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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln eines Verdichters eines Verbrennungsmotors mit einer elektrisch ansteuerbaren Stelleinrichtung zum Verstellen des durch den Verdichter strömenden Gasstromes.
Es ist bereits bekannt, parallel zum Verdichter eine Rück- führleitung (Bypass) anzuordnen, die dazu dient, den Gasstrom durch den Verdichter durch Regelung eines in der Rückführleitung angeordneten Ventils so hoch zu halten, dass es bei einem verminderten Bedarf des Verbrennungsmotors (im folgenden kurz Motor genannt) nicht zu instabilen Strömungszuständen im Verdichter (dem sogenannten "Pumpen" (englisch : surging)) kommt.
Mittels einer solchen Rückführleitung und einem in dieser angebrachten Ventil wird erreicht, dass die durch den Verdichter strömende Gasmenge (beispielsweise Luft oder ein Verbrennungsgas-Luft-Gemisch) grösser ist als die Schluckmenge des Motors. Ist die Öffnung des Ventils zu gross, d. h. fliesst zu viel Gas über die Rückführleitung auf die Saugseite des Verdichters zurück, sinkt der Druck auf der Druckseite des Verdichters zu weit ab und der Motor verliert Leistung. Es ist daher nötig, eine präzise Regelung zu schaffen. Nach dem Stand der Technik wird das Ventil in der Rückführleitung in Abhängigkeit von verschiedenen Motorparametern und Umgebungsparametern, beispielsweise der Motorleistung, des Umgebungsluftdruckes, und der Umgebungstemperatur, beispielsweise über ein Kennfeld, gesteuert.
Die herkömmliche Kennfeldprogrammierung muss die Toleranzlage verschiedener Turbolader einer Bauart berücksichtigen und bei verschiedenen Luftdrücken und Temperaturen sowie entsprechend unterschiedlichen Höhenlagen des Aufstellungsortes der Motoren bzw. unterschiedlichen klimatischen Bedingungen überprüft werden. Sie muss darüber hinaus für jede Turboladerbauart eigens durchgeführt werden, wodurch sich ein grosser Aufwand in der Entwicklung, Wartung und Einstellung der Motoren ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verhältnismässig einfache Verdichterregelung zu schaffen, mit der der Verdichter bei
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Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades des Motors knapp an der Pumpgrenze betrieben werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies durch mindestens einen im bzw. am Verdichter angeordneten Drucksensor und eine elektronische Regeleinheit, die in Abhängigkeit von den von dem bzw. den Drucksensor (en) abgegebenen Signalen die Stelleinrichtung ansteuert erreicht.
Dadurch, dass der oder die Drucksensoren nicht irgendwo im Ansaugtrakt des Motors, sondern direkt im bzw. am Verdichter angeordnet ist (sind), ist es möglich, das pumpen im Verdichter selbst zu erkennen, und zwar sogar bevor es voll auftritt bzw. im Anfangsstadium.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Motor mit einem Verdichter und einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung zum Regeln des Verdichters, die Fig. 2 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch einen Verdichter mit möglichen Stellen für die Anordnung der Drucksensoren, die Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Verdichter mit der eingezeichneten Lage eines Drucksensors, die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Regeleinheit, und die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektronischen Regeleinheit.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Ansaugtrakt des Motors 1 ein Verdichter 2, vorzugsweise ein Abgasturbolader angeordnet. Über die Leitung 3 stromt ein Verbrennungsgas-Luft-Gemisch in den Turbolader 2 und wird dort vom Eingangsdruck pl auf einen hoheren Druck P2 verdichtet. Um das Auftreten von Pumpen zu vermeiden, ist parallel zum Verdichter 2 eine Ruckführleitung 4 angeordnet, in der
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als Stelleinrichtung 5 ein elektrisch verstellbares Ventil angeordnet ist. Dieses Ventil 5 wird über eine elektronische Regeleinheit 6 erfindungsgemäss in Abhängigkeit von Signalen gesteuert, die ein im bzw. am Verdichter selbst angeordneter Drucksensor 7 über eine Signalleitung 8 an die Regeleinheit 6 abgibt.
Als weiteres Eingangssignal kann der Regeleinheit 6 über eine Signalleitung 9 ein der Drehzahl des Verdichters entsprechendes Signal zugeführt werden, welches von der Einrichtung 10 zum Erfassen der Drehzahl (pick-up) erzeugt wird.
In Fig. 2 sind mögliche Lagen der Drucksensoren 7 im Verdichtergehäuse 2a gezeigt. Es ist möglich, nur einen der in Fig.
2 eingezeichneten Drucksensoren 7 vorzusehen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, zwei oder mehrere Drucksensoren anzuordnen. Die Drucksensoren 7 sind vorteilhaft in einer Öffnung im Gehäuse 2a des Verdichters druckdicht gehalten, vorzugsweise von aussen in diese Öffnung eingeschraubt und erfassen den Druck im Inneren des Verdichters selbst.
Der Verdichter kann ein rotierendes Verdichterrad 12 mit mehreren Schaufeln 11 aufweisen, wobei zwischen den Schaufeln einzelne Zellen 13 liegen. Die Drucksensoren sind günstigerweise so angeordnet, dass sie den Druck in diesen Zellen 13 zwischen den Schaufeln 11 erfassen.
Die Drucksensoren detektieren die Drücke in den verschiedenen Zellen 13 des Verdichterlaufrades 12. Bei steigendem Ladedruck auf der Druckseite des Verdichters (Druck P2) kommt es zunehmend zu Strömungsablösungen in den Zellen des Verdichterrades und damit zu Druckschwankungen, die detektiert werden können. In Fig. 3 sind die Bereiche unterschiedlichen Drucks einmal punktiert und einmal strichliert eingezeichnet.
Vorzugsweise wird der Druck also direkt in den Zellen 13 gemessen (Stellen A, B in Fig. 2), da in diesem Fall instabile Strömungszustände erfasst werden konnen, bevor es zum Ruckströmen von Gas entgegen der regularen Stromungsrichtung kommt, bevor es also zum eigentlichen Auftreten des Pumpens kommt. Dies erlaubt eine unkomplizierte und prazise Verdich-
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terregelung, welche das Auftreten von Pumpen zuverlässig vermeidet. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Druck im Verdichter direkt am Eingang (Stelle C) zu detektieren. Über eine schnelle elektronische Regelung können dann auch in diesem Fall noch Korrekturmassnahmen, nämlich das öffnen des Ventils 5 vorgenommen werden, um ein starkes Auftreten von Pumpen zu vermeiden.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Regelung besteht im wesentlichen darin, dass ohne Kennfeldprogrammierung eine Stelleinrichtung (beispielsweise das Ventil 5) entsprechend dem Niveau der tatsächlichen Druckschwankungen im bzw. am Eingang des Verdichters so geregelt werden kann, dass der Motor den erforderlichen Ladedruck bekommt, ohne dass es zum störenden Pumpen des Verdichters kommt.
Grundsätzlich gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die vom Drucksensor abgegebenen Signale in der elektronischen Regeleinheit auszuwerten. In den Fig. 4 und 5 sind zwei mögliche Ausführungsbeispiele dargestellt.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Mass der Druckschwankungen erfasst und in Abhängigkeit von diesen eine Regelung des Ventils vorgenommen. Im einzelnen ist dazu ein Mittelwertbildner 14 vorgesehen, dem eine Differenzstufe 15 nachgeschaltet ist. In der Differenzstufe 4 wird die Differenz zwischen dem aktuellen Drucksignal und dem Druckmittelwert gebildet und ein dieser Differenz proportionales Signal auf Leitung 16 abgegeben. Im eigentlichen Regelglied 17 wird dann dieses Signal mit einem vorzugsweise einstellbaren Sollwert ? o, der über eine Leitung 18 zugeführt werden kann, verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis auf der Leitung 18 ein Ausgangssignal zum Verstellen der Stelleinrichtung 5 (Ventil) abgegeben.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass das Pumpen als instabiler Stromungszustand nicht symmetrisch über das ganze Laufrad verteilt auftritt, sondern nur als plötzlich auftretendes Ruckstromen bzw. Stromungsablosen in einen oder wenigen Zellen
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erfolgt. Man kann daher die Frequenz der Druckschwankungen zur gemessenen Verdichterdrehzahl ins Verhältnis setzen und daraus die Anzahl der Zellen ermitteln, bei denen sich während einer vollen Umdrehung unterschiedliche Drücke einstellen. Auf der Basis dieser Grösse kann dann eine Regelung vorgenommen werden. Im einzelnen ist in Fig. 5 ein Drehzahlaufbereitungsglied 19 vorgesehen, das auf der Ausgangsleitung 20 ein der Drehzahl entsprechendes Frequenzsignal abgibt. Das Drucksignal wird zunächst über einen Bandpassfilter 21 geführt.
In einer weiteren Stufe 22 wird dann die Grundfrequenz fo aus dem so aufbereiteten Signal ermittelt (die Grundfrequenz ist die tiefste Frequenz im Frequenzspektrum deren Amplitudenanteil oberhalb einer bestimmten Schwelle liegt). Aus dem Verhältnis der Grundfrequenz der Druckschwankungen zur Laderdrehzahl kann man über ein Regelglied 23 durch Vergleich mit einem einstellbaren Sollwert C auf Leitung 24 eine Regelung des Ventils 5 vornehmen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie eignet sich für die verschiedensten Verdichter, beispielsweise axiale und zentrifugale Kompressoren. Ausserdem ist es möglich, anstelle eines Ventils in der Rückführleitung andere Stellglieder vorzusehen, die den Gasstrom durch den Verdichter beeinflussen können. Beispielsweise ist es möglich ein Ventil zu steuern, das auf der Druckseite nach dem Verdichter Gas abbläst. Es sind aber auch Einlassdrosseln vor dem Verdichter oder Auslassdrosseln nach dem Verdichter grundsätzlich denkbar und möglich, um eine Pumpregelung zu verwirklichen. Im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad des Motors wird allerdings die oben beschriebene Rückführleitung mit einem geregelten Ventil die bevorzugte Ausführungsform sein.