-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Strömungsverdichters in Bezug auf dessen Pumpgrenze nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Die
US 2017/0074276 A1 beschreibt ein Verfahren, um die Pumpgrenze eines elektrisch angetriebenen Strömungsverdichters zu ermitteln. Den Kern der Idee bildet dabei eine adaptive kontinuierliche Annäherung an die Pumpgrenze während des Betriebs, wobei die Tatsache genutzt wird, dass sich in der Nähe der Pumpgrenze der Regelungsaufwand exorbitant erhöht, sodass die Pumpgrenze praktisch erkannt werden kann, bevor sie tatsächlich erreicht wird. In der Praxis führt dies zu einem gewissen Abstand der erkannten adaptierten Pumpgrenze von der tatsächlich auftretenden Pumpgrenze.
-
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, einen Strömungsverdichter so zu betreiben, dass dieser seine Pumpgrenze nicht überschreitet. Dafür wird in der Praxis ein Sicherheitsabstand zwischen der zu erwartenden Pumpgrenze der jeweiligen Bauart des Strömungskompressors und dem Bereich, in welchem er betrieben wird, eingehalten. Dieser Sicherheitsabstand wird in der Praxis eher groß gewählt wird, da eventuelle Toleranzen in den Bauteilen des Strömungsverdichters dafür sorgen, dass es zu einer gewissen Varianz der tatsächlichen Pumpgrenze im Bezug auf die erwartete Pumpgrenze kommt. Der Sicherheitsabstand muss also ausreichend groß sein, um das Überschreiten der Pumpgrenze sicher und zuverlässig zu unterbinden.
-
Dabei ist es so, dass durch den oben genannten Abstand bzw. Sicherheitsabstand von der tatsächlichen Pumpgrenze typischerweise Wirkungsgrad verloren geht, da der Wirkungsgrad in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze meist höher ist als im Bereich, welcher bei der jeweiligen Drehzahl durch den Abstand bzw. Sicherheitsabstand lediglich erreicht werden kann.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Strömungsverdichters in Bezug auf dessen Pumpgrenze anzugeben, welches einen möglichst hohen Wirkungsgrad beim jeweiligen Strömungsverdichter ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 5 eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung aus dem abhängigen Unteranspruch.
-
Ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Pumpgrenze im realen Betrieb ermittelt, indem bei jeder auftretenden Drehzahl der Bereich zulässiger Betriebspunkte so lange in Richtung der Pumpgrenze verschoben wird, bis das Erreichen der Pumpgrenze detektiert wird. Anders als im Stand der Technik setzt das erfindungsgemäße Verfahren darauf, dass das Erreichen der Pumpgrenze durch einen abfallenden Luftmassenstrom aus dem Verdichter nach dem Überschreiten der Pumpgrenze detektiert wird. Danach wird der Verdichter aus dem Pumpbereich gefahren, wobei der letzte vor dem Auftreten des Pumpens angefahrene Betriebspunkt gespeichert wird.
-
Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die tatsächliche Pumpgrenze detektiert und der letzte noch funktionierende Betriebspunkt vor dieser Pumpgrenze erfasst. Dadurch, dass kein Regelungsaufwand beim Annähern an die Pumpgrenze betrachtet wird, lässt sich über das erfindungsgemäße Verfahren ein Betriebspunkt auffinden, welcher noch näher an der Pumpgrenze liegen wird als bei dem eingangs genannten Verfahren.
-
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebendieser zuletzt angefahrene noch funktionierende Betriebspunkt entsprechend gespeichert und bei zukünftigem Betrieb bei derselben Drehzahl entsprechend verwendet. Mit der Zeit und bei über die Zeit auftretenden verschiedenen Drehzahlen ergibt sich so eine Reihe von möglichen Betriebspunkten, welche jeweils sehr dicht an der Pumpgrenze liegen und einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen. Dabei kommt es je nach Toleranzen der Bauteile des Verdichters auch bei prinzipiell baugleichen Verdichtern durch die Varianz der Bauteile in der Herstellung zu unterschiedlichen Betriebspunkten. Jeder Verdichter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch mit dem für ihn möglichen maximalen Wirkungsgrad in maximaler Nähe der Pumpgrenze betreibbar. Bauteiltoleranzen oder auch sich während des Betriebs verschlechternde Bauteile werden so entsprechend berücksichtigt und die Betriebspunkte werden immer auf eine möglichst große Nähe an die Pumpgrenze hin adaptiert. Dadurch müssen keine Sicherheitsabstände, wie im allgemeinen Stand der Technik beschrieben, eingehalten werden, und es lässt sich ein besserer Wirkungsgrad des Verdichters erreichen.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass der Verdichter über ein Anpassen des Gegendrucks aus dem Pumpbereich gefahren wird. Tritt ein Pumpen auf, dann kann über ein entsprechendes Anpassen des Gegendrucks, beispielsweise indem eine Klappe oder ein Ventil geöffnet wird, um einen höheren Volumenstrom fördern zu müssen, der Pumpbereich wieder verlassen werden. Der letzte vor dem Pumpen gespeicherte Betriebspunkt wird dann zukünftig verwendet.
-
Wie bereits erwähnt, kann die Anpassung des Gegendrucks insbesondere über eine Klappe oder ein Ventil erfolgen, beispielsweise über ein System-Bypass- oder Abblasventil, welches insbesondere bei einem elektrisch angetriebenen Turbolader als bevorzugte Anwendung, die Druckseite des Verdichters mit der Eingangsseite der Turbine oder gegebenenfalls auch der Umgebung verbindet. Ein solches Ventil wird im Bereich der Turboladertechnik häufig auch als Umblasventil bezeichnet.
-
Das Pumpen wird über einen abfallenden Luftmassenstrom detektiert. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass das Pumpen über einen Wert der ersten Ableitung des Luftmassenstroms detektiert wird, welcher unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Sobald die erste Ableitung des Luftmassenstroms unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, wird also gegengesteuert, indem beispielsweise gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung der Gegendruck angepasst wird. Der Verdichter kommt damit wieder aus dem Pumpbereich und der letzte gültige Betriebspunkt vor dem Auftreten des entsprechenden Werts der ersten Ableitung des Luftmassenstroms wird gespeichert und zukünftig verwendet.
-
Die bevorzugte Verwendung des Verfahrens liegt im Betreiben eines elektrisch angetriebenen Turboladers, also einer Wirkkombination von elektrisch angetriebenem Verdichter einerseits und Turbine, welche zumindest eine elektrische Maschine sowie insbesondere zusätzlich den Verdichter antreibt. Eine besonders bevorzugte Variante kann dabei lediglich eine elektrische Maschine vorsehen, welche auf einer gemeinsamen Welle mit dem Verdichter und der Turbine angeordnet ist.
-
Eine besonders günstige Ausführungsvariante dieser Verwendung sieht es dabei ferner vor, dass der elektrisch angetriebene Turbolader zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Insbesondere bei einem solchen Einsatz ist ein hochdynamischer Betrieb des Verdichters charakteristisch. Außerdem kann über einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters Kraftstoff eingespart werden und Emissionen können minimiert werden. Im Zusammenhang mit dem hochdynamischen Betrieb ist das erfindungsgemäße Verfahren nun ideal geeignet, über den gesamten Betriebsbereich hinweg mit der Zeit die Pumpgrenze entsprechend zu adaptieren und zu erlernen und sich ergebende Veränderungen der Pumpgrenze beispielsweise aus sich verändernden Umgebungsbedingungen oder insbesondere sich abnutzenden Bauteilen in dem Verdichter ebenfalls zu erlernen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dann immer einen Betrieb in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze und damit einen Betrieb beim bestmöglichen Wirkungsgrad, welcher mit dem jeweiligen Verdichter in Abhängigkeit seiner Bauteiltoleranzen und einer eventuellen Abnutzung seiner Bauteile zu erzielen ist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
- 2 ein Diagramm des Drucks über dem Volumenstrom mit eingezeichnetem Betriebsbereich des Verdichters; und
- 3 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren in einem Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst eine Brennstoffzelle 3 mit einem Kathodenbereich 4 und einem Anodenbereich 5. Dem Anodenbereich 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Dosierventil 7 sowie eine Gasstrahlpumpe 8 zugeführt. Der frische Wasserstoff dient in der Gasstrahlpumpe 8 als Treibstrahl. Nicht verbrauchter Wasserstoff wird zusammen mit Produktwasser und inerten Gasen über eine Rezirkulationsleitung 9 von dem Anodenbereich 5 wieder durch die Gasstrahlpumpe angesaugt und dem Anodenbereich 5 erneut zur Verfügung gestellt. Dieser sogenannte Anodenloop ist bei Brennstoffzellensystemen 2 prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig. In der Rezirkulationsleitung 9 sitzt dabei typischerweise ein Wasserabscheider 10, welcher über eine Gas- und Wasserleitung 11 und einer Ventileinrichtung 12 darin mit einer Abgasleitung 13 des Brennstoffzellensystems 2 verbunden ist. So können Wasser und inerte Gase bei geöffneter Ventileinrichtung 12 zumindest von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf bzw. dem Wasserabscheider 10 in der Rezirkulationsleitung 9 abgelassen werden.
-
Der Kathodenbereich 4 wird mit Luft aus Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird über einen Strömungsverdichter 14 gefördert. Dieser sitzt zusammen mit einer Abluftturbine 15 auf einer gemeinsamen Welle 16, auf welcher außerdem eine elektrische Maschine 17 angeordnet ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. Die verdichtete Ansaugluft gelangt über eine Zuluftleitung 18, in welcher sich zusätzlich noch ein hier nicht dargestellter Ladeluftkühler befinden könnte, zu einem Gas/Gas-Befeuchter 19, in welchem die Zuluft von der Abluft in einer Abluftleitung 20 entsprechend befeuchtet wird und von dort in den Kathodenbereich 4 strömt. Die mit dem Produktwasser beladene und an Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt aus dem Kathodenbereich 4 über die Abluftleitung 20 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 19, in welchen sie den in ihr enthaltene Feuchtigkeit durch für Feuchtigkeit durchlässige Membranen an die Zuluft abgibt. Die Abluft gelangt dann in die Abluftturbine 15 und entspannt über die Abgasleitung 13 aus dem Brennstoffzellensystem 2 bzw. dem Fahrzeug 1. Die aus der Abluft zurückgewonnene Energie im Bereich der Turbine 15 dient zur Unterstützung des Antriebs des Verdichters 14, und falls dieser nicht so viel Antriebsleistung braucht, wie im Bereich der Turbine 15 anfällt, zum Antrieb der elektrischen Maschine 17, welche dann generatorisch betrieben wird.
-
Der Aufbau weist außerdem einen sogenannten Systembypass 21 mit einem Bypassventil 22 auf. Hierüber kann in bestimmten Situationen die Druckseite des Verdichters 14 mit der Druckseite der Turbine 15 verbunden werden, beispielsweise um zu verhindern, dass eine Pumpgrenze PG des Verdichters 14 überschritten wird oder dergleichen.
-
In der Darstellung der 1 sind ferner ein Luftmassenstromsensor 23 und ein Steuergerät 24 für den Verdichter 14 zu erkennen, wobei das Steuergerät 24, anders als hier schematisch dargestellt, typischerweise auf die elektrische Maschine 17 zum Antrieb des Verdichters 14 einwirkt.
-
In der Praxis ist es so, dass der Verdichter in einem Druck (p)/Volumenstrom (V)-Diagramm gezeigten Betriebsbereich B betrieben wird. In der Darstellung der 2, welche ein solches Druck-/Volumenstrom-Diagramm zeigt, befindet sich dieser Betriebsbereich B zwischen einer Linie nmin der minimalen Drehzahl des Verdichters 14, einer Linie nmax der maximalen Drehzahl des Verdichters 14 und wird nach unten durch eine sogenannte Stopfgrenze SG begrenzt. Nach oben hin wird der Betriebsbereich B des Verdichters 14 letzten Endes durch eine sogenannte Pumpgrenze PG begrenzt. In der Darstellung der Figur ist dabei in strichpunktierter Linie eine gemäß dem Stand der Technik typischerweise verwendete Grenze des Betriebsbereichs B eingezeichnet, welche hier als PG 0 bezeichnet ist. Dabei handelt es sich nicht um die tatsächliche Pumpgrenze PG, sondern um eine mit einem Sicherheitsabstand x zu einer solchen Pumpgrenze PG definierte theoretische Pumpgrenze, welche bei der entsprechenden Bauart des Verdichters 14 den Betriebsbereich B entsprechend beschränkt. Die real auftretenden Pumpgrenzen sind hier durch drei verschiedene Pumpgrenzen PG 1, PG 2, PG 3 entsprechend eingezeichnet, welche sich je nach Varianz der in dem Verdichter 14 verbauten Bauteile, also letztlich deren Herstellungstoleranzen, entsprechend einstellen. Da diese Pumpgrenzen PG 1, PG 2, PG 3 entsprechend der realen Bauteiltoleranzen in dem Verdichter 14 entsprechend variieren können, muss der Sicherheitsabstand x relativ groß gewählt werden, sodass die Grenze PG 0 nicht mit einer der realen Pumpgrenzen zusammenfällt oder gar von dieser überschritten wird. In der Praxis ist dies außerordentlich nachteilig.
-
Mittig sind in dem Diagramm verschiedene geschlossene Linien eingezeichnet, welche Bereiche des gleichen Wirkungsgrads in der Art von Höhenlinien definieren. Es ist zu erkennen, dass ein hoher Wirkungsgrad in der Nähe der jeweiligen Pumpgrenze PG 1, PG 2, PG 3 vorliegt. Dadurch, dass eine über einen Sicherheitsabstand definierte Grenze PG 0 für den Betriebsbereich B definiert werden muss, entsteht so das Problem, dass der Verdichter 14 häufig nicht mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Nimmt man beispielsweise eine exemplarische Drehzahl n 1, welche hier mit gestrichelter Linie eingezeichnet ist, dann kann sich der Betriebspunkt BP zwischen den Punkten BP 0 und BP 1 bewegen. Liegt nun beispielsweise aufgrund der Varianz der Bauteile in dem eingesetzten Verdichter 14 die reale Pumpgrenze PG 1 vor, wäre ein theoretischer Betriebspunkt BP sehr viel näher an dieser realen Pumpgrenze PG 1 denkbar, welche einen höheren Wirkungsgrad hätte.
-
Deshalb wird nun ein Verfahren angewandt, bei welchem der Betriebspunkt BP ungeachtet der Grenze PG 0 aus dem Stand der Technik immer weiter in Richtung der realen Pumpgrenze, hier der Pumpgrenze PG 2, verschoben wird. Hierbei wird der Bereich der zulässigen Betriebspunkte so lange in Richtung Pumpgrenze verschoben, bis ein Erreichen dieser detektiert wird. Überschreitet er die Pumpgrenze PG 2, kommt es zu einem stark abfallenden Luftmassenstrom, welcher in dem Luftmassenstromsensor 23 bzw. dem Steuergerät 24 detektiert werden kann. Vorzugsweise indem eine Ableitung des Luftmassenstroms vorgenommen wird. Sobald der Wert dieser Ableitung einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, liegt ein entsprechend steiler Abfall des Luftmassenstroms vor und es wird von einem Überschreiten der realen Pumpgrenze PG 2 ausgegangen. In der Praxis wird nun beispielsweise durch ein Öffnen des Bypassventils 22 im Systembypass 21 der Gegendruck entsprechend reduziert bzw. der Volumenstrom erhöht, sodass der Verdichter 14 sich aus dem Bereich des Pumpens zurück in seinen Betriebsbereich B bewegt. Dabei wird der zuletzt verfügbare Betriebspunkt ohne Pumpen, hier beispielsweise ein Betriebspunkt BP 2 unmittelbar vor dem Erreichen der realen Pumpgrenze PG 2 des Verdichters 14 gespeichert. Zukünftig wird bei der Drehzahl n 1 der Verdichter 14 dann in diesem Betriebspunkt BP 2 betrieben. Sollte es beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Bauteilgeometrie durch Abnutzung zu einem Überschreiten der Pumpgrenze PG 2 in diesem Betriebspunkt BP 2 kommen, beginnt das adaptive Verfahren bei der jeweiligen Drehzahl von vorn und es wird ein weiter in Richtung des gemäß dem Stand der Technik maximal möglichen Betriebspunkt BP 1 liegender Betriebspunkt verwendet. In jedem Fall liegen die Betriebspunkte BP dann, bis die reale Pumpgrenze PG 2 die Grenze PG 0 erreicht hat, bei einem höheren Wirkungsgrad als im Falle der Verwendung des Betriebspunkts BP 1, sodass durch das Verfahren ein verbesserter Wirkungsgrad des Verdichters 14 und damit des Brennstoffzellensystems 2 erzielt werden kann.
-
Der Verfahrensablauf ist in der Darstellung der 3 nochmals in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Den Start bildet der Betrieb des Verdichters 14, bei dem der Betriebspunkt BP entsprechend in Richtung der Pumpgrenze PG verschoben wird. Solange kein Pumpen auftritt, erfolgt dies weiterhin, wenn bei der jeweiligen Drehzahl ein entsprechender Betriebspunkt BP, beispielsweise der Betriebspunkt BP 2 gespeichert ist, bleibt dieser für den Betrieb bestehen. Tritt ein Pumpen auf, dann wird, wie es in dem Diagramm der 3 zu erkennen ist, der Gegendruck angepasst, um den Verdichter 14 aus dem Pumpbereich herauszuführen und wieder in den Betriebsbereich B zurückzuführen. Der letzte bekannte Betriebspunkt BP wird dann entsprechend gespeichert und auf Gültigkeit überprüft. Ist er gültig, wird der Betrieb auf diesen neuen Betriebspunkt BP angepasst. Ist er nicht gültig, wird er entsprechend verworfen und das Verfahren lernt einen neuen Betriebspunkt BP, indem es erneut startet. Hierdurch lässt sich die gesamte real für den jeweiligen Verdichter 14 entsprechend seiner Bauteiltoleranzen existierende Pumpgrenze mit der Zeit immer besser annähern, sodass immer mehr Betriebspunkte zur Verfügung stehen, welche sehr dicht an der tatsächlichen Pumpgrenze PG liegen und damit einen Betrieb des Verdichters 14 bei entsprechend hohem Wirkungsgrad ermöglichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2017/0074276 A1 [0002]