DE102012216537A1

DE102012216537A1 - Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012216537A1
Application number: DE201210216537
Authority: DE
Inventors: Florian Schmitt; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (1), aufweisend die Schritte: – Berechnen einer thermischen Leistung von Abgas der Brennkraftmaschine (1) aus Zustandsparametern der Brennkraftmaschine (1); – Berechnen eines Wirkungsgrads der Vorrichtung (10) aus Zustandsparametern der Vorrichtung (10); – Berechnen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung (10) aus der thermischen Leistung des Abgases und dem Wirkungsgrad der Vorrichtung (10); – Erfassen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung (10); und – Vergleichen der berechneten Ausgangsleistung mit der erfassten Ausgangsleistung der Vorrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bekannt, mit denen aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren Energie zurückgewonnen werden kann. Eine Variante derartiger Vorrichtungen sieht vor, thermische Energie des Abgases in elektrische Energie umzuwandeln, die dann in ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist wird. Dabei hängt ein Gesamtwirkungsgrad des Systems stark davon ab, ob diese zusätzliche Energie elektrische Energie überhaupt genutzt wird, d.h. entweder in der Batterie gespeichert oder direkt von verschiedenen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug verwendet wird.
DE 10 2006 057 247 A1 offenbart eine Aufladeeinrichtung, die zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine dient. Im Abgastrakt der Brennkraftmaschine ist mindestens ein Wärmetauscher eines Kreislaufes eines Arbeitsmediums untergebracht. In dem Kreislauf sind außerdem ein Turbinenteil und ein Förderaggregat angeordnet. Über das Turbinenteil wird ein im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnetes Verdichterteil angetrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, aufweisend die Schritte:

– Berechnen einer thermischen Leistung von Abgas der Brennkraftmaschine aus Zustandsparametern der Brennkraftmaschine;
– Berechnen eines Wirkungsgrad der Vorrichtung aus Zustandsparametern der Vorrichtung;
– Berechnen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung aus der thermischen Leistung des Abgases und dem Wirkungsgrad der Vorrichtung;
– Erfassen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung; und
– Vergleichen der berechneten mit der erfassten Ausgangsleistung der Vorrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen thermodynamischen Leitungskreis, in dem wenigstens ein Wärmetauscher, eine Expansionsmaschine, ein Kondensator und eine Pumpe angeordnet sind, wobei im thermodynamischen Leitungskreis ein Arbeitsmedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungseinrichtung eine ordnungsgemäße Funktionalität der Vorrichtung überprüft werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei einem Abweichen der erfassten von der berechneten Ausgangsleistung um einen definierten Wert eine Fehlfunktion der Vorrichtung diagnostiziert wird. Dadurch kann mittels einer Festlegung eines Differenzwerts sowie einer Subtraktion von Ausgangsleistungen auf komfortable Weise auf eine Fehlfunktion der Vorrichtung geschlossen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Ausgangsleistungen für definierte Betriebspunkte der Vorrichtung berechnet und erfasst werden. Dadurch ist es über ein Versetzen der Vorrichtung in definierte Betriebszustände vorteilhaft möglich ordnungsgemäße Funktionalitäten zu überprüfen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens ein Aktor der Vorrichtung in definierter Weise verstellt wird, wobei ermittelt wird, ob sich dadurch die erfasste Ausgangsleistung der Vorrichtung in einem erwarteten Ausmaß verändert. Dies ist insbesondere für den Fall sinnvoll, dass bereits eine Fehlfunktion der Vorrichtung in allgemeiner Form diagnostiziert wurde, so dass nunmehr in weiterer Folge auf Komponentenebene überprüft wird, welches Element bzw. welche Komponente der Vorrichtung fehlerhaft ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass jeder Aktor der Vorrichtung nacheinander in definierter Weise verstellt wird, wobei zu jeder Stellung des Aktors eine Soll-Ausgangsleistung der Vorrichtung berechnet wird. Aufgrund der sequenziellen Verstellung der Aktoren kann eine Diagnose von möglichen Fehlerquellen der Vorrichtung sehr systematisch und effizient durchgeführt werden, so dass auf diese Art und Weise eine fehlerhafte Komponente noch schneller detektiert werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren in einem regulären Betrieb eines Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine ausgeführt wird. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine ordnungsgemäße Funktionalität der Vorrichtung während des Fahrbetriebs dauerhaft zu erfassen, wodurch eine Einhaltung von unter Umständen kritischen Emissionswerten des Fahrzeugs unterstützt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass definierte Intervalle zwischen einzelnen Diagnostizierschritten eingehalten werden. Auf diese Art wird in festlegbaren Intervallen überprüft, ob die Vorrichtung geforderten Spezifikationen entspricht, wodurch eine effektive Langzeitanalyse der Vorrichtung bereitgestellt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Expansionsmaschine der Vorrichtung als Turbinen-Generator-Einheit ausgebildet ist, wobei mittels eines Drehzahlsensors eine Drehzahl der Turbinen-Generator-Einheit erfasst wird, wobei eine Änderung der Drehzahl der Turbinen-Generator-Einheit pro Zeiteinheit erfasst wird. Für den Fall, dass die Expansionsmaschine einen elektrischen Generator umfasst und nicht starr mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, kann man auf diese Weise über Drehzahlmessungen vorteilhaft auf Defekte der Turbinen-Generator-Einheit rückschließen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Expansionsmaschine der Vorrichtung als eine mechanische Kolbenmaschine ausgebildet ist, wobei mittels eines Freilaufs der Kolbenmaschine und mittels eines Drehzahlsensors die Drehzahl der freilaufenden Kolbenmaschine erfasst wird, wobei eine Änderung der Drehzahl pro Zeiteinheit erfasst wird. Dies ergibt vorteilhaft eine Möglichkeit, die im Wesentlichen starre Kopplung zwischen der Kolbenmaschine und der Kurbelwelle temporär aufzuheben, wodurch eine Diagnosemöglichkeit für die Kolbenmaschine bereitgestellt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass eine Messung einer Temperatur vor und nach einem Kondensator der Vorrichtung sowie eine Messung einer Temperatur eines Kühlwassers des Kondensators durchgeführt werden. Dadurch kann verifiziert werden, ob eine mittels des Kondensators abgeführte Wärmemenge einem vorgesehenen Ausmaß entspricht, wodurch eine Funktionalität des Kondensators der Vorrichtung überprüft werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass eine definierte Veränderung einer Drehzahl einer Pumpe durchgeführt wird, wobei ein Vergleich zwischen einer errechneten und einer gemessenen Temperatur eines Arbeitsmediums hinter einem Wärmetauscher der Vorrichtung durchgeführt wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft die für den thermodynamischen Kreislauf der Vorrichtung wichtige Regelgröße der Förderleistung der Speisepumpe der Vorrichtung diagnostiziert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass Schwellenwerte von Zustandsparametern derart definiert werden, dass bei einem Über- bzw. Unterschreiten der Schwellenwerte eine Fehlfunktion der Vorrichtung diagnostiziert wird. Dadurch kann individuell festgelegt werden, bei welchem Schwellenwert des jeweiligen Zustandsparameters eine Fehlfunktion der Vorrichtung eintritt. Auf diese Weise ist eine sehr systematische Fehlersuche und Fehlerbehebung für die Vorrichtung unterstützt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass diagnostizierte Fehler der Vorrichtung in einem Fehlerspeicher abgelegt werden. Dadurch stehen die gespeicherten Fehlerbilder vorteilhaft zu einer weiteren Auswertung und Nachbearbeitung zur Verfügung.
Vorteile der Erfindung
Als besonders vorteilhaft wird bei der Erfindung angesehen, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine effiziente Diagnosemöglichkeiten bereitgestellt werden. Damit ist es möglich, Fehlfunktionen gezielt einzugrenzen bzw. einwandfrei zu diagnostizieren sowie einen ordnungsgemäßen Betrieb der Vorrichtung permanent zu überprüfen. Vorteilhaft sind dadurch eine Sicherheitsstufe und eine Betriebsdauer für die Vorrichtung erhöht. Gegebenenfalls können geeignete Schritte unternommen werden, um die Vorrichtung wieder in einen ordnungsgemäßen Betrieb zu versetzen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine; und
2 ein prinzipielles Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 10 zur Nutzung von Abwärme einer Brennkraftmaschine bzw. eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Die Vorrichtung 10 zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine 1 weist einen thermodynamischen Arbeitskreis 4 auf, in welchem ein Arbeitsmedium gefördert wird. Im thermodynamischen Arbeitskreis 4 sind wenigstens ein Wärmetauscher 14, eine Expansionsmaschine 11, ein Kondensator 13 und eine Pumpe 16, welche das Arbeitsmedium innerhalb des thermodynamischen Arbeitskreises 4 transportiert, angeordnet.
Die Brennkraftmaschine 1 kann insbesondere als luftverdichtende, selbstzündende oder gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine 1 ausgestaltet sein. Insbesondere eignet sich die Vorrichtung 10 zur Abwärmenutzung für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen, kann alternativ aber auch für andere Anwendungsfälle, z.B. in stationären oder halbstationären Anwendungen eingesetzt werden.
Die Brennkraftmaschine 1 verbrennt Brennstoff, um dadurch mechanische Energie zu erzeugen. Die im Verbrennungsvorgang entstehenden Abgase werden über eine Abgasanlage, in der ein Abgaskatalysator (nicht dargestellt) angeordnet sein kann, ausgestoßen. Ein Leitungsabschnitt 3 der Abgasanlage ist durch einen Wärmetauscher 14 geführt. Wärmeenergie aus den Abgasen wird über den Leitungsabschnitt 3 der Abgasanlage mittels des Wärmetauschers 14 an das Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 14 verdampft werden kann. Optional kann ein weiterer Wärmetauscher auch in einem Abgasrückführungspfad (nicht dargestellt) angeordnet sein.
Der Wärmetauscher 14 der Vorrichtung 10 ist über eine Leitung 5 mit einer Expansionsmaschine 11 verbunden. Die Expansionsmaschine 11 kann beispielsweise als eine Turbine mit angeschlossenem Generator (Turbinen-Generator-Einheit) oder als eine mechanische Kolbenmaschine, die im Wesentlichen starr auf eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 bzw. des Motors einwirkt, ausgestaltet sein. Über die Leitung 5 strömt das verdampfte Arbeitsmedium zur Expansionsmaschine 11 und treibt diese an. Der erzeugte Dampf wird zum Beispiel über steuer- bzw. regelbare Lavaldüsen (nicht dargestellt) auf ein Turbinenrad (nicht dargestellt) der Expansionsmaschine 11 geleitet, welches über eine Welle 11a mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Die erzeugte elektrische Energie kann elektrischen Verbrauchern und/oder einer Batterie des Fahrzeugs zugeführt werden. Um eine elektrische Last der Turbinen-Generator-Einheit (z.B. 2 kW) bedienen zu können, sind eine entsprechende Wärmeenergie im Abgas und damit ein entsprechender Lastzustand der Brennkraftmaschine 1 Voraussetzung.
Auf diese Weise kann beispielsweise mechanische Energie an einen Antriebsstrang übertragen werden oder zum Antreiben eines Generators, einer Pumpe oder einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 dienen. Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 11 wird das Arbeitsmedium über eine Leitung 6 einem Kondensator 13 zugeführt. Das über die Expansionsmaschine 11 entspannte Arbeitsmedium wird im Kondensator 13 abgekühlt. Der Kondensator 13 kann optional mit einem Kühlkreislauf 18 der Brennkraftmaschine 1 verbunden sein. Das im Kondensator 13 verflüssigte Arbeitsmedium wird als Kondensat über die Leitung 7 mittels einer steuer- bzw. regelbaren Pumpe 16 („Speisepumpe“) in die Leitung 8 transportiert, um danach wieder dem Wärmetauscher 14 zugeführt zu werden.
Als Arbeitsmedium kann Wasser oder ein anderes flüssiges Medium mit höherem thermodynamischem Wirkungsgrad eingesetzt werden, z.B. Toluol, Ethanol, Silikonöl, usw. Diese haben jedoch teilweise den Nachteil, dass sie leicht entzündlich bzw. giftig sind.
Das Arbeitsmedium erfährt beim Durchströmen des Leitungskreises 4 also thermodynamische Zustandsänderungen, die idealerweise einem Rankine-Cycle-Prozess entsprechen. In der flüssigen Phase wird das Arbeitsmedium durch die Pumpe 16 auf das Druckniveau für die Verdampfung komprimiert. Anschließend wird die Wärmeenergie des Abgases über den Wärmetauscher 14 an das Arbeitsmedium abgegeben. Dabei wird das Arbeitsmedium isobar verdampft und anschließend überhitzt. Danach wird der Dampf in der Expansionsmaschine 11 adiabat entspannt. Dabei wird mechanische Energie gewonnen und auf die Antriebswelle 11a übertragen. Das Arbeitsmedium wird dann im Kondensator 13 abgekühlt und wieder der Pumpe 16 zugeführt.
Eine Bypassverbindung 19 ist parallel zur Expansionsmaschine 11 angeordnet. Die Bypassverbindung 19 dient vor allem dazu, dass zu einer Betriebsvorbereitung der kalten Vorrichtung 10 Kondensat aus der Dampfstrecke kontrolliert ausgeblasen werden kann. Insbesondere soll dadurch erreicht werden, dass auf die Expansionsmaschine 11 im Wesentlichen nur dampfförmiges Arbeitsmedium aufgebracht wird, um dadurch Kavitation und damit Beschädigungen der Expansionsmaschine 11 zu verhindern. Zu diesem Zweck ist in der Bypassverbindung 19 ein Ventil 17, vorzugsweise ein Dreiwegeventil, angeordnet, durch welches die Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch die Bypassverbindung 19 kontrolliert werden kann. Das Ventil 17 kann vollständig geöffnet oder geschlossen sein und auch weitere Positionen annehmen, durch die eine Durchflussmenge des Arbeitsmediums durch die Bypassverbindung 19 geregelt wird.
Aus der oben beschriebenen Vorrichtung 10 ist also erkennbar, dass sie eine Reihe von Zustandsparametern bzw. Aktoren aufweist, die zu einer ordnungsgemäßen Funktionalität der Vorrichtung 10 allesamt im Wesentlichen korrekt eingestellt sein sollten. Wünschenswert ist also eine Diagnosemöglichkeit, um ein ordnungsgemäßes oder fehlerhaftes Funktionieren der Vorrichtung 10 festzustellen.
Die Erfindung schlägt nunmehr ein Verfahren zum diagnostizierenden Betreiben der Vorrichtung 10 vor. 2 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem ersten Schritt S1 wird aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 1 mittels Zustandsparametern der Brennkraftmaschine 1 eine thermische Leistung des Abgases berechnet. Dafür geeignete Zustandsparameter sind zum Beispiel eine Ansaugluftmenge, bzw. -temperatur, Kraftstoff-Einspritzmenge, usw., wobei die genannten Zustandsparameter einer funktional mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Steuerungseinrichtung 2 bekannt sind. Dadurch ist es möglich, die thermische Energiemenges des Abgases der Brennkraftmaschine 1 in beliebigen Zeitabschnitten zu berechnen.
In einem zweiten Schritt S2 wird ein Wirkungsgrad der Vorrichtung 10 aus Zustandsparametern der Vorrichtung 10 berechnet. Dazu geeignete Zustandsparameter sind beispielsweise eine Stellung von Klappen, eine Stellung der Lavaldüsen, ein Öffnungsgrad des Ventils 17 für die Bypassverbindung 19, usw.
In einem dritten Schritt S3 wird aus den zuvor berechneten Größen Wirkungsgrad der Vorrichtung 10 sowie thermische Leistung des Abgases eine erwartete Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 berechnet.
In einem vierten Schritt S4 wird die Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 erfasst bzw. gemessen, beispielsweise durch eine Messung von Strom und Spannung, die von der Turbinen-Generator Einheit geliefert werden.
In einem fünften Schritt S5 werden die errechnete und die gemessene Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 miteinander verglichen.
Bei einem definierten bzw. signifikanten Abweichen der genannten Leistungen kann eine Fehlfunktion der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 10 diagnostiziert werden. Ein Differenzwert, ab dem eine Fehlfunktion der Vorrichtung 10 diagnostiziert wird, kann vorab definiert werden. Weicht die berechnete Ausgangsleistung von der gemessenen Ausgangsleistung signifikant ab, kann dies sowohl auf eine Veränderung des Arbeitsmediums als auch auf eine Fehlfunktion eines Aktors zurückzuführen sein. In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deshalb nunmehr eine genauere Detektion der Fehlerursache auf Komponentenebene durchgeführt.
Durch die oben beschriebene Diagnose kann die Vorrichtung 10 bei einer Fehlfunktion beispielsweise in jedem beliebigen Betriebs- bzw. Arbeitspunkt überprüft werden. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, dass bei diagnostizierten Fehlfunktionen durch ein Anfahren bestimmter Betriebspunkte die Vorrichtung 10 in einen definierten Betriebszustand versetzt wird und eine Veränderung der abgegebenen Leistung gemessen wird. Dadurch können konkrete Rückschlüsse auf Fehlerursachen gezogen werden.
Zeigt das System eine Abweichung der Ist-von der Soll-Leistung in einem relevanten Ausmaß, wird eine Reaktion des Systems auf Veränderung eines jeden Zustandsparameters (z.B. Stellung von Klappen, Stellung der Lavaldüsen, Förderleistung bzw. Drehzahl der Pumpe, usw.) überprüft. Werden alle Parameter nacheinander durchgeprüft, lässt sich anhand der jeweiligen Reaktion erkennen, welcher Parameter eine Fehlfunktion verursacht. Dadurch kann die Fehlerquelle gezielt eingegrenzt und geeignete Maßnahmen zur Fehlerbehebung getroffen werden.
Die gleiche Funktion kann auch dafür genutzt werden, wenn während eines regulären Betriebs der Brennkraftmaschine 1 (Fahrbetrieb) alle Aktoren der Vorrichtung 10 auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden sollen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 10 in regelmäßigen Abständen (beispielsweise während jeder ersten Inbetriebnahme jeder Fahrt) auf ihre volle Funktionsfähigkeit überprüft werden. Dabei wird jeder Aktor (oder auch nur die zu prüfenden Aktoren) aktiv verstellt und die Reaktion des Systems in Form der geänderten Ausgangsleistung gemessen.
Zu jeder Einstellung der Aktoren kann die Soll-Ausgangsleistung der Vorrichtung 10 berechnet und in einem Speicher hinterlegt werden. Durch einen Vergleich von Sollmit Ist-Ausgangsleistungen ist es also möglich, eine Aussage darüber zu treffen, ob das Gesamtsystem korrekt funktioniert. Wird dies bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine 1, also bei verschiedenen Abgas-Leistungen bzw. -Energien, durchgeführt, kann auf diese Weise vorteilhaft eine komplette Betriebsbereichsüberprüfung der Vorrichtung 10 vorgenommen werden.
Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Diagnosemöglichkeiten kann für den Fall, dass die Expansionsmaschine 11 als eine Turbinen-Generator-Einheit ausgebildet ist, noch ein Drehzahlsensor 12 vorgesehen werden. Mit dem Drehzahlsensor 12 wird eine Drehzahl der Welle 11a der Turbinen-Generator-Einheit erfasst, wobei durch diese zusätzliche Information der Drehzahl bzw. einer Änderung der Drehzahl über der Zeit (Pulsationen der Drehzahl) der Turbinen-Generator-Einheit in Verbindung mit den schon beschriebenen Diagnosen noch eine erweiterte Diagnose durchgeführt werden kann. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, aus einem Betriebspunkt der Vorrichtung 10 eine Soll-Drehzahl der Turbinen-Generator-Einheit zu berechnen und diese mit einer Ist-Drehzahl zu vergleichen. Über einen Grad der Abweichung können sodann Rückschlüsse auf konkrete Fehler (z.B. Lagerschaden, Beschädigung der Turbine, etc.) gezogen werden.
Für den Fall, dass die Expansionsmaschine 11 eine mechanische Ankopplung an eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 aufweist, kann ein Freilauf (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der eine Entkopplung der Expansionsmaschine 11 von der Kurbelwelle bewirkt, wodurch eine Drehzahl der Welle 11a in der oben beschriebenen Art und Weise erfasst werden kann und dadurch Rückschlüsse auf Fehler der Kolbenmaschine gezogen werden können.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können noch weitere Elemente bzw. Komponenten der Vorrichtung 10 genauer diagnostiziert werden. Beispielsweise kann durch eine Messung der Temperatur des Arbeitsmediums vor und nach dem Kondensator 13 sowie durch eine Messung einer Temperatur des Kondensatorkühlwassers im Kühlkreislauf 18 mittels der oben beschriebenen Berechnungen der Kondensator 13 auf seine Funktionalität hin überprüft werden. Insbesondere kann dadurch eine vom Kondensator 13 abgeführte Wärmemenge Q_AB ermittelt werden. Es lässt sich auf diese Weise vorteilhaft feststellen, ob eine Fehlfunktion des Kondensators 13 vorliegt, oder ob eine Kühlung des Kondensators 13 durch das Kühlwasser des Kühlkreislaufs 18 nicht mehr ausreichend ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mittels des errechneten Betriebszustands der Vorrichtung 10 und über eine Sicherstellung von korrekt funktionierenden Komponenten der Vorrichtung 10 mittels der oben beschriebenen Diagnose die Pumpe 16 genauer überprüft werden. Dabei wird eine Temperatur des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer innerhalb des Wärmetauschers 14 gemessen und mit einer errechneten Soll-Temperatur verglichen. Die errechnete Temperatur ergibt sich aus der Soll-Fördermenge der Pumpe 16 und der thermischen Leistung/Energie des Abgases in Verbindung mit dem Wirkungsgrad des Wärmetauschers 14.
Bei Abweichungen lassen sich somit Rückschlüsse auf eine Fehlfunktion des Verdampfers ziehen. Liegt zum Beispiel die Temperatur hinter dem Verdampfer über der errechneten Soll-Temperatur, so fördert die Pumpe 16 nicht ausreichend Arbeitsmedium in den thermodynamischen Arbeitskreis 4 nach, und sollte folglich leistungsmäßig angehoben werden. Liegt die Temperatur hinter dem Verdampfer unter der errechneten Soll-Temperatur, so fördert die Pumpe 16 zu viel Arbeitsmedium in den thermodynamischen Arbeitskreis 4 nach, und sollte demzufolge in ihrer Leistung reduziert werden.
In analoger Weise ist es auch möglich, eine Funktionalität des Wärmetauschers 14 zu diagnostizieren. Über eine Temperaturmessung vor und nach dem Wärmetauscher 14 und über das oben beschriebene Verfahren zur Berechnung der Energiemenge des Abgases durch den Wirkungsgrad des Wärmetauschers 14 kann eine Fehlfunktion des Wärmetauschers 14 diagnostiziert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der ordnungsgemäße Zustand der Aktoren in regelmäßigen Zeitabständen verifiziert wird.
Alle mittels des Verfahrens diagnostizierten Fehler können vorteilhaft in einem Fehlerspeicher 15 abgelegt und optional einem Fahrer eines Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine 1 signalisiert werden. Dadurch kann vom Fahrer eine Fehlfunktion der Vorrichtung 10 schnell erkannt werden und er kann geeignete Maßnahmen zur Behebung des Fehlers einleiten.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, mit dem es vorteilhaft möglich ist, einen betriebssicheren Zustand einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine bis auf Komponentenebene zu verifizieren. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise auch Verunreinigungen oder Austritte des Arbeitsmediums erkannt werden. Für den Fall, dass das Arbeitsmedium im thermodynamischen Arbeitskreis Toluol oder Ethanol ist, kann auf diese Weise eine Sicherheitsstufe des Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine bedeutend erhöht sein, weil weitgehend sichergestellt ist, dass das Toluol oder das Ethanol nicht aus dem thermodynamischen Arbeitskreises austritt. Vorzugsweise läuft das erfindungsgemäße Verfahren im Hintergrund ohne jegliches Zutun des Fahrers ab.
Denkbar ist dabei eine Implementierung des Verfahrens als ein Computerprogramm in der elektronischen Steuerungseinrichtung, wobei das Verfahren sowohl in Hardware als auch in Software implementiert sein kann. Bei einer Implementierung in Software sind vorteilhaft Änderungen bzw. Aktualisierungen des Verfahrens leicht durchzuführen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Steuerungseinrichtung
3: Abgasstrang
4: thermodynamischer Arbeitskreis
5: Fluidleitung
6: Fluidleitung
7: Fluidleitung
8: Fluidleitung
10: Vorrichtung zur Abwärmenutzung
11: Expansionsmaschine
11a: Antriebswelle
12: Drehzahlsensor
13: Kondensator
14: Wärmetauscher
15: Fehlerspeicher
16: Pumpe
17: Ventil
18: Kühlkreislauf
19: Bypassverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006057247 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (1), aufweisend die Schritte: – Berechnen einer thermischen Leistung von Abgas der Brennkraftmaschine (1) aus Zustandsparametern der Brennkraftmaschine (1); – Berechnen eines Wirkungsgrads der Vorrichtung (10) aus Zustandsparametern der Vorrichtung (10); – Berechnen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung (10) aus der thermischen Leistung des Abgases und dem Wirkungsgrad der Vorrichtung (10); – Erfassen einer Ausgangsleistung der Vorrichtung (10); und – Vergleichen der berechneten mit der erfassten Ausgangsleistung der Vorrichtung (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei einem Abweichen der erfassten von der berechneten Ausgangsleistung um einen definierten Wert eine Fehlfunktion der Vorrichtung (10) diagnostiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Ausgangsleistungen für definierte Betriebspunkte der Vorrichtung (10) berechnet und erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei wenigstens ein Aktor der Vorrichtung (10) in definierter Weise verstellt wird, wobei ermittelt wird, ob sich dadurch die erfasste Ausgangsleistung der Vorrichtung (10) in einem erwarteten Ausmaß verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder Aktor der Vorrichtung (10) nacheinander in definierter Weise verstellt wird, wobei zu jeder Stellung des Aktors eine Soll-Ausgangsleistung der Vorrichtung (10) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem regulären Betrieb eines Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine (1) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei definierte Intervalle zwischen einzelnen Diagnostizierschritten eingehalten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Expansionsmaschine (11) der Vorrichtung (10) als Turbinen-Generator-Einheit ausgebildet ist, wobei mittels eines Drehzahlsensors (12) eine Drehzahl der Turbinen-Generator-Einheit erfasst wird, wobei eine Änderung der Drehzahl der Turbinen-Generator-Einheit pro Zeiteinheit erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Expansionsmaschine (11) der Vorrichtung (10) als eine mechanische Kolbenmaschine ausgebildet ist, wobei mittels eines Freilaufs der Kolbenmaschine und mittels eines Drehzahlsensors (12) die Drehzahl der freilaufenden Kolbenmaschine erfasst wird, wobei eine Änderung der Drehzahl pro Zeiteinheit erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messung einer Temperatur vor und nach einem Kondensator (13) der Vorrichtung (10) sowie eine Messung einer Temperatur eines Kühlwassers (18) des Kondensators (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine definierte Veränderung einer Drehzahl einer Pumpe (16) durchgeführt wird, wobei ein Vergleich zwischen einer errechneten und einer gemessenen Temperatur eines Arbeitsmediums hinter einem Wärmetauscher (14) der Vorrichtung (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schwellenwerte von Zustandsparametern derart definiert werden, dass bei einem Über- bzw. Unterschreiten der Schwellenwerte eine Fehlfunktion der Vorrichtung (10) diagnostiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diagnostizierte Fehler der Vorrichtung (10) in einem Fehlerspeicher (15) abgelegt werden.
Vorrichtung (10) zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine (2), aufweisend einen thermodynamischen Leitungskreis (4), in dem wenigstens ein Wärmetauscher (14), eine Expansionsmaschine (11), ein Kondensator (13) und eine Pumpe (16) angeordnet sind, wobei im thermodynamischen Leitungskreis (4) ein Arbeitsmedium zirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungseinrichtung (2) eine ordnungsgemäße Funktionalität der Vorrichtung (10) überprüft werden kann.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wenn es auf einer elektronischen Steuerungseinrichtung (2) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.