CN106662113A - 用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的方法，包括下述步骤：1)使气动轴承的转速下降至休息转速n0，该休息转速n0低于浮起转速n浮起，在浮起转速中轴承建立用于无混合摩擦地支承的气膜，并且该休息转速n0高于降下转速n降下，在降下转速中轴承减少气膜，以致出现混合摩擦，并且2)以休息转速n0运行流体输送装置的轴承。

Description

用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的 方法
技术领域
在此公开的技术涉及一种用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的方法。气动(空气)轴承可用于径向或轴向支承可动构件。气动空气轴承的特点在于，其能够建立用于支承可动构件本身的气膜。但这只有在超过一定转速时才能实现，该转速常常被称为提离转速或者说浮起转速。
背景技术
根据轴承转速分为固体摩擦、空气摩擦和混合摩擦。当轴休息于轴承中时，存在固体摩擦。当流体机械处于低于提离转速的低转速中时在轴和轴承之间产生混合摩擦区，其会导致轴承较快磨损。当轴承高于提离转速运行时，则存在空气摩擦或者说流体摩擦。
DE 102012208762 A1公开了一种气动轴承，在该气动轴承中，最小转速尽可能低。但最小转速不低于气动轴承的提离转速。根据该文献，为了关停流体机械，应尽可能快地从最小转速制动至停止。
机动车的流体输送装置例如可构造为压缩机并且特别优选构造为空气支承的涡轮压缩机。这种涡轮压缩机通常具有怠速转速或者说待机转速，其选择为，使得可靠地避免在混合摩擦范围中运行。通常，该怠速转速略高于提离转速。在此，高于怠速转速的运行可确保无磨损的运行。
机动车中的流体输送装置通常不连续运行，只要特定环境条件、如寒冷不要求这点的话。包括气动轴承的流体输送装置从非常高的怠速转速(如25000U/min)出发的制动和重新起动需要一定时间。因此，包括气动轴承的流体输送装置具有一定的不希望的惯性。流体输送装置频繁的起动和关停还导致在混合摩擦范围中的运行增加并且因此引起轴承损伤，其会不利地影响气动轴承的使用寿命。这种轴承损伤只能通过昂贵的措施或通过定期更换流体输送装置的轴承来加以避免。
代替频繁关停和接通，压缩机也可连续运行。但这导致较多能量被消耗用于使压缩机在较高的怠速转速下运行。另外，压缩机还引起一定的最小噪声级，其优选应被减小或避免。
发明内容
本发明的优选任务在于，减弱或消除所述缺点。本发明的任务通过权利要求1的技术方案解决。从属权利要求构成优选方案。
在此公开的技术涉及一种用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的方法。优选地，流体输送装置包括两个气动轴承，它们支承流体输送装置的一个轴。这种流体输送装置例如用于向燃料电池或者说燃料电池系统输送氧化剂，这例如在下面被举例说明。优选地，流体输送装置构造为压缩机并且特别优选构造为空气支承的涡轮压缩机，其向燃料电池系统供应氧化剂、如氧气或空气。
在此公开的方法此外包括下述步骤：当流体输送装置不应输送流体或仅应输送可忽略的少量流体量时，气动轴承的转速减少至空转转速或者说休息转速(下面简化地使用术语“休息转速”)。气动轴承的转速此时相应于容纳在轴承中的构件(如轴)的转速，该构件相对于轴承旋转。换言之，当用于流体输送装置的控制装置发出控制信号，根据该信号流体输送装置不应输送流体时，流体输送装置的转速降低至休息转速。在休息持续时间期间基于休息转速产生的可能的少量流体量是不可避免的并被控制系统考虑或容忍或通过适合的措施补偿(如改道)。休息转速是这样的转速，在该转速中，输送装置在休息持续时间期间几乎不工作或以待机模式运行，然而被支承的轴本身不休息。
休息转速低于提离转速或者说浮起转速，在提离转速或者说浮起转速中气动轴承从休息位置加速地建立气膜用于无混合摩擦地支承可动部件。换言之，休息转速低于在加速情况下使轴从轴承底上浮起的转速。
此外，休息转速高于降下转速，在降下转速中气动轴承从高于浮起转速的转速出发以减速的方式减少气膜，以致出现混合摩擦。当流体输送装置从高于浮起转速的运行转速出发减速时，随后出现降下转速，在降下转速中轴与轴承底具有如此减小的距离，以致出现混合摩擦。根据在此公开的技术，流体输送装置在该浮起转速以上运行。
因此，在此公开的方法包括下述步骤：使气动轴承下降至休息转速，该休息转速处于这样的转速范围内，该转速范围向下通过气动轴承或者说流体输送装置的降下转速并且向上通过浮起转速或怠速转速限定。
在此公开的方法还包括下述步骤：在休息持续时间期间以休息转速至少暂时运行流体输送装置的气动轴承或者说运行流体输送装置。
有利的是，下降的转速范围或者说休息转速处于这样的范围中，该范围处于怠速转速以下且处于混合摩擦范围以外或者说以上。因此有利的是，充分利用了滞后效应，因为从已经运行的、气动轴承高于混合摩擦范围的状态起，在转速下降时，混合摩擦范围在较低的转速(降下转速)时开始。
具有燃料电池的机动车的一种典型的流体输送装置具有构造为空气支承的涡轮压缩机的流体输送装置，其在具有由制造商预规定的怠速转速(如25000U/min)的空转中具有约250W的功率消耗。现在当流体输送装置从高于怠速转速的运行转速下降到休息转速(约20000U/min)时，则功率消耗减少至约120W。由此可显著节约所需能量。
与从停止状态起动相比，从休息转速的重新起动是特别有利的。在从休息转速重新起动时，无须重新跨越混合摩擦范围。因此可减少轴承磨损并且提高轴承使用寿命。借助在此公开的方法运行的流体输送装置也具有更好的动态响应特性，因为流体输送装置无须首先从停止状态出发加速至休息转速。
尤其是在流体输送装置关停期间重新起动时，在已知的解决方案中，首先必须等待停止状态，因为只能在惯性运动阶段之后才起动。而根据在此公开的方法，压缩机处于下降的转速或者说休息转速中，从该转速出发可随时无延时地控制该压缩机。
通过在短暂停止阶段中所述改变的策略，显著减少了起停次数。因此可减少轴承磨损并且最终也降低与此相关的成本。流体输送装置频繁的起动和关停还加大了高压蓄能器的负担，该高压蓄能器必须提供能量。
根据在此公开的方法，当机动车运行时，流体输送装置不能关停并且至少以休息转速继续运行。“机动车运行”在此理解为：点火装置接通或机动车自主运行，该自主运行例如通过定时开关功能或远程激活装置已预置。优选当机动车前行时，流体输送装置不关停并且至少以休息转速运行。此外优选地，当机动车以最大70km/h、优选最大50km/h并且特别优选最大30km/h的速度前行时，流体输送装置不关停并且至少以休息转速运行。换言之，尤其是当机动车准备运行地静止或以相对低的速度前行时，禁止流体输送装置的关停。此外优选地，当机动车仅缓慢移动、停在交通灯前或例如在交通灯前变线时，不关停流体输送装置。
此外优选地，当通过高压蓄能器提供驱动能量时，不关停流体输送装置并且至少以休息转速运行轴承。机动车例如在速度较低的路段期间(交通堵塞、上下班交通等)通过高压蓄能器驱动。
所述方法还包括下述步骤：
－预测休息持续时间，并且
－当预测到的休息持续时间超过休息持续时间的极限值时，关停流体输送装置。
换言之，控制或调节装置可包括这样的器件，借助该器件可确定休息持续时间的长度。当可预见到长时间不需要流体输送装置时，较合理的是忍受轴承磨损和动力学方面的性能下降，以便节约能源。
休息持续时间的极限值优选约为1秒至20分钟，更优选为约3秒至5分钟并且特别优选为10秒至2分钟。例如这样选择休息持续时间的极限值，使得当机动车的行驶因交通灯信号中断时，不关停流体输送装置。
优选地，预测包括下述步骤：
－检测驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息；并且
－在考虑尤其是外部参数的情况下预测休息持续时间，所述外部参数代表驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息。
代表驾驶员行为的驾驶行为信息例如包括城市中、郊区和高速公路上的速度分布、换挡行为等。优选地，机动车控制装置可借助测量值、特定于驾驶员的输入和/或特定于驾驶员的系统来识别驾驶员。特定于驾驶员的系统例如包括钥匙编码或驾驶员所属的与汽车连接的移动电话。特定于驾驶员的输入例如包括驾驶风格选择或所存储的并且分配给驾驶员的座椅位置选择、可明确分配的驾驶路线(上班路线)、后视镜设定等。另一驾驶员识别装置例如是面部识别装置。
尤其是也可使用车辆传感装置或可能的输入元件来检测驾驶行为。例如可考虑以下因素：倾斜传感器、行驶动力学、横向加速度传感器、踏板动力学识别、驾驶体验开关、速度分布、气动元件的位置(如后导流板)等。控制装置优选能够分析驾驶行为并且分配给驾驶员。驾驶行为分析能够允许更准确地预测功率需要量并且预见性地运行燃料电池。优选是例如可基于模糊逻辑学习的控制装置。有利的是，控制装置也能够例如借助检测到的外部参数来分析重复性条件和事件。优选地，控制装置不仅能够从驾驶员的驾驶行为进行学习，而且也能够评估导航信息和环境信息并且优化预测潜在运行参数。例如这样配置控制装置，以便优化驾驶员的重复路线，更确切地说基于对以前路线的认识。这方面的一个应用实例例如是家和工作地点之间的频繁行驶路线。
因此有利的是，已预见性地提前影响流体输送装置的运行，使得最佳地使用即将到来的休息持续时间。用于未来工作点或者说运行状态的流体输送装置的预测运行方式能实现更有效的运行并减少磨损。
代表导航信息的外部参数例如是导航参数，其包括地理信息、如位置信息、路线信息和/或高度曲线信息。导航信息还包括关于行驶周期的信息，如城市、郊区和/或高速公路占总行驶路线比例的组合。其它导航信息例如也可以是交通信息，如当前或未来的交通延误。例如基于事件、上下班交通、特殊事件和活动(如群众集会)等的当前拥堵报告或可预见的交通拥堵等属于导航信息。导航信息例如是十字路口和/或交通灯和/或交通灯信号，它们使得机动车相对短暂地停车。在这种休息阶段期间可继续运行流体输送装置。
此外，导航信息可以是交通灯阶段。交通灯信号例如可通过合适的通信信号、如无线电信号和机动车上合适的传感器来检测。
环境信息例如包括当前或未来的天气和/或空间信息，如温度、空气湿度、雨量、风速、气压等。空间例如可以是停放地点、如车库。特别优选的是，流体输送装置是氧化剂输送装置，所述氧化剂输送装置将氧化剂输送至燃料电池系统的燃料电池堆或再生器。
根据在此公开的技术，燃料电池系统包括至少一个燃料电池和外围系统组件(亦称为辅助系统组件或BOP组件)，它们可在所述至少一个燃料电池运行时使用。燃料电池包括阳极和阴极，它们尤其是通过离子选择性的分隔器分开。阳极具有用于向阳极供应燃料的供应装置。换言之，阳极在燃料电池系统运行时与燃料储存器流体连通。用于燃料电池系统的优选的燃料包括：氢、低分子量醇、生物燃料或液化天然气。阴极例如具有氧化剂供应装置。优选的氧化剂例如是空气、氢气和过氧化物。离子选择性的分隔器例如可构造为质子交换膜(PEM)。优选使用阳离子选择性的聚合物电解质膜。这种膜的材料包括：和在此，为简单起见通常讨论具有一个燃料电池的系统。当下面以单数说明系统元件时，也应一并包括复数。例如可设有多个燃料电池并且部分设有多个BOP组件。
再生器是所谓的氧化还原燃料电池系统的系统组件，其中，在阴极侧，阴极溶液在阴极和再生器之间循环。WO 2014/001786 A1、DE 102013217858 A1和EP 1999811 A1公开了这种氧化还原燃料电池。
优选地，该方法包括这样的步骤：据此在氧化剂输送装置的休息持续时间期间使氧化剂改道，使得该氧化剂不穿流燃料电池堆或再生器。换言之，机动车的控制装置或者说调节装置能够使在休息持续时间期间基于流体输送装置的休息转速所输送的流体改流到另一装置中。例如可设置旁路。当氧化剂并非空气、而是纯氧气或其它氧化剂时这尤为有利。
附图说明
现在参考图1来说明在此公开的技术。
具体实施方式
图1示意性示出通过轴承中的摩擦引起的转矩Md关于转速n的关系。作为实线示出从轴承停止开始的起动。一开始使用起动力矩Md los以便使支承在气动轴承中的轴开始运动。空气轴承通常具有保持装置、如弹簧装置。该保持装置在停止时贴靠在轴上。当轴从停止开始加速时，在n＝0至n固体加速的转速范围内存在固体摩擦或者说静摩擦。保持装置与轴持续接触。在n＝n固体加速至n浮起的转速范围内存在混合摩擦。在浮起转速n浮起时或该浮起转速以上，轴承建立用于无混合摩擦地支承的气膜。在浮起转速n浮起以上的该转速范围内运行流体输送装置。
通常，对于浮起转速n浮起设有一定的安全裕度，以便能够可靠避免可能的轴承损坏。例如，输送装置可具有由下运行极限转速n下运行和上运行极限转速n上运行限定的输送范围，其中，下运行极限转速n下运行与浮起转速n浮起相差足够大。
摩擦力矩Md持续减小直至浮起转速n浮起。在空气摩擦范围中(即n大于或等于n浮起)，摩擦力矩Md又逐渐略微增加。
现在当输送装置从输送范围再次减速时，则在减速过程期间直至浮起转速n浮起再次呈现与起动大致相同的、依赖于转速的力矩曲线。
但在低于浮起转速n浮起时则呈现另一依赖于转速的力矩曲线，该另一力矩曲线在图1中以虚线示出。空气摩擦范围、即其中存在用于无混合摩擦地支承的气膜的范围首先延续直至降下转速n降下。在降下转速n降下直至转速n固体减速中存在混合摩擦，之后在还更低的转速下出现静摩擦或者说固体摩擦。
降下转速n降下低于浮起转速n浮起。根据在此公开的技术，当输送装置处于休息模式或者说待机模式时，输送装置或者说输送装置的轴承应正好在降下转速n降下和浮起转速n浮起之间的休息范围内运行。休息范围因此比输送装置的输送范围具有相比之下较低的转速。摩擦力矩在该休息范围内较小。与此相应，能量消耗在休息模式中也较小。
应注意，图1中的力矩曲线仅示意性且简化地示出。不同转速(如降下转速n降下和浮起转速n浮起)的值与轴承的构造和存在的负载有关。这些转速可通过实验确定。
本发明的上述描述仅用于说明目的并且不用于限制本发明。在本发明的范围内，可在不背离本发明范围及其技术等价物的情况下实现各种改进和改型。

Claims (9)

1.用于运行机动车的包括至少一个气动轴承的流体输送装置的方法，包括下述步骤：
－使气动轴承的转速下降至休息转速(n0)，
该休息转速(n0)低于浮起转速(n浮起)，在浮起转速中轴承建立用于无混合摩擦地支承的气膜，并且
该休息转速(n0)高于降下转速(n降下)，在降下转速中轴承减少气膜，以致出现混合摩擦，并且
－以休息转速(n0)运行流体输送装置的轴承。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当机动车运行时，不关停流体输送装置并且至少以休息转速(n0)运行轴承。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当机动车前行时，不关停流体输送装置并且至少以休息转速(n0)运行轴承。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当机动车以最大70km/h、优选最大50km/h并且特别优选最大30km/h的速度前行时，不关停流体输送装置并且至少以休息转速(n0)运行轴承。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，当通过高压蓄能器提供驱动能量时，不关停流体输送装置并且至少以休息转速(n0)运行轴承。
6.根据上述权利要求之一所述的方法，还包括下述步骤：
－预测休息持续时间，并且
－当预测到的休息持续时间超过休息持续时间的极限值时，关停流体输送装置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，预测休息持续时间包括下述步骤：
－检测驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息；并且
－在考虑驾驶行为信息、导航信息和/或环境信息的情况下预测休息持续时间。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述流体输送装置是氧化剂输送装置，所述氧化剂输送装置将氧化剂输送至燃料电池堆和/或再生器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在氧化剂输送装置的休息持续时间期间使氧化剂改道，使得该氧化剂不穿流燃料电池堆或再生器。
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