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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Fahrzeuge mit Energierückgewinnungssystemen, beispielsweise Systeme zur Abwärmerückgewinnung, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird Wärme aus einem Abgas, einer Abwärme eines Verbrennungsmotors und/oder aus einem Kühlmittel mittels eines thermodynamischen Kreislaufs in kinetische Energie umgewandelt, welche dann in einen Antriebsstrang des Fahrzeugs eingespeist wird und zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt und/oder in elektrische Energie umgewandelt und in ein elektrisches Netz eingespeist wird. Ziel ist es dabei, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu reduzieren.
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Ein thermodynamischer Kreislauf zur Energierückgewinnung, beispielsweise ein Clausius-Rankine-Kreislauf, wird üblicherweise mit einem geeigneten Arbeitsmedium geführt. Das Arbeitsmedium wird durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende, heiße Dampf über eine geeignete Expansionsmaschine, z. B. eine Gasturbine, entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird. Zum Schluss wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert und erneut der Pumpe zugeführt.
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Die
DE 10 2011 052 894 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Überwachen einer Windturbine, mittels welcher Windenergie in ein mechanisches Drehmoment gewandelt wird und mehrere Generatoren angetrieben werden. Das Überwachungssystem umfasst wenigstens einen akustischen Sensor, der konfiguriert ist, eine akustische Emission zu messen, die von wenigstens einer Komponente der Windturbine erzeugt wird. Des Weiteren umfasst das Überwachungssystem ein Steuersystem, das konfiguriert ist, wenigstens eine Abnutzungscharakteristik der Komponente basierend auf der gemessenen akustischen Emission zu berechnen. Die Abnutzungscharakteristik umfasst beispielsweise einen gegenwärtigen Abnutzungsumfang, eine Abnutzungsrate und/oder einen vorhergesagten Abnutzungsumfang der Komponente.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Überwachung einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Überwachung einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung in einem Fahrzeug ist zur Ermittlung eines Verschleißes oder Defektes einer in einen Arbeitskreislauf der Vorrichtung eingebundenen Expansionsmaschine erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einem Systemstart der Vorrichtung ein der Expansionsmaschine im Normalbetrieb des Arbeitskreislaufs nachgeschalteter elektrischer Generator mittels eines Umrichters als Antriebseinheit für die Expansionsmaschine derart betrieben wird, dass die Expansionsmaschine mit einer Solldrehzahl bewegt wird. Dabei wird ein elektrischer Energieverbrauch des Generators zum Antrieb der Expansionsmaschine bis zum Erreichen der Solldrehzahl ermittelt, wobei auf einen Verschleiß oder einen Defekt der Expansionsmaschine geschlossen wird, wenn der ermittelte Energieverbrauch einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache und zuverlässige Detektion eines Verschleißes oder Defektes der Expansionsmaschine. Zur Ermittlung des Verschleißes oder Defektes der Expansionsmaschine wird bevorzugt ein vom Elektromotor angetriebener Hochlauf des Expanders ausgewertet. Bei diesem Anschleppen der Expansionsmaschine spielen Einflüsse des Rankine-Kreislaufs kaum eine Rolle. Deshalb kann man von den sich ergebenden Daten auf einen Verschleiß der Expansionsmaschine ausgehen. Bevorzugt ist die elektrische Maschine in die Expansionsmaschine baulich integriert. Üblicherweise ist in den Arbeitskreislauf der Vorrichtung, der typischerweise als ein Clausius-Rankine-Kreislauf ausgebildet ist, eine Anzahl bestimmter Sensoren eingebunden, die systemrelevante Parameter im Betrieb der Vorrichtung erfassen. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung Stromsensoren, die einen Stromverbrauch im Betrieb der Vorrichtung kontinuierlich oder zyklisch erfassen. Daraus resultierend können ein Bedarf an elektrischer Energie, eine umgesetzte elektrische Leistung und/oder ein Wirkungsgrad der Vorrichtung ermittelt werden. Da die systemrelevanten Parameter im Betrieb der Vorrichtung erfasst werden, kann das Verfahren mittels Implementierung einer Überwachungssoftware ohne Eingriff in die bestehende Struktur der Vorrichtung umgesetzt werden. Zudem kann mittels des Verfahrens überprüft werden, ob regelmäßige Wartungsintervalle für die Expansionsmaschine erforderlich sind. Darüber hinaus ist eine Überprüfung der Expansionsmaschine beim Systemstart der Vorrichtung vorteilhaft, weil dabei noch keine thermische Energie in den Arbeitskreislauf eingebracht wurde.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Abwärmenutzung mit einer Expansionsmaschine,
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Expansionsmaschine und
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3 ein Moment-Drehzahl Diagramm einer Expansionsmaschine und
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4 ein Energie-Zeit-Diagramm einer Expansionsmaschine.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Abwärmenutzung (Waste Heat Recovery), insbesondere zur Abgaswärmenutzung (Exhaust Heat Recovery), aus Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine 2 eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs. Die Vorrichtung 1 ist hierbei stark vereinfacht dargestellt und kann über die vorliegende Darstellung hinaus weitere Komponenten umfassen, auf die hier nicht näher eingegangen wird.
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In der Verbrennungskraftmaschine 2 wird Kraftstoff verbrannt. Dabei entstehendes Abgas wird über eine Abgasleitung 3 abgeführt. Das Abgas in der Abgasleitung 3 wird hierbei als thermische Energiequelle für einen Arbeitskreislauf der Vorrichtung 1, beispielsweise für einen Dampfkreisprozess, insbesondere für einen Clausius-Rankine-Kreisprozess oder für einen Organic-Rankine-Kreisprozess, genutzt.
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Im Arbeitskreislauf wird ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser oder ein Ethanol-Wasser-Gemisch, in einem geschlossenen System geführt. Das Arbeitsmedium wird im flüssigen Zustand von einer Pumpe 4 zu einem Verdampfer 5 gepumpt. Im Verdampfer 5 findet eine Übertragung von Wärmeenergie vom Abgas auf das Arbeitsmedium statt, so dass dieses verdampft und auf einen hohen Druck gebracht wird. Ein so entstehender Arbeitsmediumdampf wird einer Expansionsmaschine 6, z. B. einer Turbine, einem Scrollexpander, einer Kolbenmaschine, zugeführt, die mit einem elektrischen Generator 7 gekoppelt ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Generator 7 zudem einen Umrichter 8, insbesondere einen Stromrichter, auf, mittels welchem der Generator 7 als Motor betreibbar ist.
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Das dampfförmige Arbeitsmedium entspannt sich beim Durchlaufen der Expansionsmaschine 6 und eine hierbei geleistete Arbeit wird in einem Normalbetrieb der Vorrichtung 1 mittels des Generators 7 in elektrische Energie umgewandelt. Nach dem Durchlaufen der Expansionsmaschine 6 wird der Arbeitsmediumdampf in einem Kondensator 9 kondensiert, wobei hier eine Wärmeübertragung zu einem geeigneten Kühlmedium erfolgen kann. Dieses Kühlmedium kann in einer Ausführungsform als das gleiche Medium wie das Arbeitsmedium ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Kühlmedium im Kondensator 9 von dem Arbeitsmedium durch eine Trennwand getrennt. Das Kühlmedium kann über einen Kühler des Fahrzeugs geführt werden. Das Arbeitsmedium wird aus dem Kondensator 9 wieder der Pumpe 4 zugeführt.
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2 zeigt schematisch ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Expansionsmaschine 6 in Schnittdarstellung, insbesondere in einem Querschnitt.
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Die Expansionsmaschine 6 ist in der dargestellten Ausführungsform als eine sogenannte Scrolleinheit, bestehend aus einer Kombination eines Scrollverdichters und eines Expanders, ausgebildet.
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Die Scrolleinheit umfasst zwei ineinander verschachtelte Spiralen 6.1, 6.2. Eine der Spiralen 6.1, 6.2 ist dabei feststehend und wird im Folgenden als feststehende Spirale 6.1 weitergeführt. Die andere der Spiralen 6.1, 6.2 ist auf einer kreisförmigen Bahn K exzentrisch relativ zur feststehenden Spirale 6.1 bewegbar und wird im Folgenden als bewegbare Spirale 6.2 weitergeführt.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird der Arbeitsmediumdampf im Wesentlichen einer in Betrachtungsrichtung liegenden Mitte der Scrolleinheit zugeführt. Dadurch wird der Arbeitsmediumdampf komprimiert und es entsteht ein Überdruck, aus welchem resultierend sich die bewegbare Spirale 6.2 zu bewegen beginnt. Diese Bewegung ermöglicht es dem komprimierten Arbeitsmediumdampf sich nach außen hin auszudehnen. Dabei vergrößert sich das Volumen des Arbeitsmediumdampfs, so dass dieser entspannt wird. Eine thermische Energie des Arbeitsmediumdampfs wird somit in eine mechanische Drehbewegung umgewandelt.
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Eine Stirnfläche der bewegbaren Spirale 6.2 reibt bei der Bewegung kontinuierlich auf einer nicht dargestellten Auflagefläche, so dass zur Verringerung einer Reibung zwischen der bewegbaren Spirale 6.2 und der Auflagefläche und damit zur Verringerung eines Verschleißes der Expansionsmaschine 6 bevorzugt eine kontinuierlich vorhandene Schmierung vorzusehen ist.
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Zur Ermittlung eines Verschleißes oder Defektes der Expansionsmaschine 6 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren vorgesehen, bei welchem beim Systemstart der Vorrichtung 1 der Generator 7 mittels des Umrichters 8 als Antriebseinheit für die Expansionsmaschine 6 betrieben wird. Die Expansionsmaschine 6 wird dabei mit einer vorgebbaren Solldrehzahl im Leerlauf betrieben.
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Zum Erreichen der Solldrehzahl benötigt der Generator 7 eine bestimmte Menge an elektrischer Energie. Zur Ermittlung des Energieverbrauchs werden mittels einer Anzahl von hier nicht dargestellten Erfassungseinheiten beispielsweise ein elektrischer Strom, eine elektrische Spannung, eine elektrische Leistung und/oder ein Moment für den Antrieb der Expansionsmaschine 6 erfasst.
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Aus den genannten Größen kann ein elektrischer Energieverbrauch ermittelt und zur Ermittlung eines Verschleißes oder Defektes der Expansionsmaschine 6 herangezogen werden. Dazu wird beispielsweise eine Energiebilanz aus dem ermittelten Energieverbrauch und einer im Normalbetrieb der Vorrichtung 1 umgesetzten Gesamtenergie, insbesondere einer der Vorrichtung 1 zugeführten thermischen Energie, erstellt. Da auch im Normalbetrieb der Vorrichtung 1 die oben genannten Größen mittels Sensoren erfasst werden oder erfassbar sind, kann das Verfahren ohne Eingriff in die bestehende Struktur der Vorrichtung 1 umgesetzt werden. Zudem ermöglich das Verfahren eine systematische Überwachung der Vorrichtung 1.
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Überschreitet die Energiebilanz einen vorgegebenen Grenzwert oder weicht diese in einem zu hohen Maß von einer zu einem früheren Zeitpunkt ermittelten Energiebilanz ab, kann auf eine erhöhte Reibung zwischen der bewegbaren Spirale 6.2 und der Auflagefläche in der Expansionsmaschine 6 und damit auf einen erhöhten Verschleiß oder auf einen Defekt der Expansionsmaschine 6 geschlossen werden. Anstelle einer Energiebilanz kann auch eine Leistungsbilanz aufgestellt werden.
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3 zeigt beispielhaft den Einfluss eines Verschleißes der Expansionsmaschine 6 über eine Drehzahl auf die Leistung. Hierbei ist ein Moment-Drehzahl-Diagramm dargestellt mit einer die Drehzahl repräsentierenden Abszisse x und einer das Moment repräsentierenden Ordinate y.
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Eine im Diagramm dargestellte Funktion F1 mit einem durchgezogenen Linienverlauf zeigt den Verlauf des Moments über die Drehzahl ohne einen Verschleiß der Expansionsmaschine 6. Eine im Diagramm dargestellte weitere Funktion F2 mit einem gestrichelten Linienverlauf zeigt den Verlauf des Moments über die Drehzahl mit einem Verschleiß der Expansionsmaschine 6. Hier ist gezeigt, dass sich das Moment bei Verschleiß der Expansionsmaschine 6 im Anlauf und Verlauf erhöht. Über die Drehzahl erhöht sich die Reibung und das Moment steigt weiter. Folglich ist im Arbeitskreislauf eine höhere Leistungsumsetzung erforderlich, um die gleiche elektrische Leistung abzugeben. Da sich ein Wirkungsgrad des Arbeitskreislaufes als Quotient von abgegebener und in den Arbeitskreislauf eingebrachter Leistung berechnet, sinkt der Wirkungsgrad mit höherem Verschleiß. Zusammenfassend kann hierbei gesagt werden, dass sich ein Anlaufmoment und ein Energieeintrag über die Zeit bzw. bei Verschleiß ändern.
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4 zeigt ein Energie-Zeit-Diagramm mit einer die Zeit repräsentierenden Abszisse x und mit einer die Energie repräsentierenden Ordinate y.
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Im vorliegenden Diagramm sind zwei Funktionen F3, F4 gezeigt, die bei Systemstart der Vorrichtung 1, bei welcher der elektrische Generator 7 als Motor betrieben wird und die Expansionsmaschine 6 antreibt, aufgezeichnet werden. Erfasst wird hierbei die elektrische Energie, die benötigt wird, um die Expansionsmaschine 6 mit der vorgegebenen Solldrehzahl, z. B. 2500 Umdrehungen pro Minute, anzutreiben. Dazu können die zuvor beschriebenen Größen, z. B. ein Stromverbrauch, erfasst werden.
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Eine Funktion F3 mit durchgezogenem Linienverlauf zeigt den Verlauf der elektrischen Energie über die Zeit ohne einen Verschleiß der Expansionsmaschine 6. Eine weitere Funktion F4 mit gestricheltem Linienverlauf zeigt den Verlauf der elektrischen Energie über die Zeit mit einem Verschleiß der Expansionsmaschine 6. Hierbei ist die Abweichung der notwendigen elektrischen Energie bei einem Verschleiß der Expansionsmaschine 6 deutlich zu erkennen. Die Abweichung kann durch eine thermische Ausdehnung, einen Verschleiß und/oder einen Defekt begründet sein.
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Zum Erkennen eines Verschleißes oder Defektes im gezeigten Diagramm wird anstelle der Betrachtung einzelner Messwerte vorzugsweise der vollständige Verlauf über die Zeit analysiert. Damit sind stochastische und systematische Fehler verringerbar.
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Wird ein Verschleiß oder Defekt ermittelt, kann eine Warnung generiert und ausgegeben werden und dabei ein Betrieb der Vorrichtung 1 automatisch unterbrochen werden, um weitere Beschädigungen zu verhindern.
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Gegebenenfalls kann mittels eines vom Verschleiß abhängigen Offsets eines erforderlichen Moments in einer hier nicht dargestellten Vorregelungseinheit eines Regelkreises des Arbeitskreislaufes einer unerwünschten, verschleißbedingten Wirkung auf die gesamte Vorrichtung 1 regelungsseitig entgegengewirkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 3
- Abgasleitung
- 4
- Pumpe
- 5
- Verdampfer
- 6
- Expansionsmaschine
- 6.1
- feststehende Spirale
- 6.2
- bewegbare Spirale
- 7
- Generator
- 8
- Umrichter
- 9
- Kondensator
- F1 bis F4
- Funktion
- K
- Bahn
- x
- Abszisse
- y
- Ordinate
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011052894 A1 [0004]
