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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.
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The invention relates to a device for regulating a compressor of an internal combustion engine with an electrically controllable adjusting device for adjusting the gas flow flowing through the compressor.
It is already known to arrange a return line (bypass) parallel to the compressor, which is used to keep the gas flow through the compressor high by regulating a valve arranged in the return line so that it is reduced when the internal combustion engine requires less (hereinafter) abbreviated as motor) does not lead to unstable flow conditions in the compressor (the so-called "pumping" (English: surging)).
By means of such a return line and a valve fitted in it, the amount of gas flowing through the compressor (for example air or a combustion gas / air mixture) is greater than the amount of engine swallowed. If the opening of the valve is too large, i. H. If too much gas flows back via the return line to the suction side of the compressor, the pressure on the pressure side of the compressor drops too far and the engine loses power. It is therefore necessary to create a precise regulation. According to the prior art, the valve in the return line is controlled as a function of various engine parameters and environmental parameters, for example the engine power, the ambient air pressure, and the ambient temperature, for example via a map.
Conventional map programming must take into account the tolerance position of different turbochargers of one type and be checked at different air pressures and temperatures as well as at different altitudes of the location of the engines or different climatic conditions. In addition, it must be carried out for each type of turbocharger, which results in a great deal of effort in the development, maintenance and adjustment of the engines.
The object of the invention is to provide a relatively simple compressor control with which the compressor
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Maintaining a high efficiency of the engine can be operated just below the surge limit.
According to the invention, this is achieved by at least one pressure sensor arranged in or on the compressor and an electronic control unit which controls the actuating device as a function of the signals emitted by the pressure sensor (s).
Because the pressure sensor (s) are not located somewhere in the intake manifold of the engine, but rather directly in or on the compressor, it is possible to detect the pumping in the compressor itself, even before it occurs fully or in the initial stage .
Further advantages and details of the invention are explained in more detail in the following description of the figures.
1 schematically shows a motor with a compressor and an embodiment of a device according to the invention for regulating the compressor, FIG. 2 shows a partial longitudinal section through a compressor with possible locations for the arrangement of the pressure sensors, and FIG. 3 shows a schematic cross section by the compressor with the position of a pressure sensor shown, FIG. 4 shows an embodiment of the electronic control unit, and FIG. 5 shows another embodiment of the electronic control unit.
In the embodiment shown in FIG. 1, a compressor 2, preferably an exhaust gas turbocharger, is arranged in the intake tract of the engine 1. A combustion gas / air mixture flows into the turbocharger 2 via the line 3 and is compressed there from the inlet pressure p 1 to a higher pressure P2. In order to avoid the occurrence of pumps, a return line 4 is arranged parallel to the compressor 2, in which
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an electrically adjustable valve is arranged as the actuating device 5. According to the invention, this valve 5 is controlled via an electronic control unit 6 as a function of signals which a pressure sensor 7 arranged in or on the compressor itself emits to the control unit 6 via a signal line 8.
As a further input signal, the control unit 6 can be supplied with a signal corresponding to the speed of the compressor via a signal line 9, which signal is generated by the device 10 for detecting the speed (pick-up).
2 shows possible positions of the pressure sensors 7 in the compressor housing 2a. It is possible to use only one of the
To provide 2 drawn pressure sensors 7. In principle, however, it is also possible to arrange two or more pressure sensors. The pressure sensors 7 are advantageously held pressure-tight in an opening in the housing 2a of the compressor, preferably screwed into this opening from the outside, and detect the pressure inside the compressor itself.
The compressor can have a rotating compressor wheel 12 with a plurality of blades 11, with individual cells 13 lying between the blades. The pressure sensors are advantageously arranged in such a way that they detect the pressure in these cells 13 between the blades 11.
The pressure sensors detect the pressures in the various cells 13 of the compressor impeller 12. As the boost pressure increases on the pressure side of the compressor (pressure P2), flow detachments occur increasingly in the cells of the compressor wheel and thus pressure fluctuations that can be detected. In Fig. 3, the areas of different pressures are dotted and drawn with a dashed line.
The pressure is therefore preferably measured directly in the cells 13 (points A, B in FIG. 2), since in this case unstable flow conditions can be detected before gas flows back against the regular flow direction, before it actually occurs of pumping comes. This allows uncomplicated and precise compaction
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regulation which reliably prevents the occurrence of pumps. In principle, however, it is also possible to detect the pressure in the compressor directly at the inlet (point C). Corrective measures, namely the opening of the valve 5, can then also be carried out in this case via a fast electronic control in order to avoid a strong occurrence of pumps.
The advantage of the control according to the invention essentially consists in the fact that, without programming a map, an actuating device (for example the valve 5) can be controlled according to the level of the actual pressure fluctuations in or at the inlet of the compressor so that the engine receives the required boost pressure without it disturbing pumping of the compressor occurs.
Basically, there are numerous options for evaluating the signals emitted by the pressure sensor in the electronic control unit. 4 and 5 two possible exemplary embodiments are shown.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the extent of the pressure fluctuations is recorded and the valve is regulated as a function thereof. In particular, an averager 14 is provided for this purpose, which is followed by a differential stage 15. In difference stage 4, the difference between the current pressure signal and the mean pressure value is formed and a signal proportional to this difference is output on line 16. In the actual control element 17, this signal is then set with a preferably adjustable setpoint? o, which can be supplied via a line 18, compared and, depending on the comparison result, an output signal for adjusting the adjusting device 5 (valve) is output on line 18.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, the knowledge is exploited that the pumping as an unstable flow state does not occur distributed symmetrically over the entire impeller, but only as a suddenly occurring reverse flow or flow separation in one or a few cells
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he follows. The frequency of the pressure fluctuations can therefore be compared to the measured compressor speed and the number of cells can be determined from them, with which different pressures are established during a full revolution. A regulation can then be made on the basis of this size. 5, a speed processing element 19 is provided, which emits a frequency signal corresponding to the speed on the output line 20. The pressure signal is first passed through a bandpass filter 21.
In a further stage 22, the fundamental frequency fo is then determined from the signal processed in this way (the fundamental frequency is the lowest frequency in the frequency spectrum, the amplitude component of which lies above a certain threshold). The ratio of the basic frequency of the pressure fluctuations to the supercharger speed can be used to regulate the valve 5 by means of a control element 23 by comparison with an adjustable target value C on line 24.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments shown. It is suitable for a wide variety of compressors, such as axial and centrifugal compressors. In addition, it is possible to provide other actuators instead of a valve in the return line, which can influence the gas flow through the compressor. For example, it is possible to control a valve that blows off gas on the pressure side after the compressor. However, inlet throttles upstream of the compressor or outlet throttles downstream of the compressor are in principle conceivable and possible in order to implement pump control. In view of a high efficiency of the motor, however, the return line with a regulated valve described above will be the preferred embodiment.