DE102008008523B4

DE102008008523B4 - Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines Blockheizkraftwerks

Info

Publication number: DE102008008523B4
Application number: DE102008008523.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Noll
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: AT504934B1; DE102008008523A1; AT504934A1

Abstract

Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetrieben Blockheizkraftwerks (1) mit einem Temperaturfühler (4), welcher auf der Höhe des Mindestfüllstandes in einer Ölwanne (3) eines Verbrennungsmotors (6) des Blockheizkraftwerks (1) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Start oder dem Abschalten des Verbrennungsmotors (6) der Wert ΔT/Δt anhand einer Differenz ΔT zwischen zwei am Temperaturfühler (4) gemessenen Temperaturen während eines Zeitraums Δt bestimmt wird und in dem Fall, dass der Absolutbetrag des Wertes ΔT/Δt einen bestimmten Grenzwert (ΔT/Δt)Grenzüberschreitet, ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetriebenen Blockheizkraftwerks.
Blockheizkraftwerke funktionieren nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung, d.h. ein Gas-Verbrennungsmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Dieser wandelt die mechanische Energie des Motors in elektrische Energie um. Die dabei entstehende Abwärme wird über einen Plattenwärmetauscher zur Heizung und Warmwasserbereitung weitergeleitet. Über die stufenlose Anpassung der Motordrehzahl arbeitet das Gerät immer bedarfsgerecht, ermöglicht längere Betriebszeiten und eine hohe Stromproduktion. Um eventuelle Folgeschäden am Motor aufgrund eines zu geringen Ölstandes zu vermeiden, ist eine Überwachung des aktuellen Ölstands erforderlich. Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt eine solche Ölstandsüberwachung mittels Ölniveauschalter, die über Alarmkontakte einen minimalen Ölstand signalisieren.
Nachteilig an diese Überwachung ist die Benutzung mechanischer Teile, die ausfallen und somit höheren Kosten verursachen können.
Die JP H05-312619 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung mit einem Temperaturfühler auf der Höhe des Minimalstandes. Sinkt der Ölstand unter die zulässige Minimalhöhe, so ändert sich der Widerstand des Temperaturfühlers schlagartig. Hierdurch kann während des Betriebs das Unterschreiten des zulässigen Minimalstandes erkannt werden. Auch die JP H06-307912 A offenbart ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung mit einem Temperaturfühler. Der Temperaturfühler wird mit einem anderen Widerstand in Reihe mit einer Spannungsquelle verbunden. Hierbei agiert der Temperaturfühler temperaturabhängig und somit widerstandsabhängig als Heizer. Die Temperatur des Fühlers ändert sich in Luft unterschiedlich zum Verhalten in Öl. Erreicht der Fühler eine hohe Absoluttemperatur, so muss der Fühler oberhalb des Ölspiegels sein. Diese Verfahren setzten somit das Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Absolutwertes voraus.
Die Druckschrift JP S60-165518 A offenbart ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung mit einem Temperaturfühler. Beim Start wird das Signal des Temperaturfühlers erfasst und gespeichert. Nach einer bestimmten Zeit wird das Signal wieder erfasst. Der Temperaturfühler befindet sich stets im Öl, d.h. auf jeden Fall unterhalb der Minimumlinie. Es wird ein Integral des Signalwertes über einer vorgegebenen Zeit erstellt. In dem Fall, in dem dieses Integral dem Wert für den Minimalstand entspricht, wird ein Signal an eine Schaltung gesandt. Das Verfahren weißt den Nachteil auf, dass die Wärmekapazität cp des Öls - und somit auch das Aufheizverhalten - stark von der Zusammensetzung des Öls und dem Abrieb im Öl abhängig ist. So unterscheidet sich frisches Öl wesentlich von altem, verbrauchtem Öl.
Gemäß JP H05-312619 A und JP H06-307912 A wird der Temperaturfühler stets als Heizer betrieben. Durch die unterschiedliche Kühlwirkung von Öl beziehungsweise eines Öl-Gas-Gemischs stellt sich am Fühler eine bestimmte Temperatur ein, die größer als die Temperatur des Öls oder des Öl-Gas-Gemischs ist.
Die JP S58-191927 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung mit zwei Temperaturfühlern, von denen sich ein Fühler bei korrektem Ölstand im Öl befindet, während der andere Fühler oberhalb der Mindestfüllhöhe angeordnet ist. Messen beide Fühler die gleiche Temperatur, so ist dies ein Zeichen dafür, dass beide Fühler sich oberhalb des Öls befinden und somit die Mindestfüllhöhe unterschritten ist.
Die DE 34 28 908 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung, bei dem die öltemperaturabhängige Rückflusszeit des Öls berücksichtigt wird.
Das Patent EP 0 159 263 B1 offenbart ein Verfahren zur Kontrolle eines Flüssigkeitsstandes in einem Tank unter Verwendung der Veränderung der Temperatur eines Widerstandselements mit erhöhtem Temperaturkoeffizienten als Funktion der Temperatur, das in die Flüssigkeit eintaucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem eine zuverlässige Überwachung des Ölstandes ohne bewegliche Teile mit einfachen kosten- und platzsparenden Mitteln gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 mit einem Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetrieben Blockheizkraftwerks mit einem Temperaturfühler, welcher auf der Höhe des Mindestfüllstandes in der Ölwanne angebracht ist, erreicht, bei dem nach dem Start oder dem Abschalten des Verbrennungsmotors der Wert ΔT/Δt anhand der am Temperaturfühler gemessenen Temperaturen während eines Zeitraums bestimmt wird und in dem Fall, dass der Betrag des Wertes ΔT/Δt einen bestimmten Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz überschreitet, ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben wird.
Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass sich Öl in der Ölwanne eines Verbrennungsmotors langsamer erwärmt beziehungsweise abkühlt als das Gas oder der Ölschaum oberhalb des Öls. Dies ist an die entsprechende spezifische Wärmekapazität erkennbar, die ein Maß für die zur Erwärmung 1 kg eines Stoffes um 1 K erforderliche Wärmemenge ist. Die spezifische Wärmekapazität liegt bei einem Gasluftgemisch unter 1 kJ/(kg K) und bei der Ölflüssigkeit deutlich darüber, z.B. beim Heizöl bzw. Maschinenöl beträgt diese knapp 2 kJ/(kg K).
Weiterhin betrifft Anspruch 4 ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetrieben Blockheizkraftwerks mit einem Temperaturfühler, welcher auf der Höhe des Mindestfüllstandes in der Ölwanne angebracht ist, bei dem zusätzlich ein zweiter Temperaturfühler im oberen Bereich der Ölwanne oberhalb des Ölspiegels angeordnet ist, dessen Temperatur mit der Temperatur des anderen Temperaturfühlers verglichen wird und in dem Fall, dass die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen einen gewissen Betrag unterschreitet und gleichzeitig der Wert ΔT/Δt beider Temperaturfühler einen vorgegebenen Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz1 überschreiten, ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung. Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen

1 den Verlauf der Aufheizgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in der Ölwanne eines Verbrennungsmotors,
2 den Verlauf der Abkühlgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in der Ölwanne eines Verbrennungsmotors,
3 ein schematisch dargestelltes Blockheizkraftwerk nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 ein schematisch dargestelltes Blockheizkraftwerk nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 und 6 die Anbringung des Temperatursensors in der Ölwanne des Verbrennungsmotors nach dem ersten Ausführungsbeispiel und
7 und 8 die Anbringung der Temperatursensoren in der Ölwanne des Verbrennungsmotors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele detailliert erläutert.
In 3 ist ein Blockheizkraftwerk (1) schematisch dargestellt, bei dem ein Motor (6) mit einem Zylinderkopf (5), eine Ölwanne (3) zur Bevorratung einer Mindestölmenge, ein Abgaswärmetauscher (10) und ein Abgasschalldämpfer (11) in einem Gehäuse (2) angeordnet sind. In der Ölwanne (3) des Blockheizkraftwerks (1) wird im unteren Drittel ein Temperatursensor (4), vorzugsweise ein Standardfühler NTC, in eine vorgesehene Tauchhülse eingebaut. Somit kann die Kerntemperatur der in der Wanne (3) befindlichen Ölflüssigkeit gemessen werden. Beim Sinken des Ölstands unterhalb des Temperatursensors (4), wird eine veränderte Temperatur eines Ölschaums bzw. eines Luft-Abgas-Gemisches gemessen, da der Temperatursensor (4) nicht mehr in der Flüssigkeit liegt.
Die 1 und 2 zeigen den Verlauf der Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in einer Start- bzw. Abschaltphase des Blockheizkraftwerkes. Das Gas enthält Luft und Abgase des Verbrennungsmotors. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften erwärmt sich die Ölflüssigkeit in der Wanne während der Startphase langsamer als das Gas oberhalb der Ölflüssigkeit. Nach dem Ausschalten des Motors kühlt sich die Ölflüssigkeit in der Wanne ebenfalls langsamer als das Gas oder Gas-Öl-Gemisch ab.
Wie in 1 und 2 dargestellt, wird das Verfahren erst nach einer bestimmten Betriebsdauer nach dem Start (zum Beispiel zum Zeitpunkt t₀) oder einer bestimmten Zeit nach dem Ausschalten begonnen, um zu verhindern, dass die Messung durch den Startprozess (z.B. andere Öltemperatur im Ölfilter und -kreislauf) verfälscht wird. Aus diesen Gründen wird das Verfahren auch spätestens nach einer weiteren vorbestimmten Zeit (z.B. zum Zeitpunkt t₂) beendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt das Abkühl- bzw. Aufheizverhalten der beiden Medien und ermöglicht damit eine zuverlässige Überwachung des Ölstands mit einfachen Mitteln.
Steigt die Temperatur des Temperatursensors (4) in der Ölwanne (3) langsam, so ist dies ein Indiz dafür, dass sich der Temperatursensor (4) innerhalb der Ölflüssigkeit befindet. Steigt die Temperatur des Temperatursensors (4) in der Ölwanne (3) dagegen schnell, so ist dies ein Indiz dafür, dass sich der Temperatursensor (4) oberhalb der Ölflüssigkeit befindet. Ein bestimmter Temperaturgradient dient hierbei als Unterscheidungskriterium. In 5 und 6 sind beide Fälle dargestellt: bei ausreichendem Ölstand befindet sich der Temperatursensor (4) in der Ölflüssigkeit (13) bzw. bei niedrigem Ölstand - in der Gaszone (12) oberhalb der Ölflüssigkeit in der Wanne (3).
Bei geringer Motordrehzahl beziehungsweise kleiner Motorleistung fällt weniger Wärme an als bei hohen Drehzahlen und Motorleistungen. Deshalb erwärmt sich das Öl bei hoher Last schneller als bei kleiner Last. Dementsprechend kann optional der Grenztemperaturgradient drehzahl- beziehungsweise lastabhängig festgelegt werden.
Befindet sich der Motor bereits beim Motorstart auf Betriebstemperatur, so kann kein entsprechender Temperaturgradient gemessen werden.
Optional wird daher vor jedem Start des Blockheizkraftwerks eine Kontrolluntersuchung durchgeführt, bei der die Temperatur (Tzk) des Zylinderkopfs (5) des Motors (6) gemessen wird. Unterschreitet die gemessene Zylinderkopftemperatur einen vorgegebenen Temperaturwert (z.B. 25°C) wird eine Ölstandsüberwachung während der Startphase (Warmlaufphase) des Blockheizkraftwerks durchgeführt.
Zusätzlich zur Messung der Zylinderkopftemperatur kann als Kontrolle - ob die Temperatur im ganzen Innenraum gleichmäßig verteilt ist - auch die Ölwannentemperatur gemessen werden.
Eine Kontrolluntersuchung vor dem Start ist erforderlich um feststellen zu können, ob ein „Warmstart“ oder ein „Kaltstart“ des Blockheizkraftwerks vorliegt. Wenn die Zylinderkopftemperatur und die Ölwannentemperatur vor dem Start einen vorgegebenen Temperaturwert überschreiten, handelt es sich um einen „Warmstart“. Dann kann zur Untersuchung des Ölstandes nur das Abkühlverhalten (bei dem nächsten Ausschalten des Motors) herangezogen werden. Unterschreiten aber die Zylinderkopftemperatur und die Ölwannentemperatur vor dem Start einen vorgegebenen Temperaturwert, handelt es sich um einen „Kaltstart“. Dann kann zur Untersuchung des Ölstandes zusätzlich zum Abkühlverhalten auch das Aufheizverhalten herangezogen werden.
Die Unterschreitung einer definierten Zylinderkopftemperatur ist erforderlich, da die Zylinderkopftemperatur ein Maß für ein intern voraufgeheiztes Blockheizkraftwerksystems ist. Wenn z.B. die Zylinderkopftemperatur relativ hoch ist, dann sind auch die Innenraumtemperatur und die Ölwannentemperatur insgesamt relativ hoch.
Als nächster Schritt werden Innerhalb der Warmlaufphase die Temperaturen der Ölflüssigkeit T₀ und T₁ für bestimmte Zeitpunkte t₀ und t₁ gemessen und das Verhältnis ΔT/Δt = (T₁ - T₀) / (t₁ - t₀) wird gebildet.
Der Wert ΔT/Δt wird in der Regelung (7) für eine spätere Auswertung im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes gespeichert. Dabei wird der Wert ΔT/Δt mit einem Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz einer definierten (hinterlegten) Aufheizgeschwindigkeit für ein Ölstand verglichen. Der hinterlegte Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz ist dabei drehzahlabhängig.
Befindet sich der Wert ΔT/Δt in einem Bereich mit einer relativ hohen Aufheizgeschwindigkeit (z.B. 2 K/min.) ist dies ein Hinweis für einen zu geringen Ölstand, d.h. der Temperaturfühler befindet sich außerhalb der Ölflüssigkeit in dem sich schneller aufwärmenden Luftbereich. Befindet sich der Wert ΔT/Δt in einem Bereich mit einer relativ niedrigen Aufheizgeschwindigkeit (z.B. 0,6 K/min) ist dies ein Merkmal für einen ausreichenden Ölstand in der Ölwanne.
In der Abschaltphase des Blockheizkraftwerks werden nach einer definierten Zeit (z.B. 10 min.) erneut die Temperaturen der Ölflüssigkeit für einen bestimmten Zeitraum gemessen und das Verhältnis ΔT/Δt gebildet. In diesem Fall wird das Abkühlverhalten der Ölflüssigkeit und des Luft/Abgasgemisches untersucht. Befindet sich der Wert ΔT/Δt innerhalb der Messzeit in einem Bereich mit einer relativ hohen Abkühlgeschwindigkeit (z.B. 2 K/min.) ist dies ein Indiz für einen zu geringen Ölstand. Befindet sich die Temperatur innerhalb der Messzeit in einem Bereich mit einer relativ niedrigen Abkühlgeschwindigkeit (z.B. 0,6 K/min.) ist dies ein Hinweis für einen ausreichenden Ölstand in der Ölwanne (3).
Der Wert ΔT/Δt wird in der Regelung (7) für eine spätere Auswertung im Ruhezustand des Blockheizkraftwerks hinterlegt.
Die spätere Auswertung der in dem Regler (7) gespeicherten Werte aus der Start- und Abschaltphase findet am Ende der Abschaltphase, im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes statt. Der Regler (7) ist für die Ansteuerung der Heizkreise und Pumpen der Heizungsanlage vorgesehen. Der Regler (7) kann die Leistung des Blockheizkraftwerks über eine Drehzahlvorgabe verändern. Er gibt die Startbedingungen, Abschaltbedingungen und Betriebsanforderungen des Blockheizkraftwerks vor.
Trifft sowohl das Abschaltverhalten als auch das Startverhalten auf einen Ölmangel zu, ist eine Warnung für einen vorhandenen Ölmangel zu melden.
Trifft aber nur jeweils immer ein Verhalten (Abschaltverhalten oder Starverhalten) auf einen Ölmangel zu, so ist der Ölstand nicht sicher festgestellt. Um Schädigungen zu vermeiden, wird im Wiederholungsfall eine Warnung für Ölmangel generiert und direkt an einem Display (8) der Anlage ausgegeben. Diese Warnmeldung kann auch über Fernüberwachung an das zuständige Fachpersonal weitergeleitet werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist in 7 und 8 ein weiterer Temperatursensor (9), angeordnet im oberen Bereich der Ölwanne (3) oberhalb des Ölspiegels, vorgesehen. Dies trägt zu einer zuverlässigen Auswertung der Temperaturen in der oberen Gas-Luft-Zone und in der Ölflüssigkeit bei. Die Auswertung der Temperatur findet im Fall einer Überschreitung, bzw. Unterschreitung einer vorgegebenen Temperaturdifferenz sowohl in der Warmlaufphase, im normalen Betrieb, in der Überhitzungsphase und im Abschalt/- Abkühlvorgang statt.
Eine Auswertung des vorhandenen Ölstands findet wie im zuvor genannten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes statt. Hierbei wird das Abkühlverhalten der Ölflüssigkeit gegenüber der Luft-Zone entsprechend des Verfahrens aus dem ersten Ausführungsbeispiel ausgewertet. Zusätzlich wird in diesem Fall die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen beider Temperatursensoren überwacht. In dem Fall, dass die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen einen gewissen Betrag unterschreitet und gleichzeitig der Wert ΔT/Δt beider Temperaturfühler einen vorgegebenen Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz1 überschreiten, wird ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben.
Bei anhaltender Temperaturdifferenz (z.B. kleiner als 1 - 5 K), kann davon ausgegangen werden, dass beide Temperatursensoren (4, 9) in der gleichen Temperaturzone liegen (Luft oder Öl). Wenn die Temperaturdifferenz über die Zeit zunehmend ist (z.B. größer als 1 bis 5 K), kann von unterschiedlichen Temperaturzonen (Luft und Öl) und somit von einem ausreichenden Ölstand ausgegangen werden.

Claims

Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetrieben Blockheizkraftwerks (1) mit einem Temperaturfühler (4), welcher auf der Höhe des Mindestfüllstandes in einer Ölwanne (3) eines Verbrennungsmotors (6) des Blockheizkraftwerks (1) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Start oder dem Abschalten des Verbrennungsmotors (6) der Wert ΔT/Δt anhand einer Differenz ΔT zwischen zwei am Temperaturfühler (4) gemessenen Temperaturen während eines Zeitraums Δt bestimmt wird und in dem Fall, dass der Absolutbetrag des Wertes ΔT/Δt einen bestimmten Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz überschreitet, ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben wird.
Verfahren zur Ölstandsüberwachung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Drehzahl des Verbrennungsmotors (6) des Blockheizkraftwerks (1) erfasst wird und der Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors (6) ist.
Verfahren zur Ölstandsüberwachung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erst nach einer bestimmten Betriebsdauer nach dem Start oder einer bestimmten Zeit nach dem Abschalten begonnen wird und spätestens nach einer weiteren vorbestimmten Zeit beendet wird.
Verfahren zur Ölstandsüberwachung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein zweiter Temperaturfühler (9) im oberen Bereich der Ölwanne (3) oberhalb des Ölspiegels zur Auswertung der Temperaturen in der oberen Gas-Luft-Zone angeordnet ist, dessen Temperatur mit der Temperatur des anderen Temperaturfühlers (4) verglichen wird und in dem Fall, dass die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen einen gewissen Absolutbetrag unterschreitet und gleichzeitig die Werte ΔT/Δt beider Temperaturfühler (4, 9) einen vorgegebenen Grenzwert (ΔT/Δt)_Grenz1 überschreiten, ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes ausgegeben wird.
Verfahren zur Ölstandsüberwachung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren erst nach einer bestimmten Zeit nach dem Abschalten begonnen wird und spätestens nach einer weiteren vorbestimmten Zeit beendet wird.