(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にまたは燃焼機関に圧縮空気流を供給するための圧縮機（２）のサージ限界を識別する方法であって、
前記圧縮機は、電気モータ（３５）によって、かつ前記燃料電池または前記燃焼機関（２１）の排気ガスにより駆動されるタービン（３６）によってさらに駆動され、
調節装置（３４）は、
前記電気モータ（３５）の電力を調整し、
前記圧縮機（２）の動作中に前記調整装置の調節活性を検出し、かつ
前記調節活性が閾値をオーバーシュートする場合、前記圧縮機（２）のサージ限界を識別する、圧縮機（２）のサージ限界を識別する方法。 
【請求項２】
請求項１に記載のサージ限界を防止するために、圧縮機（２）を動作させる前記方法であって、
前記閾値のオーバーシュートに反応して、前記圧縮機（２）の動作状態が前記サージ限界から離れて移動される、圧縮機（２）を動作させる方法。
【請求項３】
前記閾値が動作中に適切な方式で連続的に判定される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値がサージ限界に対するマージンとして判定される、請求項１、２または３に記載の方法。 
【請求項５】
前記圧縮機（２）が前記サージ限界に近い動作状態で動作し、前記閾値のオーバーシュートに対する反応のために、前記サージ限界に到達されない、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記調節活性が、調節振幅（Ａ）及び調節周波数（ｆ）に基づいて、特に、前記調節振幅（Ａ）及び前記調節周波数（ｆ）の乗算によって判定される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記調節活性が調節振幅（Ａ）及び調節周波数（ｆ）に基づいて、特に、一定の周波数範囲（５２）に亘った前記振幅（Ａ）の積分の判定によって判定される、請求項１乃至６の請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
圧縮機（２）用の調節装置（３４）であって、
前記調節装置が請求項１乃至７のいずれか一項に記載の一つ以上の方法を行うためにデザインされる、調節装置（３４）。 
【請求項９】
内燃機関（２１）の機関制御機の一部分または燃料電池の制御機の一部分を形成する、請求項８に記載の調節装置（３４）。
【請求項１０】
前記調節装置が前記圧縮機（２）用または前記圧縮機（２）を有する電気補助型ターボ過給機用の機械的分離及び／または機能的自律制御・調節装置の形態である、請求項８または９に記載の調節装置（３４）。
【請求項１１】
燃料電池にまたは燃焼機関に圧縮空気流を供給するための圧縮機（２）のサージ限界を識別する方法であって、
前記圧縮機は、少なくとも電気モータ（３５）によって駆動され、その電力は、調節装置（３４）によって調整され、
前記調節装置（３４）は、前記圧縮機（２）の動作中に前記調整装置の調節活性を検出し、かつ、
前記調節活性が閾値をオーバーシュートする場合、前記圧縮機（２）のサージ限界が識別され、かつ、
前記調節活性が、調節振幅（Ａ）及び調節周波数（ｆ）に基づいて、特に、前記調節振幅（Ａ）及び前記調節周波数（ｆ）の乗算によって判定され、または、前記調節活性が調節振幅（Ａ）及び調節周波数（ｆ）に基づいて、特に、一定の周波数範囲（５２）に亘った前記振幅（Ａ）の積分の判定によって判定される、圧縮機（２）のサージ限界を識別する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気モータによって駆動される圧縮機のサージ限界を識別する方法、サージ限界に到逹することを防止するために、前記類型の圧縮機を動作させる方法、及び圧縮機用調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動型圧縮機は、燃料電池用の空気供給手段として、燃焼機関用電動型の補助圧縮機として、且つ、電気モータが少なくともロータセットの圧縮機部を駆動及び／または補助することができるターボ過給機の部分として、使用され得る。ターボ過給機上の前記類型の電気モータは、さらに、発電機として動作することもでき、このために、排気ガスターボ過給機の排気ガスタービンに接続される。
【０００３】
従来技術において、ＥＰ  １  ３４２  ８９５  Ａ２には、摩耗、潤滑不足、または他の損傷を検出することができる制御・調節装置を備えた電動型圧縮機が開示されている。このような診断は、数学的圧縮機モデルに基づいて行われる。前記モデルにおいて、前記モータによって引き出される電力に対して、且つ、電気モータによって発生される計算された電力に対して現実にあり得ない値が検出される場合には、欠陥状態が存在することと推定される。前記の診断は、さらに、圧縮機の回転加速度または回転速度に基づいて行われることもでき、ここで、前記モデルにおける不一致が同様に考慮される。この技術は、特にゆっくり起こる欠陷、例えば、摩耗またはオイル状態の遅い劣化などの診断のために使用され得る。しかし、これと対照的に、突然起こる問題がまた圧縮機を損傷させることもできる。これは、特に、圧縮機がそのサージ限界で動作するときの場合である。
【発明の概要】
【０００４】
これと対照的に、本発明の目的は、圧縮機の確実な動作を可能にする方法、及び調節ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的は、独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な改良に関し、ここで、前記従属請求項は、技術的に適合した方式で互いに組合され得る。
【０００６】
従って、  本発明は、圧縮機のサージ限界を識別する方法において、前記圧縮機が少なくとも電気モータによって駆動され、電気モータの電力が調節装置によって調節され、前記調節装置は、圧縮機の動作中に調節活性（ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ  ａｃｔｉｖｉｔｙ）を検出し、前記圧縮機のサージ限界は、調節活性、または調節活性の変化が閾値をオーバーシュートするかを識別する、圧縮機のサージ限界を識別する方法を提供する。
【０００７】
本発明によれば、前記圧縮機の動作状態がサージ限界近傍に移動するとか、サージ限界に到逹するときに前記調節機が調節活性増加を示すという事実が用いられる。これは圧縮機が損傷を受けないようにサージ限界を判定し、及び／または圧縮機を調節するのに利用することができる。
【０００８】
前記調節機は、例えば、ＰＩ調節機、またはＰＩＤ調節機として具現され得る。電力調節の場合に、前記ＰＩ、またはＰＩＤ調節は、圧縮機の特定の体積流量、特定の圧力または特定の回転速度の達成に関係することができる。前記圧縮機を駆動する電気モータの電力、出力トルクまたは回転速度は、調節の制御変数として設定され得る。
【０００９】
閾値に到達されたとき、閾値のオーバーシュートに反応して、圧縮機の動作状態または圧縮機の動作点が、最も単純な場合には、単純な電力減少によって、そうでないと、圧縮機の領域の変化によってサージ限界から離れて移動され得る。
【００１０】
一つの改良例において、前記閾値は、サージ限界の識別結果に基づいて動作中に適切な方式で連続的に判定される。
【００１１】
一つの改良例において、前記閾値は、サージ限界に対するマージンとして判定される。
【００１２】
前記方法は、圧縮機の動作中に常に使用されてもよくまたは圧縮機がサージ限界に近い動作状態で動作する動作状態のみに使用されてもよく、また、前記サージ限界は、閾値のオーバーシュートに対する反応に因って回避され得る。このように、前記方法は、必要に応じて実施され得る。
【００１３】
一つの改良例において、前記調節活性は、調節振幅及び調節周波数に基づいて、特に、調節振幅及び調節周波数の乗算によって判定される。このように、一つの非常に単純な処理動作に応じて、現在時間の間に調節活性を判定して閾値と比較することができる。
【００１４】
代替的または追加的な改良例において、前記調節活性は、調節振幅及び調節周波数に基づいて、特に、一定の周波数範囲に亘った振幅の積分の判定によって判定される。このように、領域（積分）は、調節活性の叙述的値として判定され、対応する叙述的閾値と比較され得る。
【００１５】
本発明の更なる態様では、圧縮機用の調節装置が提案され、前記調節装置によって前述した方法のいずれか、またはその実施形態が行われる。特に、前記調節装置は、前述した方法のいずれかが行われるデジタル処理ユニットを含む。
【００１６】
前記類型の調節装置は、内燃機関の機関制御機の一部分として、または燃料電池の調節機・制御機の一部分として形成され得る。前記調節装置は、また、電動型燃料電池車両の車両調節機・制御機の一部分であるかも知れない。このような統合は、ケーブル設置費用を節減し、圧縮機及びその調節機・制御機から構成されたシステムのコンパクトな構成を可能にする。代替的に、前記調節装置は、また、特に、圧縮機、またはターボ過給機上に配列される機械的分離及び／または機能的自律デバイスの形態であり得る。一つの変形例において、前記調節装置は、追加的に圧縮機またはターボ過給機に関する機能を行うことができる。
【００１７】
サージングまたはサージングの始まりを識別する方法は、また、電気補助型または駆動型圧縮機の調節のための既存の調節装置に追加的に機械の読み込み可能なプログラムで行うことができる。
【００１８】
本発明の追加詳細、利点及び特徴は、図面を参照して、次の例示的な実施形態の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】圧縮機の例示的な特性マップを示す。
【図２】燃焼機関の領域内の電気駆動による圧縮機の例示的な設置状況を示す。
【図３】電気モータによって駆動される圧縮機を制御するために、調節装置内にプログラミング技術の観点で具現され得るフローダイヤグラムを概略的に示す。
【図４ａ】一例として、サージ限界に到達される直前の調節活性または強度の振幅対周波数を描くダイヤグラムを示す。
【図４ｂ】一例として、サージ限界に到達される場合のダイヤグラムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、一例として、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｍａｙｅｒ及び  Ｇｕｎｔｅｒ  Ｋｒａｍｅｒの刊行物（‘‘Ａｂｇａｓｔｕｒｂｏｌａｄｅｒ’’  ［‘‘Ｅｘｈａｕｓｔ−ｇａｓ  ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒｓ’’］  Ｓｕｄｄｅｕｔｓｃｈｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ  ｏｎｐａｃｔ  ＧｍｂＨ、  ８１６７７  Ｍｕｎｉｃｈ、  ＩＳＢＮ  ９７８−３−８６−２３６−０２６−０）からの抄録に基づいた圧縮機の特性マップを示している。前記特性マップは、圧縮機２の圧力比対体積流量のダイヤグラムである。サージ限界１００は、特性マップにラインとして示されている。圧縮機２の許容可能な動作範囲は、特性マップでサージ限界１００の右側に位置している。等しい回転速度のライン１０１などが特性マップに作図されている。これらは、どのような圧力比が特定の体積流量の場合に圧縮機２の特定の回転速度で達成されるかを示している。一定の体積流量に対して、圧力比は、圧縮機２の回転速度に伴って増加する。また、特性マップには、等しい効率のライン１０２などが作図されている。下流の内燃機関または下流の燃料電池の動作に関する理由のために、体積流量がサージ限界１００に向かって減少する場合があり得る。効率の劣化に伴って、圧縮機２の圧縮機ホイールブレードからの流れの部分的な分離が起こりうる。サージ限界１００で、前記分離が非常に激しくなってガス供給動作が中断される。圧縮機が体積流量または回転速度または圧縮機による圧力発生を補償する調節機を備える場合、調節反応は、許容可能な範囲内であるが、サージ限界の近傍での偏差を補償することができる。サージ限界に到達される直前に、サージングの始りが既に比較的激しい調節活性をもたらす不安定な領域が存在する。しかし、サージ限界１００に到達されたときには、サージングが非常に激しくなって前記調節が偏差をこれ以上補償することができない。流れ条件の急激な変化が起こって、圧縮機２のロータ上に大きな力が印加されることをもたらすことができる。この場合、圧縮機２またはそれに接続された電気モータ３５の軸方向軸受が損傷を受け得る。しかし、サージ限界１００は、調節振幅に基づいて識別され得る。また、サージ限界は、実際にサージ限界に到達される前に予め識別されることもできる。この場合、調節活性の増加は、一般に流れ分離条件を変更することによって生じる。これらは、サージ限界１００その自体に到達される前に識別され得る。一例として、サージ限界に対する接近１０３が矢印で示されている。調節活性がサージ限界の閾値または閾値をオーバーシュートする動作点１０４に到達される。特に、閾値のオーバーシュートの場合、例えば、この目的のために提供された調節アルゴリズムのような対策が開示されることができ、これにより、圧縮機２またはその駆動に対する損傷が防止されることができ、これは、またサージ限界の閾値に対して考慮され得る。従って、増加された調節活性がサージ限界またはそれに対する接近の識別のために、且つ、圧縮機２の動作中に損傷の防止のために利用され得る。この目的のために、サージ限界１００またはそれに対する接近がより激しい調節機活性によって識別されると、動作点が不安定な領域から、及びサージ限界１００から許容可能な領域の方向へ���らに離れて移動される場合が存在するのが好ましい。
【００２１】
図２は、例えば、内燃機関または燃料電池形態の燃焼機関２１の単純化された模式図である。燃焼機関２１は、過給装置１の圧縮機２が配列される吸気ライン２２を有し、前記圧縮機は、電気モータ３５によって駆動される。給気冷却器２３は、吸気ライン２２において、圧縮機２の下流に配列され得る。圧縮機２からの矢印によって象徴される空気質量流れｍＬが内燃機関または燃料電池であることができる燃焼機関２１に供給される。
【００２２】
また、図２に示したように、過給装置１には、モータ制御のために、且つ、電気エネルギーを電気モータ３５に供給するために、調節装置３４が設けられる。前記調節装置３４及び電源ユニットは、ブロックによって図２に模式的に単純化された形態で象徴されている。従って、調節装置３４は、実施形態によって、過給装置１の外側または内部で適切な位置に配列される。排気ガス質量流れｍＡは、タービン３６を介して案内され、その後に、排気ガス出口２６に供給される。タービン３６は、圧縮機２をさらに駆動するために、電力送信方式で圧縮機２へ接続され得る。従って、サージ限界を回避するために、電気モータ３５が発電機モードで動作され、制動作用を発生させることによってサージングを防止することもできる。
【００２３】
圧縮機２は、電気モータ３５に接続され、これによって圧縮機２が駆動され得る。モータ制御及びエネルギー供給のための調節装置３４は、電気モータ３５を調節し、電気モータ３５に電力を供給する調節機（図示せず）を含む。この場合、調節活性は、特に図４ａ及び図４ｂに応じる異なる周波数の存在下に、例えば、設定値と実際値との間の多数の偏差に基づいて、調節装置３４によって検出され得る。一つの改良例において、接近するサージ限界に到達されているという事実は、また、本体電波音及び空気電波音の音響的に認知可能な振幅を介して推論されることもできる。
【００２４】
図示されない方式で、調節装置３４は、マイクロプロセッサ及びメモリユニットを有することができ、また、電力電子機器を調節するように設計され得る。マイクロプロセッサでは、電力電子機器を調節し、本明細書で記述される方法を実施する目的で、メモリユニット上に格納されたプログラムを読み出して処理するように設計され得る。
【００２５】
図３は、電気モータ３５を調節する目的で調節装置３４に具現され得る単純なフローダイヤグラムを示している。開始４１の次に、調節活性の強度及び／または周波数の範囲に亘った振幅の積分値に関する質問を含むステップ４２が続く。比較４３では、調節周波数と調節活性との積が閾値よりも大きいか否かを質問する。閾値は、可変的である可能性があり、また、実際に初めてサージ限界に到達されたときにのみ別の時間の間に固定され得る。‘‘Ｙ’’とラベル付いた矢印で示されたように、質問４３に対する回答が‘‘ｙｅｓ’’である場合、電気モータ３５での電力出力は、例えば、回転速度の減少によってステップ４５で減少される。また、部分の他の尺度、  例えば、空気質量流れｍＬの増加がサージ限界に近い領域から逸脱するために具現され得ることも自明である。‘‘Ｎ’’とラベル付いた矢印で示されたように、質問４３に対する回答が‘‘ｎｏ’’である場合、電気モータ３５での電力出力は、現在の基本設定から変化されない。ステップ４６において、前記方法が終了され、その結果、開始４１へ再び戻ることができる。前記方法は、電気モータ３５を制御するために、調節装置３４で連続的に実行されてもよく、必要な場合に、できるだけサージ限界に近く動作することができる。
【００２６】
図４ａは、例として、サージ限界に到達される直前の調節活性の振幅Ａ対周波数ｆを作図したものを示している。振幅の増加は、低周波数の範囲で見せられることができる。図４ｂは、サージ限界をオーバーシュートした場合の振幅対周波数を示している。特定の周波数では、振幅のスパイク５１が存在し、これは、また、特徴的なトンとして音響的に認知されることもできる。積分Ｉを判定することによって、周波数範囲の調節活性が検出され得る。この場合、閾値は、また、図４ｂに示された状態に直面しないように動作の間に調整され得る。
【符号の説明】
【００２７】
１    過給装置
２    圧縮機
３    圧縮機ハウジング
４    圧縮機ハウジング入口
５    圧縮機ハウジング出口
２１    燃焼機関
２２    吸気ライン
２３    給気冷却器
２６    排気ライン
２７    排気ガス出口
２９    排気ガス冷却器
３０    空気フィルター
３４    調節装置
３５    電気モータ
３６    タービン
４１    開始
４２    調節活性の検出
４３    比較
４４    ステップ
４５    ステップ
４６    終了
５１    スパイク
５２    周波数範囲
１００    サージ限界
１０１    等しい回転速度のライン
１０２    等しい効率のライン
１０３    動作状態のサージ限界に対する接近
１０４    サージ限界に近い動作点
Ａ    振幅
ｆ    周波数
ｍＬ    空気質量流れ
【図１】
0006741583.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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