(57)【要約】【課題】本願発明の目的は、ターボエンジンによってガスの特性を決定するための方法を提供することである。【解決手段】ターボエンジンによってガスの特性を決定するための方法であって、（ａ）ガスの特性に対する値（Ｍ）を設定するステップと、（ｂ）設定された値（Ｍ）に基づいてエンジン特性マップを選択するステップと、（ｃ）ターボエンジンの動作点を確定する第一のパラメータ（Δｈ）と第二のパラメータ（ｎ）とを決定するステップと、（ｄ）該パラメータ（Δｈ，ｎ）とエンジン特性マップとに基づいてエンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）を決定するステップと、（ｅ）計算されたパラメータ（Ｖｆ）を決定するステップと、（ｆ）パラメータ（Ｖｋ）をパラメータ（Ｖｆ）と比較するステップと、（ｇ）新しい値（Ｍ）を、該パラメータ（Ｖｋ，Ｖｆ）との比較に基づいて設定するステップと、を備え、ステップ（ｂ）から（ｇ）までを反復する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボエンジン、特にターボコンプレッサによってガスの特性を決定するための方法であって、当該方法は
（ａ）ガスの特性に対する値（Ｍ）を設定するステップと、
（ｂ）前記ガスの前記特性に対して設定された前記値（Ｍ）に基づいてエンジン特性マップを選択するステップと、
（ｃ）前記エンジン特性マップにおける前記ターボエンジンの動作点を確定する第一のパラメータ（Δｈ）と第二のパラメータ（ｎ）とを決定するステップと、
（ｄ）前記第一および第二のパラメータ（Δｈ，ｎ）と、前記エンジン特性マップとに基づいてエンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）を決定するステップと、
（ｅ）計算されたパラメータ（Ｖｆ）を決定するステップと、
（ｆ）前記エンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）と前記計算されたパラメータ（Ｖｆ）を比較するステップと、
（ｇ）前記ガスの前記特性に対する新しい値（Ｍ）を、前記計算されたパラメータと前記エンジン特性マップ・パラメータとの前記比較に基づいて設定するステップと、を備えるとともに前記ステップ（ｂ）から（ｇ）までを反復する方法。
【請求項２】
前記第一のパラメータ（Δｈ）と前記第二のパラメータおよび／または前記計算されたパラメータ（Ｖｆ）とは、前記ガスの前記特性に依存する値（Ｒ，κ，ｚ）に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｃ）において、前記第一のパラメータ（Δｈ）および／または前記第二のパラメータが、ステップ（ｄ）において前記エンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）が、および／あるいはステップ（ｅ）において前記計算されたパラメータ（Ｖｆ）が、測定値と参照値との比較（Ｔｅ／Ｔ０，ｐｅ／ｐ０）に基づいて補正されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記測定値と前記参照値とは、前記ターボエンジンへの流入温度（Ｔｅ）および／または前記ターボエンジンの前の流入圧力（ｐｅ）を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ガスの前記特性は、前記ガスの分子量（Ｍ）と、前記ガスの固有のガス定数（Ｒ）と、前記ガスの等エントロピー指数（κ）および／または前記ガスの圧縮性指数（ｚ）と、を含んでいることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第一のパラメータは、前記ターボエンジンに関するエンタルピー差（Δｈ）を含んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記エンタルピー差（Δｈ）は、ステップ（ｃ）において前記ターボエンジンへの流入温度（Ｔｅ）と、前記ターボエンジンの前の流入圧力（ｐｅ）と、前記ターボエンジンの後の流出圧力（ｐａ）と、固有のガス定数（Ｒ）と、等エントロピー指数（κ）および／または圧縮性指数（ｚ）と、に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第二のパラメータは、前記ターボエンジンの回転数（ｎ）と、ガイド翼の位置および／または吸気インダクタ・アーマチャの位置と、を含んでいることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記エンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）と前記計算されたパラメータ（Ｖｆ）とは、前記ターボエンジンの吸気体積流量（Ｖ）を含んでいることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記計算されたパラメータ（Ｖｆ）は、ステップ（ｅ）において前記ターボエンジンへの流入温度（Ｔｅ）と、前記ターボエンジンの前の流入圧力（ｐｅ）と、固有のガス定数（Ｒ）と、体積流量測定装置、特に体積流量測定オリフィスを介しての圧力差（Δｐ）および／または圧縮性指数（ｚ）と、に基づいて決定されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｆ）において、エンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）と計算されたパラメータ（Ｖｆ）との差が設定された反復限界値より小さくなるまで、前記ステップ（ｂ）から（ｇ）までが反復されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ターボエンジンの運転中に前記ステップ（ｂ）から（ｇ）までが周期的に反復されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
値、特に前記エンジン特性マップ・パラメータ（Ｖｋ）、等エントロピー指数（κ）および／または圧縮性指数（ｚ）は、表からの補間によって決定されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記エンジン特性マップは、ステップ（ｂ）において補間によって決定されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
コンピュータ・プログラムであって、該コンピュータ・プログラムは、コンピュータにおいて進行するとき、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法を実行するコンピュータ・プログラム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコンピュータ・プログラムが格納されているデータ記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボエンジンによってガスの特性を決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボエンジンは、エンジン特性マップによって表すことができる。当該エンジン特性マップは、個々のエンジンの動作点を通って広がっている。例えば、ターボコンプレッサの場合、所定の圧縮比において所定の体積流量が調整される。当該コンプレッサが回転数と、ガイド翼の位置と、吸気インダクタ（Saugdrosselstellung）の位置とを一定に保った状態で、別の圧縮比で運転されると、動作点は特性曲線に拡大する。回転数または吸気インダクタの位置を変化させること、またはガイド翼を調整することによってさらなる特性曲線が生じ、当該特性曲線は共同でエンジン特性マップを成立させる。
【０００３】
回転数、吸気インダクタ調整、および／またはガイド翼の位置という操作変数を変化させることによって、エンジン特性マップにおいて異なる動作点を始動させることができる。特にサージリミット制御を相応の制御介入によって行うことによって、ターボコンプレッサのサージラインまでの距離を十分に取りながら運転することが保証される。
【０００４】
しかしながら、エンジン特性マップは、ターボエンジンを通過して流れるガスの特性、例えば当該ガスの分子量またはモル質量、当該ガスの流入温度および当該ガスの流入圧力に依存している。ターボエンジンがガスによって作動し、当該ガスの特性が使用されるエンジン特性マップの特性と異なる場合、特に、当該使用されるエンジン特性マップに基づく制御の誤動作につながる恐れがある。
【０００５】
従って、特許文献１は、ターボコンプレッサのサージリミット制御に関して揚程高さと吸気体積流量とを計算によって特定することを提案している。このとき、ガス定数、等エントロピー指数、圧縮性指数に関して搬送ガスの標準組成の値が基本として用いられる。その後、当該標準組成のためのエンジン特性マップから、計算による回転数が得られ、当該計算による回転数と実際に測定されたエンジンの回転数とが比較される。計算による回転数と実際に測定された回転数との差から、サージリミット制御部のための補正値が計算される。このように、流入温度と流入圧力とモル質量とに依存している実際のエンジン特性マップとは、異なるエンジン特性マップが意識的に基本とされ、制御部に対して補正部が後置され、それによって差の補償が行われる。
【０００６】
これに対して、特許文献２および特許文献３は、普遍的なサージラインに基づいてサージリミット制御を行っている。当該普遍的なサージラインは、異なる特性もしくは異なるエンジン特性マップを備えるガスに対して好適である。
【０００７】
特許文献４は、搬送ガスの分子量を、実際の流量値および揚程高さの値と、マッピングされた仮想の流量値および揚程高さの値との関数として計算することを提案している。
【０００８】
特許文献５は、分子量を決定するための反復プロセスを提案している。当該反復プロセスにおいて分子量は、計算された排気圧と測定された排気圧との比から概算される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第３５４４８２２号明細書
【特許文献２】欧州特許第１４５００４６号明細書
【特許文献３】米国特許第５１９５８７５号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／００６２６７９号明細書
【特許文献５】米国特許第４８２５３８０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、ターボエンジンによってガスの特性を決定するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題は、請求項１に記載の特徴を備える方法によって解決される。従属請求項は、有利なさらなる形成に関する。
【００１２】
本発明は、以下の認識に基づいている。すなわち、エンジン特性マップにおける動作点の位置は、すでに二つのパラメータによって一義的に決定されているので、当該系は第三のパラメータによって過剰決定された状態になる。このような過剰決定を利用して、未知の値を決定する。このとき、異なるエンジン特性マップを反復的に使用することによって、エンジン特性マップが求められるガスの特性に依存していることに配慮がなされる。
【００１３】
初期設定に際してはまず、求められるガスの特性に対する初期値、例えばガスの分子量または当該分子量を決定するガスの組成が設定される。
【００１４】
個々の反復サイクルにおいて、記憶装置に格納された複数のエンジン特性マップの一つが、ガスの特性に対する設定値に基づいて選択される。このとき、第一の反復ステップにおける初期値の設定および／またはエンジン特性マップの選択は、対応する記憶装置の場所をデフォルト設定することによって実現されていてもよい。ガスの特性を示す値に対してエンジン特性マップが格納されていない場合は、好適に、二つのエンジン特性マップの間で特に線形の補間が行われる。ガスの特性の異なる値、例えば異なる分子量に対するエンジン特性マップは、例えば表、度数分布多角形群、関数演算または関係演算などとして保存されていてよく、このために特にあらかじめ個々の特性を備えるガスを用いた測定から、経験的に検出され得る。
【００１５】
反復サイクルにおいて、例えばターボエンジンに関するエンタルピー差または揚程高さなどの第一のパラメータと、例えば回転数が可変であるターボエンジンの回転数、調整可能な前方ガイド翼および／または後方ガイド翼を備えるターボエンジンのガイド翼の位置あるいは吸気インダクタを備えるターボエンジンの吸気インダクタ・アーマチャの位置などの第二のパラメータと、が決定され、これらのパラメータは、エンジン特性マップにおけるターボエンジンの動作点を確定する。
【００１６】
エンタルピー差Δｈは特に、好ましくは測定されたターボエンジン内への流入温度Ｔｅと、好ましくは測定されたターボエンジンの前の流入圧力ｐｅと、好適に測定されたターボエンジンの後の流出圧力ｐａと、固有のガス定数Ｒと、分子量に依存し得る等エントロピー指数κおよび／または圧縮性指数ｚとに基づいて、特に以下の式あるいは当該式に対する近似により決定され得る。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
エンジン特性マップ・パラメータ、例えばターボエンジンの吸気体積流量は第一のパラメータおよび第二のパラメータに基づいて当該エンジン特性マップから決定される。当該第一のパラメータおよび第二のパラメータによって特定された動作点が、記憶装置に格納されたエンジン特性マップの特性曲線上にない場合、好適に特に線形の補間が行われる。
【００１９】
反復サイクルにおいては、エンジン特性マップ・パラメータの計算値も決定され、エンジン特性マップ・パラメータは、当該計算されたパラメータと比較される。
【００２０】
計算されたパラメータがターボエンジンの吸気体積流量Ｖｆであるとき、当該吸気体積流量は、ターボエンジン内への流入温度と、ターボエンジンの前の流入圧力と、固有のガス定数と、圧縮性指数と、体積流量測定装置、特に体積流量測定オリフィスを介しての圧力差Δｐとに基づいて、特に以下の式により決定され得る。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
式（２）において、ｃは、定数を表す。反復サイクルにおいて今度は、ガスの特性を表す新たな値が、計算されたパラメータとエンジン特性マップ・パラメータとの比較に基づいて設定される。例えば、記憶装置に格納された分子量は、選択されたエンジン特性マップのベースとされ、好ましくは用いられた固有のガス定数と、圧縮性指数および／または用いられた等エントロピー指数とに対するベースにもされたが、当該分子量は設定された増分または前記比較に依存する増分だけ、増大または減少され得る。
【００２３】
続いて、ガスの特性を示す前記の変化された値を用いて新たな反復サイクルが実施されるが、当該変化された値によって、選択されたエンジン特性マップは変化し、好適には第一のパラメータと、第二のパラメータおよび／または計算されたパラメータも変化する。
【００２４】
以上のプロセスは、エンジン特性マップ・パラメータと計算されたパラメータとの差が設定された反復限界値または終了値よりも小さくなるまで反復される。好適に当該反復はターボエンジンの運転中に周期的に反復され、それによって、ガス組成の変化およびそれとともに決定すべきガスの特性、たとえばガスの分子量などの変化を認識する。
【００２５】
好適な実施の形態において、第一のパラメータと、第二のパラメータおよび／またはエンジン特性マップ・パラメータは、測定値と参照値との比較に基づいて補正される。エンジン特性マップは特に、流入温度と流入圧力とに依存している。この点については、例えば、第一のパラメータとエンジン特性マップ・パラメータがそれぞれ補正因子を用いて補正され、例えば乗算されることによって配慮することができる。当該補正因子は、測定された流入温度もしくは測定された流入圧力と、エンジン特性マップが作成された対象である流入温度もしくは流入圧力との比に関して表から得られる。
【００２６】
さらなる有利点および特徴は、従属請求項および実施の形態に記載されている。当該実施の形態に関しては、唯一の図に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態による方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、ターボコンプレッサを用いて搬送ガスの分子量およびそれとともに当該搬送ガスの組成を決定するための方法のプロセスを概略的に示している。
【００２９】
初期設定を行うために、ステップ（ａ）において分子量Ｍのためのディスク・スペースがデフォルト値または初期値Ｍ０で設定される。
【００３０】
当該分子量に基づいてステップ（ｂ）において、異なる分子量Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に対して度数分布多角形または関数発生器として格納されている複数のエンジン特性マップの一つが選択される。分子量に対してエンジン特性マップが格納されていない場合は、格納されている二つのエンジン特性マップの間で補間が行われてよい。
【００３１】
好適に固有のガス定数Ｒと、等エントロピー指数κおよび／または圧縮性指数ｚに関する値も分子量に関する値Ｍに基づいて設定される。等エントロピー指数または圧縮性指数が近似的に一定であると見なせる場合は、不変かつ一定の値を用いることもできる。
【００３２】
ステップ（ｃ）および（ｅ）において第一のパラメータとしてのエンタルピー差Δｈと、計算されたパラメータとしての吸気体積流量Ｖｆとが、式（１）及び式（２）に応じて、分子量に関する値Ｍに基づいて設定された固有のガス定数Ｒと、等エントロピー指数κと、圧縮性指数ｚとを用いて決定され、ターボエンジン内への流入温度Ｔｅと、ターボエンジンの前の流入圧力ｐｅと、ターボエンジンの後の流出圧力ｐａと、体積流量測定オリフィスを介しての圧力差Δｐに対する測定値が決定される。
【００３３】
このように決定されたエンタルピー差Δｈはその後、補正因子Ｋｐ，ＫＴを掛けられる。当該補正因子は、表から得られ、当該表において、以下の数式（３）に示すような、測定された流入温度Ｔｅとエンジン特性マップが作成された参照温度Ｔ０との個々の比に対する補正因子、もしくは以下の数式（４）に示すような、測定された流入圧力ｐｅとエンジン特性マップが作成された参照圧力ｐ０との個々の比に対する補正因子が格納されており、それによって、エンジン特性マップが吸収もしくは流入温度および吸収もしくは流入圧力から受ける影響が考慮される。
【００３４】
【数３】
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【００３５】
【数４】
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【００３６】
ステップ（ｄ）において、前記のように補正されたエンタルピー差Δｈと、分子量Ｍに対して選択されたエンジン特性マップにおける第二のパラメータとしてのターボコンプレッサの測定された回転数ｎとから、エンジン特性マップ・パラメータとしての吸気体積流量Ｖｋが決定される。点線もしくは一点鎖線によって示されるように、このとき度数分布多角形の形で格納されているエンジン特性マップにおいて、一定の回転数ｎ１，ｎ２に対する二つの特性曲線の間で、測定された回転数ｎに対して補間が行われる。
【００３７】
エンタルピー差Δｈに対するのと同様に、エンジン特性マップから決定された吸気体積流量Ｖｋにもその後、補正因子Ｋｐ'，ＫＴ’が掛けられる。当該補正因子は、表から得られ、当該表において、以下の数式（５）に示すような、測定された流入温度と参照温度Ｔ０との個々の比、もしくは流入圧力と参照圧力ｐ０との個々の比に対する補正因子が格納されており、それによってエンジン特性マップが吸気もしくは流入温度および吸気もしくは流入圧力から受ける影響が考慮される。
【００３８】
【数５】
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【００３９】
代替的に、吸気体積流量に対する計算値Ｖｆをこのような補正因子を用いて補正することもできる。
【００４０】
ステップ（ｆ）において、エンジン特性マップ・パラメータＶｋは、計算されたパラメータＶｆと比較される。ステップ（ｇ）において、分子量に関して格納された値Ｍは、計算されたパラメータとエンジン特性マップ・パラメータとの間の差ΔＶ＝Ｖｋ−Ｖｆに応じてインクリメントされ、当該インクリメントは、新しい値Ｍ→Ｍ＋ΔＭ（ΔＶ）が分子量のためのディスク・スペースに格納されることによって行われる。
【００４１】
以上で反復サイクルは終了し、当該反復サイクルの後に格納されている、分子量に対する値Ｍは、実際の値に近似しており、当該実際の値に関してプロセス（ｆ）においては、計算誤差および表の誤差を除いて、それ以上の偏差は生じないものと思われる。
【００４２】
分子量に対するこの新しい値Ｍを用いてその後、新たな反復サイクルが開始され得る。当該新たな反復サイクルにおいては、まずステップ（ｂ）において、当該新しい値に基づいてエンジン特性マップが選択され、好適に固有のガス定数Ｒと、等エントロピー指数κおよび圧縮性指数ｚに関する値が設定される。
【００４３】
このような反復は、好適にターボコンプレッサの運転全てにわたって実施される。このとき、分子量に対する値Ｍは、真の値に逐次近似する。分子量が、例えば搬送ガスの組成における変化ゆえに変化すると、値Ｍは、後続の反復においてこの新たな分子量に近似し、それによって、例えばサージリミット制御装置は常に正しい分子量に基づいて運転され、あるいは分子量が表示され、それによってガス組成の変化が検出され得る。
【符号の説明】
【００４４】
Δｈ  エンタルピー差、揚程高さ
ＫＴ，Ｋｐ  補正因子
ＫＴ’，Ｋｐ’  補正因子
κ  等エントロピー指数
Ｍ  分子量
ｎ  回転数
ｐ０  参照圧力
ｐａ  流出圧力
ｐｅ  流入圧力
Δｐ  測定オリフィスを介しての圧力差
Ｒ  ガス定数
Ｔ０  参照温度
Ｔｅ  流入温度
Ｖｆ  計算されたパラメータ（吸気体積流量）
Ｖｋ  エンジン特性マップ・パラメータ（吸気体積流量）
ｚ  圧縮性指数
【図１】
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