In der Druckschrift DE 43 16 202 AI wird ein Verfahren zur Überwachung der Pumpgrenze eines Turboverdichters be- schrieben. Der Arbeitsbereich von Verdichtern ist für hohe Massendurchsätze durch die Stopfgrenze und für Teilmassen- ströme bei zugleich hoher Last durch die Pumpgrenze limi- tiert, wodurch die real nutzbare Verdichter-Kennfeldbreite eingeschränkt ist. Insbesondere zur Pumpgrenze muss ein Mindestabstand eingehalten werden, um unzulässig hohe Be- lastungen des Verdichterrades zu vermeiden.

Um eine Überschreitung der Pumpgrenze in den unzulässigen Bereich hinein zu verhindern, ist gemäß der DE 43 16 202 Al eine Regelungseinrichtung vorgesehen, bei der Drücke und Volumenströme durch den Verdichter gemessen, in einer Regel-und Steuereinheit mit korrespondierenden Sollwerten verglichen werden und bei einer unzulässigen Abweichung der Istwerte ein dem Verdichterrad vorgeschalteter Vor- leitapparat bzw. ein nachgeschalteter Nachleitapparat in der Weise verstellt wird, dass ein gewünschter Abstand zur Pumpgrenze eingehalten wird. Problematisch hierbei ist je- doch, dass die Bestimmung der Sollwerte, die zum Vergleich mit den gemessenen Istwerten herangezogen werden, an Hand eines Referenzverdichters vorab bestimmt werden müssen, was die Möglichkeit einer dynamischen Anpassung an sich ändernde Bedingungen im laufenden Betrieb, beispielsweise hervorgerufen durch Verschmutzung, Abnutzung oder Wärme- einflüsse, deutlich einschränkt oder sogar ausschließt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Arbeitsbe- reich eines Verdichters im Verdichterkennfeld in bestmög- licher Weise unter Vermeidung einer Überschreitung der Pumpgrenze auszunutzen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Betreiben eines Verdichters mit den Merkmalen des An- spruches 1 und bei einem Verdichter mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem Verfahren zum Betreiben des Verdichters im Bereich der Verdichter-Pumpgrenze wird zur Erkennung der Pumpgren- ze die Strömungsgeschwindigkeit des Massenstromes durch den Verdichter in der Grenzschicht in einer einen Strö- mungskanal durch den Verdichter begrenzenden Wandung im Verdichter ermittelt. Die Grenzschichtgeschwindigkeit im Strömungskanal, in welchem das Verdichterrad angeordnet ist, gibt einen zuverlässigen Aufschluss darüber, ob ein hinreichend großer Abstand zur Pumpgrenze bzw. aktuell ein Annähern des Verdichterbetriebes an die Pumpgrenze vor- liegt. Im Falle eines Annäherns an die Pumpgrenze ändert sich das Geschwindigkeitsprofil über den Strömungsquer- schnitt dahingehend, dass es noch vor dem Einsetzen des eigentlichen Pumpvorganges in der Grenzschicht bereits zu einer Strömungsumkehr kommt, welche gemessen bzw. ermit- telt werden kann und als Maßstab dafür gilt, dass der Ver- dichter aktuell in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze be- trieben wird. Falls eine derartige Strömungsumkehr in der Grenzschicht festgestellt wird, wird die Stelleinrichtung zur Regulierung des aktuellen Betriebspunktes des Verdich- ters betätigt, um eine Stabilisierung des Verdichterbe- triebes zu erreichen und um zu vermeiden, dass die Pump- grenze in den instabilen Bereich hinein überschritten wird.

Diese Art der Regelung weist den Vorteil auf, dass die Pumpgrenze auch bei sich ändernden Randbedingungen wie zum Beispiel zunehmende Verschmutzung eines vorgeschalteten Luftfilters, Betrieb in größeren Höhen, sich über die Be- triebszeit ändernde Pumpgrenze, fertigungsbedingte Streu- ungen in der Konstruktion und Ähnliches zuverlässig detek- tiert werden kann. Auf die Ermittlung und Hinterlegung von Referenzgrößen kann dagegen verzichtet werden. Dies er- laubt eine dynamische Betriebsweise des Verdichters auch unter wechselnden Bedingungen bei optimaler Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Arbeitsbereiches.

Als Sollwerte, die zum Vergleich mit den gemessenen Ge- schwindigkeitswerten herangezogen werden, können Geschwin- digkeitsschwellenwerte definiert werden, bei deren Errei- chen ein Regeleingriff über die Stelleinrichtung durchge- führt wird. Über diese Schwellenwerte wird der Abstand im laufenden Verdichterbetrieb zur Pumpgrenze festgelegt. Des Weiteren können über die Höhe der Schwellenwerte unter- schiedliche Maßnahmen zur Regulierung des Verdichterbe- triebes angesteuert werden. So ist es beispielsweise mög- lich, über einen ersten Schwellen-bzw. Grenzwert eine verstellbare Verdichtergeometrie zu beaufschlagen, die beispielsweise als verstellbares, dem Verdichterrad vorge- schaltetes Vorleitgitter oder als dem Verdichterrad nach- geschalteter, veränderlich einstellbarer Variodiffusor ausgebildet sein kann. Über einen zweiten Grenzwert, des- sen Absolutwert insbesondere höher ist als derjenige des ersten Grenzwertes, kann eine variable Turbinengeometrie angesteuert werden, soweit der Verdichter Bestandteil ei- nes Turboladers ist und von einer Turbine angetrieben wird. In dieser Ausführung wird der Verdichter vorteilhaft in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine ein- gesetzt. Über einen dritten Grenzwert für die Strömungsge- schwindigkeit, dessen Absolutwert insbesondere höher ist als derjenige des zweiten Grenzwertes, kann schließlich die in die Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge reguliert werden.

Grundsätzlich reicht es jedoch aus, zumindest eine die Pumpgrenze stabilisierende Maßnahme über die Stelleinrich- tung anzusteuern, sobald sich das Vorzeichen der Strö- mungsgeschwindigkeit in der Grenzschicht umkehrt, unabhän- gig vom sich absolut einstellenden Wert der Strömungsge- schwindigkeit.

Die Grenzschicht-Strömungsgeschwindigkeit wird vorteilhaft im Verdichterrad-Eintrittsbereich, insbesondere an der Au- ßenkontur des Verdichterrades, und/oder im Verdichterrad- Austrittsbereich, insbesondere im nachgeschalteten Diffu- sor ermittelt. In diesen Bereichen ist die Gefahr eines Strömungsabrisses bei Erreichen der Pumpgrenze am größten, so dass die Detektierung der Strömungsumkehr in der Grenz- schicht in diesen Bereichen die Möglichkeit bietet, die Pumpgefahr frühzeitig zu erkennen und stabilisierende Maß- nahmen zu ergreifen.

Der erfindungsgemäße Verdichter, welcher sich vorteilhaft zur Durchführung des Verfahrens eignet, besitzt eine Stelleinrichtung zur Einstellung des aktuellen Verdichter- Betriebspunktes, eine Messeinrichtung zur Messung mindes- tens einer veränderlichen Verdichter-Kenngröße und eine Regel-und Steuereinheit, in welcher die Verdichter- Kenngröße mit einer Sollgröße verglichen und über die die Stelleinrichtung angesteuert wird. Über die Messeinrich- tung ist die Strömungsgeschwindigkeit des Massenstromes in der Grenzschicht zu der das Verdichterrad begrenzenden Wandung im Verdichter zu ermitteln. Falls sich der Vektor der Grenzschicht-Strömungsgeschwindigkeit umkehrt, wird ein Stellsignal zur Beaufschlagung der Stelleinrichtung erzeugt, wodurch der Betrieb des Verdichters im Bereich nahe der Pumpgrenze stabilisiert werden kann und ein uner- wünschtes Überschreiten der Pumpgrenze in den instabilen Bereich hinein vermieden wird.

Die Messeinrichtung umfasst zweckmäßig einen Sensor, der benachbart der Wandung angeordnet wird, insbesondere in einem geringen Abstand zur Wandung sich befindet. Der Sen- sor kann beispielsweise als so genannter Heißfilmmesser ausgeführt sein, dessen Messverfahren darauf beruht, dass einem beheizten Körper durch das ihn umströmende Medium Wärme entzogen wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft- maschine mit Abgasturbolader, dessen Abgasturbi- ne mit variabler Turbinengeometrie und dessen Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie ausgestattet ist, wobei im Verdichter für einen Betrieb nahe der Pumpgrenze eine Messeinrichtung zur Detektierung der Strömungsgeschwindigkeit in einer Grenzschicht nahe der Wandung des Strö- mungskanals für den den Verdichter passierenden Massenstrom vorgesehen ist, Fig. 2 eine Ausschnittvergrößerung eines Teil des Ver- dichterrades im Abströmbereich zum Diffusor mit einer Darstellung unterschiedlicher Geschwindig- keitsprofile der Strömung im Diffusor, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Geschwindig- keitsprofiles im Eintrittsquerschnitt bzw. im Austrittsquerschnitt des Verdichters bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Pumpgrenze.

Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 sowie einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine umfasst. Der Verdichter 5 wird über eine Welle 7 von der Abgasturbine 3 angetrieben und ver- dichtet angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Druck, unter dem die Verbrennungsluft stromab des Verdich- ters 5 zunächst einem Ladeluftkühler 8 zugeführt und im weiteren Verlauf mit Ladedruck in die Zylinder der Brenn- kraftmaschine geleitet wird. Die Abgasturbine 3 wird von den unter erhöhtem Druck stehenden Abgasen der Brennkraft- maschine angetrieben, welche nach dem Passieren der Abgas- turbine einer Abgasreinigung unterzogen und schließlich in die Umgebung abgeleitet werden.

Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeomet- rie 9 ausgestattet, über die der wirksame Turbinenein- trittsquerschnitt zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen ist.

Hierdurch kann der Betrieb der Brennkraftmaschine sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motor- bremsbetrieb optimiert werden. Die variable Turbinengeo- metrie 9 ist beispielsweise als axial in den Turbinenströ- mungseintrittsquerschnitt einschiebbares Leitgitter oder als im Strömungseintrittsquerschnitt feststehendes Leit- gitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet.

Der Verdichter 5 weist eine mit Bezugszeichen 10 bezeich- nete variable Verdichtergeometrie (VVG) auf, über die der wirksame Verdichterquerschnitt insbesondere im Verdichter- rad-Eintrittsbereich und im Verdichter-Austrittsbereich veränderlich einzustellen ist. Im Verdichterrad- Eintrittsbereich kann die variable Verdichtergeometrie 10 ein verstellbares Vorleitgitter umfassen, welches dem Ver- dichterrad vorgeschaltet ist. Im Verdichterrad- Austrittsbereich kann ein Variodiffusor mit verstellbarem Querschnitt angeordnet sein.

Sämtliche einstellbaren Bauteile der Brennkraftmaschine bzw. der der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregate werden über eine Regel-und Steuereinheit 11 eingestellt.

Die Regel-und Steuereinheit 11 empfängt insbesondere Stellsignale eines Beschleunigungspedales 12, welches vom Fahrer zu betätigen ist, und steuert und regelt die mit Bezugszeichen 13 dargestellte Krafteinspritzung in die Zy- linder der Brennkraftmaschine 1 sowie die aktuelle Positi- on der variablen Turbinengeometrie 9 und der variablen Verdichtergeometrie 10. Die Regelung und Steuerung sämtli- cher Bauteile bzw. Aggregate der Brennkraftmaschine er- folgt in Abhängigkeit von Zustands-und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie der Aggregate, welche der Regel- und Steuereinheit als Informationssignale zugeführt wer- den. Die Regel-und Steuereinheit produziert aus diesen Informationen Stellsignale, die den betreffenden Bauteilen bzw. Aggregaten zugeführt werden.

Um feststellen zu können, ob der Verdichter 5 aktuell in einem Betriebspunkt nahe seiner Pumpgrenze betrieben wird, ist der Verdichter 5 mit einer Messeinrichtung ausgestat- tet, welche Sensoren 14 und 15 umfasst, über die die Strö- mungsgeschwindigkeit des Massenstromes durch den Verdich- ter ermittelt werden kann. Über die Sensoren 14 und 15 ist insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit in der Grenz- schicht des Massenstromes zu einer das Verdichterrad be- grenzenden Wandung des Strömungskanals im Verdichter zu ermitteln. Der erste Sensor 14 ist im Verdichterrad- Eintrittsbereich angeordnet, der zweite Sensor 15 im Ver- dichterrad-Austrittsbereich ; dementsprechend ist über den Sensor 14 die Grenzschicht-Strömungsgeschwindigkeit im Verdichterrad-Eintrittsbereich und über den Sensor 15 die Grenzschicht-Strömungsgeschwindigkeit im Verdichterrad- Austrittsbereich zu detektieren. Die Sensorsignale der Sensoren 14 und 15 werden als Eingangs-bzw. Informations- signale der Regel-und Steuereinheit 11 zugeführt, in wel- cher entsprechend einer hinterlegten Berechnungsvorschrift aus den Sensorsignalen Stellsignale für die Einstellung der variablen Turbinengeometrie 9, der variablen Verdich- tergeometrie 10 und/oder der Kraftstoffeinspritzung 13 ge- neriert werden. Variable Turbinengeometrie, variable Ver- dichtergeometrie sowie Kraftstoffeinspritzung sind über zugeordnete Stelleinrichtungen wie Schieber, Drehschieber oder Kraftstoffinjektoren zu beeinflussen. Über die Ein- stellung der variablen Turbinengeometrie, der variablen Verdichtergeometrie und/oder der Kraftstoffeinspritzung kann der aktuelle Betriebspunkt des Verdichters beein- flusst werden, insbesondere ein ausreichender Abstand zur Pumpgrenze des Verdichters eingehalten werden.

Über die Sensorsignale der Sensoren 14 und 15 kann festge- stellt werden, ob sich der Vektor der Strömungsgeschwin- digkeit in der Grenzschicht umgekehrt hat. Diese Umkehrung der Strömungsgeschwindigkeit in der Grenzschicht deutet darauf hin, dass der Verdichter aktuell in unmittelbarer Nähe zur Pumpgrenze, jedoch noch im zulässigen stabilen Arbeitsbereich betrieben wird. Eine weitere Verschiebung des Arbeitspunktes über die Pumpgrenze hinaus in den in- stabilen Bereich hinein, beispielsweise durch Absenkung des Massenstromes durch den Verdichter, ist jedoch zu ver- meiden, was durch Einstellungen der variablen Verdichter- geometrie, der variablen Turbinengeometrie und/oder der Kraftstoffeinspritzung realisiert werden kann. Über diese Einstellungen ist der Arbeitspunkt des Verdichters im pumpgrenznahen Bereich zu stabilisieren.

Dieser Sachverhalt wird an Hand der Fig. 2 näher beschrie- ben. In Fig. 2 ist im Verdichterrad-Austrittsbereich- stromab des Verdichterrades 17-in einem Variodiffusor 16, über den die verdichtete Luft aus dem Verdichter abzu- leiten ist und der eine variabel einstellbare Quer- schnittsgeometrie besitzt, der Sensor 15 im wandnahen Be- reich zur Messung der Grenzschicht- Strömungsgeschwindigkeit angeordnet. Dargestellt sind vier verschiedenartige Strömungsprofile, welche sich bei unter- schiedlichen Betriebspunkten des Verdichters im Verdich- terrad-Austrittsbereich einstellen.

Ein erstes Strömungsprofil 18a ist durch hohe Strömungs- vektoren in Abströmrichtung gekennzeichnet, welche sich ü- ber den gesamten Querschnitt im Verdichterrad- Austrittsbereich erstrecken. Dieser Arbeitspunkt des Ver- dichters entspricht einem Verdichterbetrieb mit hohen, durch den Verdichter geleiteten Massenströmen und einem hohen Druckverhältnis von Verdichterrad-Austrittsdruck zu Verdichterrad-Eintrittsdruck.

Im Strömungsprofil 18b fallen die Geschwindigkeitsvektoren der Strömung im grenzschichtnahen Bereich ab. Dies ent- spricht einem Verdichterbetrieb mit gegenüber dem Strö- mungsprofil 18a reduzierten Massenstrom.

Das Strömungsprofil 18c entspricht einem Verdichterbetrieb in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze im gerade noch zuläs- sigen, stabilen Bereich. Im Grenzschichtbereich 19 kehren sich die Geschwindigkeitsvektoren der Strömung um, es tritt eine Strömungsumkehr in der Grenzschicht ein, welche als Maßstab für eine drohende Pumpgefahr herangezogen wer- den kann. Diese Strömungsumkehr in der Grenzschicht kann über den Sensor 15 im wandnahen Bereich ermittelt und zur Regel-und Steuereinheit zur weiteren Verarbeitung über- tragen werden, woraufhin stabilisierende Maßnahmen ergrif- fen werden können, insbesondere Eingriffe in die Position der variablen Turbinengeometrie, in die Position der vari- ablen Verdichtergeometrie und in die Kraftstoffeinsprit- zung, um ein weiteres Verschieben des Betriebspunktes des Verdichters in den instabilen Bereich hinein zu vermeiden.

Das Strömungsprofil 18d zeigt einen Verdichterbetrieb im instabilen, unzulässigen Bereich nach dem Überschreiten der Pumpgrenze. Sämtliche Strömungsvektoren des Verdich- terrad-Austrittsquerschnittes haben sich umgekehrt, der Verdichter arbeitet im Pumpbetrieb. Dieser Betrieb kann durch regelnde und stabilisierende Maßnahmen bei Detektie- rung der grenzschichtnahen Strömungsumkehr vermieden wer- den.

Fig. 3 zeigt in einer vergrößerten Darstellung den Vario- diffusor 16 im Verdichterrad-Austrittsbereich mit einem Strömungsprofil 18c bei einem Verdichterbetrieb im pump- grenznahen Bereich, in welchem sich die Strömungsvektoren im Grenzschichtbereich 19 umkehren. Der Sensor 15 liegt mit Abstand Ax zur Wandung des Variodiffusors 16 und er- mittelt den Geschwindigkeitsvektor vs. Der Abstand Ax des Sensors 15 zur benachbarten Wandung ist klein, was den Vorteil bietet, dass bereits zu einem frühen Zeitpunkt ei- ne Strömungsumkehr im Grenzschichtbereich festgestellt werden kann, da sich in unmittelbarer Wandnähe die Strö- mungsumkehr zuerst ausbildet.

Die Geschwindigkeitsvektoren vs, l, vs, 2 und Vs, 3 bezeichnen Geschwindigkeits-Grenzwerte, welche in der Regel-und Steuereinheit abgespeichert sind und die als Sollgrößen für den Vergleich mit dem gemessenen Istwert der grenz- schichtnahen Strömungsgeschwindigkeit vs herangezogen wer- den. Die Geschwindigkeitsvektoren vs, l, vs, 2 und vs, 3 weisen ein unterschiedlich hohes Niveau auf und können zur Auslö- sung unterschiedlicher Folgen herangezogen werden. So ist es beispielsweise möglich, zunächst einen Stelleingriff in der variablen Verdichtergeometrie auszulösen, falls der gemessene Geschwindigkeitsvektor vs den ersten, niedrigs- ten Geschwindigkeits-Grenzwert vs, 1 erreicht. Bei Erreichen des nächsthöheren Geschwindigkeitsgrenzwertes vs, 2 kann zu- sätzlich ein Eingriff in die variable Turbinengeometrie erfolgen, bei Erreichen des dritten, größten Grenzwertes Vs, 3 ein Eingriff in die Kraftstoffeinspritzung. Sämtliche Eingriffe erfolgen derart, dass der Verdichterbetrieb im zulässigen Arbeitsbereich stabilisiert wird.