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Beschreibung

Titel:

Verfahren zum Betreiben einer Strömungsmaschine, Steuergerät, Strömungs maschine sowie Verwendung eines Beschleunigungssensors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch ange triebenen Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An spruchs 1. Bei der Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um einen Verdichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle geforderten Luftmassenstroms handeln.

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 Beschleu nigungssensor vorgeschlagen.

Stand der Technik

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 Aus lass der Strömungsmaschine einher. Die Folge sind Schwingungen des Massen stroms, des Drucks und der Drehzahl. Sofern die Strömungsmaschine der Be reitstellung 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 Be triebspunkt betrieben werden. Dies hat direkte Auswirkungen auf Effizienz, Emis sionen und Verschleiß. Ferner steigt die Belastung im Bereich der Lager der Strömungsmaschine. Es gilt daher ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine zu verhindern. R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543 2

Im Stand der Technik wird bei einer fehlenden Pumpgrenzerkennung üblicher weise ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze eingehalten. Der Sicherheitsab stand 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 Ge genmaßnahmen eingeleitet werden.

Aus der Offenlegungsschrift DE 102008014 681 Al geht beispielhaft ein Verfah ren zur Verhinderung eines Abfallens des Ladedrucks bei einem Turbolader her vor. Bei dem Verfahren wird das Auftreten eines „Pumpens“ des Verdichters überwacht. Im Rahmen der Überwachung wird mit Hilfe mindestens eines Druck sensors der Druck der Luftmassenströmung vor und/oder hinter dem Verdichter gemessen und geprüft, ob der Druckverlauf die Pumpgrenze erreicht. Treten pe riodische Druckschwankungen auf, deuten diese auf einen sogenannten „Rota- ting Stall“ hin, der ein Vorbote des „Pumpens“ ist. In diesem Fall wird bzw. wer den ein Vordrall erzeugt und/oder die Verdichterleistung erhöht, um einem uner wünschten „Pumpen“ des Verdichters vorzeitig entgegenzuwirken.

Beim „Rotating Stall“ kann es bereits zu einer Strömungsablösung an einer Ver dichterradschaufel 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.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Detektion eines Pumpens einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine zu vereinfachen. Ein Pum pen soll dabei sicher erkannt werden, so dass auf die Einhaltung eines Sicher heitsabstands verzichtet werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran- R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543

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Sprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Steuergerät, eine Strömungsma schine und eine Verwendung für einen Beschleunigungssensor angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektromotorisch ange triebenen Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters zur Bereitstel lung 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 Vibrati onen der Strömungsmaschine erfasst. Ferner werden die Messwerte des Be schleunigungssensors mit einem Schwellwert verglichen, der ein Überschreiten der Pumpgrenze erkennen lässt.

Die beim Pumpen einer Strömungsmaschine entstehenden Druckpulsationen übertragen sich auf das Gehäuse der Strömungsmaschine, so dass dieses vi briert. 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 Sicherheitsab stands kann demnach entfallen. Entsprechend kann auch der Betriebsbereich der Strömungsmaschine vergrößert werden. Alternativ kann die Strömungsma schine kleiner ausgelegt werden.

Der Vergleich der Messwerte mit dem Schwellwert wird vorzugsweise mit Hilfe eines Steuergeräts durchgeführt, in dem der mindestens eine Schwellwert hinter legt ist. Je nach Strömungsmaschine kann dieser Wert variieren. Er wird daher bevorzugt vor Inbetriebnahme der Strömungsmaschine ermittelt und im Steuer gerät hinterlegt. Vorzugsweise wird ein der Strömungsmaschine zugeordnetes Steuergerät verwendet. Die Strömungsmaschine inklusive Steuergerät stellt so mit eine autarke Komponente dar. Von einem übergeordneten Steuergerät kann dieser, beispielsweise per CAN, eine Drehzahl oder ein Drehmoment zur Verfü gung gestellt werden. R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543

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Bevorzugt werden die Beschleunigungen der Strömungsmaschine nach Raum achsen 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 gegen seitigen Plausibilisierung genutzt werden.

Daher wird ferner vorgeschlagen, dass ein mehrdimensionaler Beschleunigungs sensor verwendet wird. Zwar ist die Durchführung des Verfahrens auch mit ei nem eindimensionalen Beschleunigungssensor möglich, die Verwendung eines mehrdimensionalen, beispielsweise 2- oder 3-dimensionalen Sensors, erhöht je doch die Genauigkeit der erfassten Messwerte und damit die Genauigkeit des Ergebnisses der Auswertung.

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 ein deutigere Trennung zwischen Nutz- und Rauschsignalen, so dass auf diese Wei se die Genauigkeit des Ergebnisses der Auswertung weiter gesteigert werden kann.

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 ge achtet werden, dass die maximal zulässige Drehzahl nicht überschritten wird.

Bei Überschreiten der Pumpgrenze und/oder bei Verschiebung eines Betriebs punkts der Strömungsmaschine wird vorzugsweise eine entsprechende Informa tion an ein übergeordnetes Steuergerät übermittelt, beispielsweise per CAN- Mitteilung. Mit Hilfe des übergeordneten Steuergeräts kann dann eine Betriebs punktverschiebung 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 R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543

- 5 - neue Betriebspunkt ermöglicht eine Rückkehr der Strömungsmaschine in einen stabilen Betrieb.

In der Regel erhält das der Strömungsmaschine zugeordnete Steuergerät eine Drehzahlvorgabe von einem übergeordneten Steuergerät. Wird von dieser Vor gabe abgewichen, um einen stabilen Betrieb der Strömungsmaschine zu ermög lichen, erfolgt eine entsprechende Mitteilung an das übergeordnete Steuergerät, beispielsweise per CAN-Mitteilung. Das externe Steuergerät bestimmt dann ei nen neuen Betriebspunkt mit reduziertem Druckverhältnis bzw. erhöhter Dreh zahl. Die Abweichung zwischen der, vorzugsweise ebenfalls per CAN, vom ex ternen Steuergerät erhaltenen Solldrehzahl und der vom Steuergerät der Strö mungsmaschine vorgegebenen Drehzahl muss später wieder korrigiert bzw. ab gebaut 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 Dreh zahl auf die geforderte Drehzahl gerampt. Das heißt, dass der Abbau nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich vorgenommen wird.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Steuergerät für eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine, insbesondere für einen Ver dichter zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungsmotor oder einer Brenn stoffzelle geforderten Luftmassenstroms, vorgeschlagen. Dieses ist eingerichtet, Schritte eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere ist in dem Steuergerät ein Schwellwert hinterlegt, der einen Ver gleich mit den Messwerten des Beschleunigungssensors ermöglicht und charak teristisch 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 Steuerge rät, das in Daten übertragene Weise mit dem Steuergerät der Strömungsmaschi ne verbunden ist, eine Betriebspunktverschiebung vorgenommen werden, so dass die Strömungsmaschine in den stabilen Bereich zurückkehrt. R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543 6

Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Steuergerät ist vorzugsweise Teil der Strömungsmaschine oder zumindest an der Strö mungsmaschine 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 be treibbar. Somit können mit Hilfe der Strömungsmaschine die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des Verfahrens erzielt werden. Insbesondere kann das Überschrei ten einer Pumpgrenze detektiert werden, so dass unmittelbar Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Ferner kann der Betriebsbereich der Strömungsma schine vergrößert werden, da bei genauer Kenntnis der Grenze ein Sicherheits abstand verzichtbar ist. Zugleich wird ein erhöhter Bauteilschutz erreicht, insbe sondere wird der Verschleiß in den Lagern der Strömungsmaschine gemindert.

Bei der vorgeschlagenen Strömungsmaschine kann es sich insbesondere um ei nen 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 gelan gen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die vorgeschlagene Strömungsmaschine einen ein- oder mehrdimensionalen, insbesondere 2- oder 3-dimensionalen, Beschleunigungssensor aufweisen. Mit Hilfe eines mehrdimen sionalen Beschleunigungssensors können nach Raumachsen getrennte Mess werte erfasst werden, die eine frühzeitige Erkennung eines Pumpereignisses er möglichen. Ferner kann mit Hilfe der unterschiedlichen Messwerte eine Plausibi lisierung durchgeführt werden.

Der Beschleunigungssensor wird vorzugsweise an einer Stelle der Strömungs maschine 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.

Des Weiteren wird die Verwendung eines Beschleunigungssensors zur Detektion eines Pumpens einer elektromotorisch angetriebenen Strömungsmaschine, ins- R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543

- 7 - besondere eines Verdichters zur Bereitstellung eines von einem Verbrennungs motor 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 Zusam menhang mit der Detektion eines Pumpereignisses. Die Miniaturisierung der heu tigen Sensortechnik ermöglicht eine platzsparende Anordnung des Beschleuni gungssensors an der Strömungsmaschine, so dass der konstruktive Aufwand minimal ist.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Verdichterkennfelds,

Fig. 2 ein Diagramm zur graphischen Darstellung des Druckverlaufs in einer Strömungsmaschine vor, während und nach einem Pumpereignis,

Fig. 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

Fig. 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Beschleunigung analog der Fig. 3 jedoch mit quadrierten Werten.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein typisches Verdichterkennfeld. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck p _out am Verdichterauslass und dem Druck r, _h am Verdich tereinlass über dem Massenstrom m. Des Weiteren sind Linien C dargestellt, ent lang 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 R. 393341 WO 2022/218716 PCT/EP2022/058543 8 der Fig. 1 durch die Linie D definiert ist. Wird der Sicherheitsabstand eingehalten, kann ein „Pumpen“ des Verdichters vermieden werden. Wie aus der Fig. 1 deut lich ersichtlich, engt jedoch der Sicherheitsabstand den Betriebsbereich des Ver dichters ein.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht die Einhaltung des Sicher heitsabstands überwacht, sondern das Überschreiten der Pumpgrenze, so dass der Betriebsbereich vergrößert wird. Denn mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver fahrens kann die Pumpgrenze genau detektiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt hierzu einen Beschleunigungssensor ein. Mit Hilfe des Beschleunigungssensors werden Vibrationen der Strömungsma schine 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.

Wie beispielhaft in der Figur 2 dargestellt, die den Druck p _out 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 kenn zeichnen den Beginn und das Ende des Pumpens.

In der Figur 3 ist der Betrag der Beschleunigung, normiert auf einen gemessenen Maximalwert |a|/ä, über der Zeit eingetragen. Korrespondierend zu Figur 2 wer den im Bereich des Pumpens die größten Werte erzielt. Das Rauschsignal be trägt jedoch teilweise bis zu 60 % des maximalen Nutzsignals.

Zur besseren Trennung zwischen Rausch- und Nutzsignal kann, wie beispielhaft in der Figur 4 dargestellt, das Quadrat der Messwerte gebildet werden, und zwar ebenfalls normiert auf einen gemessenen Maximalwert a ² /ä ² . Das Rauschsignal macht in diesem Fall lediglich 40 % des maximalen Nutzsignals aus.

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, 2022/218716 PCT/EP2022/058543

- 9 - der zuvor ermittelt und in einem der Strömungsmaschine zugeordneten Steuer gerät hinterlegt worden ist.