to one of the preceding claims. Elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine, insbesondere Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms, umfassend einen Beschleunigungssensor sowie das Steuergerät nach Anspruch 8.Turbomachine driven by an electric motor, in particular a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell, comprising an acceleration sensor and the control unit claim 8 . Verwendung eines Beschleunigungssensors zur Detektion eines Pumpens einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms.Use of an acceleration sensor for detecting pumping of an electric motor-driven turbomachine, in particular a compressor for providing an air mass flow required by an internal combustion engine or a fuel cell.
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