AT513205A1

AT513205A1 - Verfahren zur Erkennung einer undichten Stelle in einem Wärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: AT513205A1
Application number: ATA50294/2012A
Authority: AT
Inventors: Klemens Dipl Ing Neunteufl; Stefan Dipl Ing Krapf; Philip Dr Stevenson; Helmut Dipl Ing Theissl
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-02-15
Also published as: AT513205B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer undichten Stelle in einem Wärmerückgewinnungssystem (WHR), insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Wärmerückgewinnungssystem (WHR) zumindest einen Arbeitsmediumkreis mit zumindest einer Pumpe (P) und zumindest einer Expansionsmaschine (E) aufweist. Um Undichtheiten im Wärmerückgewinnungssystem frühzeitig und zuverlässig erkennen zu können, wird ein Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) und ein Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) ermittelt. Die ermittelten Massenströme (mP, mE) durch die Pumpe (P) und durch den Expansionsmaschine (E) werden miteinander verglichen. Eine Undichtheit zwischen Pumpe (P) und Expansionsmaschine (E) wird festgestellt, wenn der Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) vom Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) - vorzugsweise für eine definierte Verzugsdauer (t) - abweicht und die Abweichung größer als ein definierter Schwellwert (S) ist.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer undichten Stelle in einem Wärmerückgewinnungssystem, insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Wärmerückgewinnungssystem zumindest einen Arbeitsmediumkreis mit zumindest einer Pumpe und zumindest einer Expansionsmaschine aufweist.

Beim Betrieb eines Systems zur Wärmerückgewinnung in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine ist das Erkennen von Undichtheiten im System von hoher Priorität. Leckagen in einem Wärmerückgewinnungssystem können unter anderem zu folgenden kritischen Szenarien führen: • Austritt des Arbeitsmediums in die Umgebung - führt zu Brandgefahr bei Verwendung eines brennbaren Arbeitsmediums wie beispielsweise Ethanol. • Eintritt des Arbeitsmediums in die Brennkraftmaschine - verursacht Schaden, wenn zum Beispiel das Arbeitsmedium über EGR-Verdampfer (EGR=Exhaust Gas Recirculation) in den Brennraum gelangt. • Überhitzung von Systemkomponenten durch zu geringen Füllstand des Arbeitsmediums - kann zum Beispiel zu Überhitzung des Abgasverdampfers bei zu geringem Arbeitsmedienmassenstrom führen.

Zur Feststellung einer Leckage in einem Wärmerückgewinnungssystems sind beispielsweise folgende Verfahren bekannt: • Überwachung des Füllstandes des Arbeitsmediums im Ausgleichsbehälter mittels eines Füllstandssensors. Bei zu geringem Füllstand wird auf eine Undichtheit geschlossen. • Dichtheitsprüfung durch unter Druck setzen des deaktivierten, kalten Systems. Ein zu rascher Druckabfall deutet auf eine Undichtheit hin. • Messen der elektrischen Leitfähigkeit der Isolierung des Wärmerückgewinnungssystems. Eine Änderung der Leitfähigkeit ist ein Anzeichen für eine Undichtheit. 2/16 2

Bekannte Verfahren haben den Nachteil, dass sie entweder nur im deaktivierten Zustand durchgeführt werden können und/oder dass zusätzliche Einrichtungen wie Sensoren oder dergleichen erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise Undichtheiten im Wärmerückgewinnungssystem frühzeitig und zuverlässig erkennen zu können.

Erfindungsgemäß erfolgt dies dadurch, > dass ein Massenstrom durch die Pumpe ermittelt wird, > dass ein Massenstrom durch die Expansionsmaschine ermittelt wird, und > dass die ermittelten Massenströme durch die Pumpe und durch die Expansionsmaschine miteinander verglichen werden, und dass eine Undichtheit zwischen Pumpe und Expansionsmaschine festgestellt wird, wenn der Massenstrom durch die Pumpe vom Massenstrom durch die Expansionsmaschine - vorzugsweise für eine definierte Verzugsdauer -abweicht und die Abweichung größer als ein definierter Schwellwert ist.

Insbesondere wenn als Pumpe eine Dosierpumpe zum Einstellen eines definierten Arbeitsmedienmassenstrom eingesetzt wird, können auf diese Weise mit geringem Aufwand Undichtheiten zwischen der Pumpe und der Expansionsmaschine detektiert werden.

Ist die Pumpe eine Speisepumpe, so wird zur Dosierung des Arbeitsmediums ein Regelventil zwischen Pumpe und Expansionsmaschine benötigt. In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn ein Massenstrom durch das Regelventil ermittelt wird. Dabei werden die ermittelten Massenströme durch die Pumpe und das Regelventil miteinander verglichen. Wenn die Massenströme voneinander - vorzugsweise für eine definierte erste Verzugsdauer - abweichen und die Abweichung größer als ein definierter erster Schwellwert ist, kann eine Undichtheit zwischen Pumpe und Regelventil festgestellt werden. Genauso können die ermittelten Massenströme durch das Regelventil und die Expansionsmaschine miteinander verglichen werden, und eine Undichtheit zwischen Regelventil und Expansionsmaschine festgestellt werden, wenn die beiden Massenströme voneinander - vorzugsweise für eine 3/16 3 definierte zweite Verzugsdauer - abweichen und die Abweichung größer als ein definierter zweiter Schwellwert ist.

Die Massenströme lassen sich besonders einfach durch Modellierung ermitteln.

So kann der Massenstrom durch die Pumpe aus der Drehzahl der Pumpe und dem Druck nach der Pumpe mittels eines ersten mathematischen Modells ermittelt werden. Weiters kann der Massenstrom durch das Regelventil aus der aktuellen Ventilöffnung und dem Druck vor und nach dem Regelventil mittels eines zweiten mathematischen Modells ermittelt werden. Der Massenstrom durch die Expansionsmaschine kann aus zumindest dem Druck und der Temperatur vor der Expansionsmaschine sowie der Drehzahl der Expansionsmaschine mittels eines dritten mathematischen Modells ermittelt werden.

Das Wärmerückgewinnungssystem kann als geschlossener oder offener Kreislauf betrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat im Vergleich zum Stand der Technik den Vorteil, dass keine weiteren Sensoren notwendig sind, da alle beim Verfahren verwendeten Messaufnehmer, wie Drucksensoren, Temperatursensoren, Drehzahlsensoren bereits standardmäßige Bauteile bei Wärmerückgewinnungssystemen sind.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Fig. näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 einen Ausschnitt eines Wärmerückgewinnungssystems in einer Ausführungsvariante, Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren, Fig. 3 ein erstes mathematisches Modell, Fig. 4 ein Pumpenkennfeld, Fig. 5 ein zweites mathematisches Modell, Fig. 6 eine Ventilkennlinie, Fig. 7 ein drittes mathematisches Modell, Fig. 8 ein Expanderkennfeld und Fig. 9 ein Expander-Korrekturkennfeld.

Das in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Wärmerückgewinnungssystem WHRfür eine Brennkraftmaschine weist eine beispielsweise als Speisepumpe für ein Arbeitsmedium ausgebildete Pumpe P eine Expansionsmaschine E und zumindest ein zwischen der Pumpe P und der Expansionsmaschine E angeordnetes Regelventil V auf. 4/16 4

Gemäß dem hiervorgeschlagenen Verfahren zur Erkennung von undichten Stellen im Wärmerückgewinnungssystem WHR wird ein Massenstrom mP durch die Pumpe P, ein Massenstrom mv durch das Regelventil V und ein Massenstrom mE durch die Expansionsmaschine E ermittelt. Die Ermittlung der Massenströme mP, mv und mE erfolgt über erste, zweite und dritte mathematische Modelle MP, Mv und ME.

Gemäß dem ersten mathematischen Modell MP wird der Massenstrom mP=mP(nP, pP) durch die Pumpe P aus der Drehzahl nP der Pumpe P und dem Druck pP nach der Pumpe P ermittelt, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Dabei wird auf Grund des Druckes Pp nach der Pumpe P und der Drehzahl nP der Pumpe P auf der Basis des in Fig. 4 gezeigtem Pumpenkennfeldes PK ein Pumpenkoeffizient kP bestimmt und unter Berücksichtigung der Dichte p des Arbeitsmediums der Massenstrom mP durch die Pumpe P ermittelt.

Der Massenstrom mv=mv(A, pvi, pV2) durch das Regelventil V wird mittels des in Fig. 5 gezeigten zweiten mathematischen Modell Mv aus der aktuellen Ventilöffnung A und den Drücken pVi, Pv2 vor und nach dem Regelventil V ermittelt. Dabei wird aus der in Fig. 6 dargestellten Ventilkennlinie VK ein Durchflusskoeffizient kA bestimmt und unter Berücksichtigung der Dichte p des Arbeitsmediums der Massenstrom mv durch das Regelventil V ermittelt

Der Massenstrom mE=mE(nE, pE, TE) durch die Expansionsmaschine E wird mit dem dritten mathematischen Modell ME aus der Drehzahl nE der Expansionsmaschine E, dem Druck pE vor der Expansionsmaschine E mittels eines in Fig. 8 dargestellten Expanderkennfeldes KE, eines in Fig. 9 dargestellten Expander-Korrekturkennfeldes KEK und der Temperatur TE vor der Expansionsmaschine E ermittelt, wie Fig. 7 demonstriert. Ein aus dem Expanderkennfeld KE bestimmter Basismassenstrom mEb wird dabei durch den durch das Korrekturkennfeld KEK erhaltenen Korrekturfaktor ek und die Temperatur TE vor der Expansionsmaschine E korrigiert und daraus der Massenstrom mE durch die Expansionsmaschine E ermittelt.

Die erläuterten mathematischen Modelle sind nur exemplarisch. Selbstverständlich sind auch andere Modelle verwendbar.

Danach werden die ermittelten Massenströme mP, mv und mE miteinander verglichen. 5/16 5

Wenn die Differenz Ami des Massenstromes mP aus der Pumpe P und des Massenstromes mv durch das Regelventil V einen ersten Schwellwert Si für länger als eine erste Verzugszeit ti überschreitet, so wird eine Leckage LI zwischen Pumpe P und Regelventil V erkannt. Wenn die Differenz Am2 des Massenstromes mv durch das Regelventil V und des Massenstromes mE in die Expansionsmaschine E einen zweiten Schwellwert S2 für länger als eine Verzugszeit t2 überschreitet, so wird eine Leckage L2 zwischen Regelventil V und Expander E erkannt.

Ist die Pumpe P als Dosierpumpe ausgebildet, so kann sie zum Einstellen eines definierten Arbeitsmedienmassenstromes verwendet werden, wodurch das Regelventil V entfallen kann. In diesem Falle braucht nur der Massenstrom mP durch die Pumpe P und der Massenstrom mE durch die Expansionsmaschine E ermittelt und miteinander verglichen werden. Eine Undichtheit zwischen der als Dosierpumpe ausgebildeten Pumpe P und der Expansionsmaschine E kann festgestellt werden, wenn der Massenstrom mP durch die Pumpe P vom Massenstrom mE durch die Expansionsmaschine E für eine definierte Verzugsdauert abweicht und die Abweichung größer als ein definierter Schwellwert S ist.

Das beschriebene Verfahren hat den Vorteil, dass eine kontinuierliche Überprüfung des Wärmerückgewinnungssystems WHR auf Undichtheit während des Betriebes durchgeführt werden kann, wobei mit der üblichen standardmäßig vorhandenen Systemsensorik gearbeitet werden kann. 6/16

Claims

6 PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erkennung einer undichten Stelle in einem Wärmerückgewinnungssystem (WHR), insbesondere einer Brennkraftmaschine, wobei das Wärmerückgewinnungssystem (WHR) zumindest einen Arbeitsmediumkreis mit zumindest einer Pumpe (P) und zumindest einer Expansionsmaschine (E) aufweist, dadurch gekennzeichnet, a. dass ein Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) ermittelt wird, b. dass ein Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) ermittelt wird, und c. dass die ermittelten Massenströme (mP, mE) durch die Pumpe (P) und durch den Expansionsmaschine (E) miteinander verglichen werden, und dass eine Undichtheit zwischen Pumpe (P) und Expansionsmaschine (E) festgestellt wird, wenn der Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) vom Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) - vorzugsweise für eine definierte Verzugsdauer (t) - abweicht und die Abweichung größer als ein definierter Schwellwert (S) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit einem zwischen der Pumpe (P) und der Expansionsmaschine (E) angeordneten Regelventil (V), dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom (mv) durch das Regelventil (V) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Massenströme (mP, mv) durch die Pumpe (P) und durch das Regelventil (V) miteinander verglichen werden, und dass eine Undichtheit (LI) zwischen Pumpe (P) und Regelventil (V) festgestellt wird, wenn der Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) vom Massenstrom (mv) durch das Regelventil (V) - 7/16 7 vorzugsweise für eine definierte erste Verzugsdauer (ti) -abweicht und die Abweichung größer als ein definierter erster Schwellwert (Si) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Massenströme (mv, mE) durch das Regelventil (V) und durch die Expansionsmaschine (E) miteinander verglichen werden, und dass eine Undichtheit (L2) zwischen Regelventil (V) und Expansionsmaschine (E) festgestellt wird, wenn der Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) vom Massenstrom (mv) durch das Regelventil (V) - vorzugsweise für eine definierte zweite Verzugsdauer (t2) -abweicht und die Abweichung größer als ein definierter Schwellwert (S2) ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (mP) durch die Pumpe (P) aus der Drehzahl (nP) der Pumpe (P) und dem Druck (pP) nach der Pumpe (P) mittels eines ersten mathematischen Modells (MP) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (mv) durch das Regelventil (V) aus der aktuellen Ventilöffnung (A) und den Drücken (pvi, pV2) vor und nach dem Regelventil (V) mittels eines zweiten mathematischen Modells (Mv) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom (mE) durch die Expansionsmaschine (E) aus zumindest dem Druck (pE) und der Temperatur (TE) vor der Expansionsmaschine (E), sowie der Drehzahl (nE) der Expansionsmaschine (E) mittels eines dritten mathematischen Modells (M3) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Pumpe (P) eine Dosierpumpe zum Einstellen eines definierten Arbeitsmedienmassenstrom eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerückgewinnungssystem (WHR) in einem geschlossenen Kreislauf betrieben wird. 8/16 8
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerückgewinnungssystem (WHR) in einem offenen Kreislauf betrieben wird. 2012 07 24 Fu 9/16