DE102018211902A1

DE102018211902A1 - Verfahren zum Überwachen einer Komponente und Kraftstoffsystem

Info

Publication number: DE102018211902A1
Application number: DE102018211902.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente, während durch diese Komponente ein Fluidstrom eines Fluids fließt, wobei ein Massestrom, ein erster Druck des Fluids vor der Komponente sowie ein zweiter Druck des Fluids nach der Komponente ermittelt wird und basierend darauf ein Zustand der Komponente erkannt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftstoffsystem, welches dazu ausgebildet ist, ein solches Verfahren auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente, während durch diese Komponente ein Fluidstrom eines Fluids fließt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftstoffsystem mit einer Steuerungseinrichtung, welche zum Ausführung eines solchen Verfahrens konfiguriert ist.
Kraftstoffsysteme für Kraftfahrzeuge sind an sich bekannt. Während bei den meisten derzeit gebauten Kraftfahrzeugen derartige Kraftstoffsysteme zur Lagerung und Zuführung eines flüssigen Kraftstoffs wie Benzin oder Diesel an einen Verbrennungsmotor dienen, benötigen bestimmte Fahrzeuge gasförmige Kraftstoffe. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Fahrzeuge mit gasbetriebenen Verbrennungsmotoren oder auch um Fahrzeuge mit Brennstoffzellen. Letztere können beispielsweise dazu ausgebildet sein, gasförmigen Kraftstoff wie Wasserstoff oder Erdgas zu verbrennen. Dementsprechend benötigen sie ein Kraftstoffsystem zur Zuführung eines solchen gasförmigen Kraftstoffs.
Kraftstoffsysteme in Kraftfahrzeugen weisen typischerweise Komponenten wie Betankungsleitungen, Druckbehälter, Behälterventile, Rückschlagventile, Druckregler und Drucksensoren auf. Ventile haben dabei typischerweise die Aufgabe, einen Durchfluss situationsabhängig zu versperren oder teilweise oder vollständig freizugeben.
Filter haben typischerweise die Aufgabe, Fremdpartikel im Kraftstoff bzw. im Speicherfluid zurückzuhalten und so diejenigen Komponenten wie beispielsweise Ventilsitze zu schützen, deren Funktion durch Partikel gefährdet sein könnte. Partikel können beispielsweise bereits bei der Betankung ins Systems eingebracht werden, sie können sich aufgrund der Produktion oder Montage im System befinden oder sie können durch den Betrieb des Systems erst entstehen. Ein Beispiel für die letztgenannte Möglichkeit ist ein Abrieb an einem Ventilsitz oder an einem anderen bewegten Teil.
Während sich Filter grundsätzlich zum Schutz von im Fluidstrom nachfolgenden Komponenten bewährt haben, wurde das Problem erkannt, dass sich solche Filter bei ungewöhnlich starkem Partikelanfall zusetzen. Auch bei Ventilen oder anderen bewegten durchströmten Elementen wurde beobachtet, dass diese durch Partikel entsprechender Größe zumindest teilweise blockiert werden können. Beide erwähnten Mechanismen können dazu führen, dass sich der Strömungswiderstand erhöht.
Bei Implementierungen gemäß dem Stand der Technik wird typischerweise erst sehr spät erkannt, dass sich ein Element zugesetzt hat, nämlich wenn signifikante Funktionsstörungen auftreten. Beispielsweise kann eine Fehlfunktion eines Kraftstoffverbrauchers wie beispielsweise eines Motors erkannt werden, wenn dieser nicht mehr mit einer ausreichenden Menge an Kraftstoff pro Zeiteinheit versorgt werden kann. Derartige Fehlfunktionen stellen jedoch für einen Benutzer des Fahrzeugs bereits eine erhebliche Beeinträchtigung, eventuell vielleicht sogar bereits eine Gefährdung dar.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente bereitzustellen, welches eine im Vergleich zum Stand der Technik alternative, beispielsweise frühere Erkennung eines Zustands der Komponente ermöglicht. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffsystem bereitzustellen, welches ein solches Verfahren ausführen kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie ein Kraftstoffsystem gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Komponente, während durch diese Komponente ein Fluidstrom eines Fluids fließt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Ermitteln eines durch die Komponente fließenden Massestrom des Fluids,
- Messen eines ersten Drucks des Fluids vor der Komponente im Fluidstrom,
- Messen eines zweiten Drucks des Fluids nach der Komponente im Fluidstrom, und
- Erkennen eines Zustands der Komponente basierend auf zumindest dem Massestrom, dem ersten Druck und dem zweiten Druck.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bereits basierend auf dem Massestrom sowie den beiden erwähnten Drücken eine Erkennung eines Zustands der Komponente erfolgen kann, während sie von einem Fluidstrom durchflossen wird. Dies ermöglicht unter Verwendung von relativ einfach zu ermittelnden Messgrößen eine zuverlässige Zustandsbestimmung, welche möglicherweise kritische Zustände bereits erkennen kann, lange bevor eine Fehlfunktion auftritt, die einen zuverlässigen und sicheren Betrieb eines Fahrzeugs beeinträchtigen würde.
Der erste Druck wird dabei insbesondere an einer Stelle gemessen, welche der Fluidstrom passiert, bevor er durch die Komponente durchfließt. Der zweite Druck wird insbesondere an einer Stelle gemessen, welche der Fluidstrom erst nach dem Durchfluss durch die Komponente passiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist der Zustand der Komponente ein Durchflussparameter der Komponente. Bevorzugt ist dabei das Erkennen eines Zustands ein Berechnen des Durchflussparameters basierend auf zumindest dem Massestrom, dem ersten Druck und dem zweiten Druck.
Das Berechnen eines solchen Durchflussparameters hat sich als vorteilhaft erwiesen, um typische möglicherweise kritische Zustände zu erkennen. Mögliche Ausführungen hierzu werden nachfolgend beschrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Durchflussparameter basierend auf folgender Formel berechnet: $\dot{m} = A \cdot µ \cdot ψ (\frac{p_{2}}{p_{2} + p_{1}}, κ) \cdot (p_{2} + p_{1}) \cdot \sqrt{\frac{2 \cdot M}{R \cdot T}},$
wobei
ṁ den Massestrom,
A * µ den Durchflussparameter,
ψ(x, κ) die Ausflussfunktion,
p₁ den ersten Druck,
p₂ den zweiten Druck,
κ einen Adiabatenexponenten des Fluids,
M eine Molare Masse des Fluids,
R die allgemeine Gaskonstante, und
T eine Temperatur des durch die Komponente strömenden Fluids bezeichnen.
Die eben erwähnte und beschriebene Formel hat sich als sehr vorteilhaft zur Berechnung des Durchflussparameters erwiesen. Der Durchflussparameter ist dabei ein Produkt aus einer Fläche A und einem weiteren Multiplikator µ. Dieser Durchflussparameter ist dabei insbesondere für den Fall einer Blende oder einer ähnlichen Ausführung der Komponente relevant, wobei A die für das Fluid verbleibende Fläche und µ einen Parameter bezeichnet, wobei der Parameter µ einen Zustand der Komponente angibt, welcher Zustände wie beispielsweise die Form der Durchflussfläche oder umgebender Kanten charakterisiert.
Die obige Gleichung kann insbesondere nach dem Durchflussparameter aufgelöst werden, um ihn zu berechnen. Dies erfordert nur eine einfache mathematische Umformung. Eine weitere Auflösung der erwähnten Komponenten des Durchflussparameters ist mit dieser Gleichung allein nicht möglich.
Die Ausflussfunktion ist eine mathematische Funktion, welche an die jeweilige Komponente angepasst werden kann. Sie kann beispielsweise folgende Form haben, welche sich im hier beschriebenen Kontext einer Blende oder eines Filters bewährt hat: $ψ (x, κ) = {\begin{cases} {(\frac{2}{κ + 1})}^{\frac{1}{(κ + 1)}} \cdot \sqrt{\frac{κ}{(κ + 1)}} x \leq {(\frac{2}{κ + 1})}^{\frac{κ}{κ - 1}} \\ \sqrt{\frac{κ}{κ - 1} \cdot x^{1 / κ} \cdot (x^{1 / κ} - x)} {(\frac{2}{κ + 1})}^{\frac{κ}{κ - 1}} < x < 1 \end{cases}$
Der erste Druck p₁ und der zweite Druck p₂ sind Drücke, welche in einem System, in welchem das Verfahren zu implementieren ist, gemessen werden können. Der Adiabatenexponent κ ist eine universelle Eigenschaft des Fluids. Gleiches gilt für die molare Masse M. Die Temperatur T kann insbesondere gemessen oder basierend auf diversen Annahmen abgeleitet werden.
Bevorzugt weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:

- Vergleichen des Durchflussparameters mit einem vorgegebenen Wert oder einem vorgegebenen Wertebereich, und
- Einleiten von Maßnahmen, wenn der Durchflussparameter um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert vom vorgegebenen Wert abweicht, um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert den vorgegebenen Wert unterschreitet, oder außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt.

Dadurch kann in angemessener Weise auf möglicherweise kritische Zustände reagiert werden. Die erwähnten Bedingungen, welche zum Einleiten von Maßnahmen führen können, können einzeln oder auch in beliebiger Kombination sowie auch in Kombination mit anderen Bedingungen implementiert werden. Der vorgegebene Schwellenwert kann auch den Wert 0 haben, wodurch sich ein einfacher Vergleich mit dem vorgegebenen Wert ergibt.
Unter dem Einleiten von Maßnahmen kann beispielsweise eine Auslösung einer Fehlermeldung verstanden werden, welche einem Fahrer angezeigt wird und diesen beispielsweise dazu auffordern kann, eine Werkstatt aufzusuchen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann beispielsweise ein Fehlerspeichereintrag, eine Warnung an den Nutzer, das Auslösen eines Degradationsbetriebs, das Auslösen eines Notlaufs oder auch das Einstellen des Betriebs bzw. eine Notabschaltung ausgelöst werden. Die Maßnahmen können in einer beliebigen Kombination oder auch einzeln implementiert werden. Sie können auch beispielsweise gestaffelt implementiert werden, wobei beispielsweise umso drastischere Maßnahmen implementiert werden können, je mehr der Durchflussparameter vom vorgegebenen Wert abweicht oder den vorgegebenen Wert unterschreitet oder außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt.
Gemäß einer möglichen Ausführung weist der Schritt des Erkennens eines Zustands ein Vergleichen eines zumindest aus dem Massestrom, dem ersten Druck und dem zweiten Druck gebildeten Wertesatzes mit einer gespeicherten Nachschautabelle auf. In einer solchen Nachschautabelle können Wertesätze gespeichert sein, welche in einem typischen Betrieb auftreten, wobei aus einer Abweichung von den gespeicherten Wertesätzen auf einen untypischen oder kritischen Betrieb geschlossen werden kann. Somit kann ein Zustand erkannt werden, wobei insbesondere erkannt werden kann, ob es sich um einen normalen oder gewünschten Zustand einerseits oder um einen davon abweichenden Zustand andererseits handelt.
Bevorzugt weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:

- Einleiten von Maßnahmen, wenn zumindest ein Wert des Wertesatzes mehr als um einen vorgegebenen Schwellenwert von einem in der Nachschautabelle gespeicherten Wert, welcher zu den anderen Werten des Wertesatzes korrespondiert, abweicht.

Bei dem Einleiten von Maßnahmen kann es sich beispielsweise um solche Maßnahmen handeln, welche weiter oben bereits unter dem Begriff des Einleitens von Maßnahmen beschrieben wurden. Auf die obigen Ausführungen sei diesbezüglich verwiesen. Auch bei der Verwendung einer Nachschautabelle kann das Einleiten von Maßnahmen gestaffelt werden, wobei beispielsweise umso drastischere Maßnahmen eingeleitet werden können, je mehr ein Wert des Wertesatzes von einem in der Nachschautabelle gespeicherten Wert abweicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung können jeweils separate Schwellenwerte für eine Überschreitung und eine Unterschreitung vorgesehen sein. Diese Schwellenwerte können ihrerseits in einer Nachschautabelle gespeichert sein, so dass der vorgegebene Wertebereich für unterschiedliche Betriebspunkte unterschiedlich groß sein kann.
Gemäß einer Ausführung werden zum Ermitteln des Massestroms Tankdruck und Tanktemperatur eines Tanks, aus welchem der Fluidstrom strömt, gemessen. Der Massestrom wird dabei bevorzugt basierend auf dem Tankdruck und der Tanktemperatur berechnet. Hierzu können allgemeine und bekannte physikalische Formeln verwendet werden, welche in einfacher Weise die Anzahl von Molekülen in einem Tank basierend auf Druck und Temperatur liefern. Aus der Änderung der Anzahl der Moleküle in dem Tank mit der Zeit und der molaren Masse kann dann auf den Massestrom in einfacher Weise geschlossen werden.
Alternativ kann aus Druck und Temperatur die Dichte berechnet werden und durch Multiplikation mit dem Tankvolumen kann die gespeicherte Masse berechnet werden. Die zeitliche Änderung dieser Masse ist dann der Massestrom
Gemäß einer Ausführung wird der Massestrom basierend auf einem Verbrauch eines Verbrauchers des Fluids, zu welchem der Fluidstrom strömt, ermittelt. Beispielsweise kann ein solcher Verbraucher eine Brennstoffzelle oder ein Verbrennungsmotor sein, wobei angesichts bekannter Betriebsparameter eines solchen Verbrauchers typischerweise bekannt ist, welche Menge an Fluid dieser als Kraftstoff verbraucht. Die Komponente ist gemäß einer Ausführung ein Filter oder beinhaltet einen Filter. Für einen solchen Filter hat sich die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens als besonders vorteilhaft erwiesen, da eine Verstopfung des Filters frühzeitig erkannt werden kann. Dementsprechend ist der Zustand bevorzugt anzeigend für einen Verstopfungsgrad des Filters.
Es sei darauf hingewiesen, dass für den Fall eines Filters beispielsweise der in der obigen Formel erwähnte Durchflussparameter A * µ auf einen einzigen Faktor reduziert werden kann, da der Filter typischerweise seine Fläche nicht ändert, sondern sich lediglich im Laufe der Zeit verstopft. Beispielsweise kann sich dadurch eine wirksame Fläche, beispielsweise eine Fläche eines Sinterfilters, ändern.
Gemäß einer Ausführung ist die Komponente eine Düse oder beinhaltet eine Düse. Der Zustand ist dabei bevorzugt anzeigend für einen effektiven Strömungsquerschnitt der Düse. Ein solcher effektiver Strömungsquerschnitt kann beispielsweise über die in der obigen Formel bereits erwähnten Faktoren der Fläche A und des Parameters µ angegeben werden, wobei der mögliche Durchfluss durch die Düse sowohl von der Fläche A wie auch von dem Parameter µ abhängt. Der Parameter µ charakterisiert dabei den Zustand der Düse, wobei sich auch dieser Zustand im Laufe der Zeit ändern kann. Verantwortlich hierfür können beispielsweise Ablagerungen seitlich zur Fläche, durch welche das Fluid strömt, oder Abtragungen von Material sein, welche das Durchflussprofil der Düse verändern können.
Es sei erwähnt, dass sowohl ein Filter wie auch eine Düse als Komponente separat verwendet werden können, dass jedoch die Komponente auch weitere Bestandteile enthalten kann. Beispielsweise kann die Komponente auch mehrere Filter, mehrere Düsen sowie eine Kombination aus einer Anzahl von Filtern und einer Anzahl von Düsen beinhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist das Fluid ein Gas oder ein Gasgemisch. Insbesondere kann es sich dabei um Wasserstoff oder um ein Wasserstoff-LuftGemisch handeln. Gerade für solche Gase hat sich die Anwendung des Verfahrens besonders bewährt.
Bevorzugt ist der Zustand anzeigend für einen Strömungswiderstand der Komponente. Ein solcher Strömungswiderstand ist typischerweise derjenige Widerstand, welchen die Komponente einem Durchströmen des Gases oder des Fluids entgegensetzt. Je größer dieser Strömungswiderstand wird, desto schwieriger wird die Lieferung des Fluids an die gewünschte Stelle, beispielsweise an einen Kraftstoffverbraucher.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftstoffsystem. Das Kraftstoffsystem weist einen Tank für Kraftstoff auf. Das Kraftstoffsystem weist einen Verbraucher für den Kraftstoff auf. Das Kraftstoffsystem weist ferner eine Kraftstoffleitung auf, welche von dem Tank zum Verbraucher führt, um den Kraftstoff als Fluid in einem Fluidstrom vom Tank zum Verbraucher zu leiten.
Das Kraftstoffsystem weist eine Komponente in der Kraftstoffleitung auf, durch welche der Kraftstoff hindurchfließt. Das Kraftstoffsystem weist ferner einen ersten Drucksensor auf, welcher dazu ausgebildet ist, in Flussrichtung des Kraftstoffs gesehen vor der Komponente einen ersten Druck des Kraftstoffs zu messen. Das Kraftstoffsystem weist ferner einen zweiten Drucksensor auf, welcher dazu ausgebildet ist, in Flussrichtung des Kraftstoffs gesehen nach der Komponente einen zweiten Druck des Kraftstoffs zu messen.
Des Weiteren weist das Kraftstoffsystem eine Steuerungseinrichtung auf, welche dazu konfiguriert ist, einen Massestrom des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung zu ermitteln und ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. Hinsichtlich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffsystem kann aufgrund der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise eine Komponente überwacht werden, welche sich als fehleranfällig erwiesen hat. Bei einer solchen Komponente kann es sich insbesondere um einen Filter oder um eine Düse oder um eine Kombination davon handeln. Dadurch kann die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Kraftstoffsystems im Vergleich zu Ausführungen gemäß dem Stand der Technik erheblich erhöht werden.
Bei dem Verbraucher kann es sich insbesondere um eine Brennstoffzelle oder um einen Verbrennungsmotor handeln. Bei dem Kraftstoff kann es sich insbesondere um einen gasförmigen Kraftstoff wie beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff-LuftGemisch handeln. Es kann sich beispielswiese auch um einen anderen gasförmigen Kraftstoff wie beispielsweise Erdgas handeln.
Im Rahmen der Erfindung wurde insbesondere erkannt, dass durch die Messung der Druckdifferenz stromauf und stromab eines vom Fluidstrom durchströmten Elements auf dessen Strömungswiderstand rückgeschlossen werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn der durchfließende Massestrom oder Volumenstrom bekannt ist.
Eine Erhöhung des Strömungswiderstands, beispielsweise durch starke Partikelbeladung eines Filters, kann somit beispielsweise bei gleichbleibendem Massestrom unmittelbar durch eine Erhöhung der Druckdifferenz erkannt werden.
Auch bei einem veränderlichen Massestrom kann die Ermittlung des Strömungswiderstands anhand der Druckdifferenzen erfolgen. Vorzugsweise ist dazu der Massestrom bekannt. Dieser kann beispielsweise über einen Kraftstoffverbraucher oder dessen Steuerungseinheit mitgeteilt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann der Massestrom beispielsweise über einen zeitlichen Abfall des Speicherdrucks ermittelt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:

1: ein Kraftstoffsystem, und
2: typische Zusammenhänge zwischen Druckdifferenz und Massestrom.

1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Kraftstoffsystem 1 weist einen Tank 60 auf, welcher vorliegend dazu ausgebildet ist, ein gasförmiges Fluid, nämlich einen gasförmigen Kraftstoff, zu speichern.
Das Kraftstoffsystem 1 weist einen Tankstutzen 50 auf, welcher über eine Tankleitung 58, in der sich ein erstes Rückschlagventil 52 und ein zweites Rückschlagventil 54 befinden, mit dem Tank 60 verbunden ist. Dadurch kann der Tank 60 befüllt werden, beispielsweise während eines Tankstopps.
Das Kraftstoffsystem 1 weist ferner einen Verbraucher 40 auf. Dabei handelt es sich vorliegend um eine Brennstoffzelle. Diese soll mit dem im Tank 60 befindlichen Kraftstoff betrieben werden.
Zur Zuführung des Kraftstoffs vom Tank 60 zum Verbraucher 40 weist das Kraftstoffsystem 1 eine Kraftstoffleitung 62 auf. In dieser sind ein drittes Rückschlagventil 56, eine Komponente in Form eines Filters 70 sowie ein Druckregler 64 verschaltet.
Bei dem dritten Rückschlagventil 56 sowie dem Druckregler 64 wird angenommen, dass sich diese in typischen Betriebssituationen auch über längere Zeiträume nicht wesentlich verändern. Der Filter 70 dient jedoch dem Ausfiltern von Partikeln, Schwebstoffen oder anderen möglicherweise störenden Inhaltsstoffen im Kraftstoff, so dass der Verbraucher 40 bereits einen gereinigten Kraftstoff bekommt. Diese Funktionalität bringt es mit sich, dass sich der Filter 70 im Laufe der Zeit zusetzt. Dieses Zusetzen soll überwacht werden, wobei die Vorgehensweise hierzu nachfolgend beschrieben werden wird.
Das Kraftstoffsystem 1 weist eine elektronische Steuerungseinrichtung 10 auf, welche zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder um eine andere programmierbare oder fest verdrahtete Einheit handeln.
Das Kraftstoffsystem 1 weist einen ersten Drucksensor 20 auf, welcher an der Tankleitung 58 zwischen dem ersten Rückschlagventil 52 und dem zweiten Rückschlagventil 54 angeschlossen ist, und welcher einen ersten Druck p₁ in der Tankleitung 58 abfühlt. Da die Tankleitung 58 während eines normalen Betriebs nicht zum Betanken verwendet wird, herrscht an dieser Stelle der gleiche Druck wie im Tank 60. Der erste Druck p₁ wird über eine erste Signalleitung 21 an die Steuerungseinrichtung 10 geliefert.
Das Kraftstoffsystem 1 weist einen zweiten Drucksensor 22 auf, welcher in der Kraftstoffleitung 62 zwischen dem Filter 70 und dem Druckregler 64 angeschlossen ist. Der zweite Drucksensor 22 misst einen zweiten Druck p₂, welcher somit im Fluidstrom zwischen Tank 60 und Verbraucher 40 gesehen nach der Komponente 70 liegt. Der zweite Druck p₂ wird über eine zweite Signalleitung 23 an die Steuerungseinrichtung 10 geliefert.
Das Kraftstoffsystem 1 weist ferner einen Temperatursensor 30 auf, welcher eine Temperatur T im Tank 60 abfühlt. Die Temperatur T wird über eine dritte Signalleitung 31 an die Steuerungseinrichtung 10 geliefert.
Des Weiteren weist das Kraftstoffsystem 1 noch eine vierte Signalleitung 41 auf, welche von dem Verbraucher 40 zur elektronischen Steuerungseinrichtung 10 führt, wobei über die vierte Signalleitung 41 ein vom Verbraucher selbst berechneter oder vorgegebener Wert eines Massestroms des Kraftstoffs an die Steuerungseinrichtung 10 geliefert wird.
Die Steuerungseinrichtung 10 kann nun einerseits den vom Verbraucher 40 gelieferten Massestrom m verwenden und kann andererseits diesen aus der Änderung des ersten Drucks p₁ und der Temperatur T bzw. deren Änderung berechnen. Welche Art der Ermittlung des Massestroms ṁ in der Praxis tatsächlich verwendet wird, kann festgelegt werden. Insbesondere können die beiden Arten auch gegeneinander plausibilisiert werden.
Hat die Steuerungseinrichtung 10 den Massestrom ṁ bestimmt, so kann mithilfe der weiter oben in dieser Anmeldung bereits angegeben Formel ein Produkt aus Fläche A und Parameter µ berechnet werden, wobei eine weitere Zerlegung dieses Produkts im vorliegenden Fall nicht mehr in Frage kommt und nicht mehr sinnvoll ist, da es sich um einen Filter handelt. Der berechnete Werte, welcher dem Produkt A * µ in der obigen Formel entspricht, ist jedoch eine Größe, welche in zuverlässiger Weise einen Verstopfungsgrad des Filters 70 charakterisiert. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass der Filter 70 umso verstopfter ist, je niedriger der berechnete Wert A * µ ist.
Unterschreitet der berechnete Wert A * µ einen vorgegebenen Schwellenwert, so kann ein Alarm ausgegeben werden, welcher beispielsweise einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs, in welchem das Kraftstoffsystem 1 verbaut ist, zum Aufsuchen einer Werkstatt auffordert.
Es sei erwähnt, dass der erste Drucksensor 20 in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung grundsätzlich auch an der Kraftstoffleitung 62 zwischen Tank 60 und Filter 70 angeschlossen sein könnte. Auch in diesem Fall wäre er im Fluidstrom vor der Komponente angeordnet.
2 zeigt beispielhaft für den Fall einer Lochblende mit einem Durchmesser von 1 mm einen Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Massestrom bei Annahme einer Durchströmung durch Wasserstoffgas. Für unterschiedliche Ausgangsdrücke, also den Druck, der stromab des Elements, hier stromab der Lochblende, herrscht, wurde der Zusammenhang zwischen dem Massestrom und der Druckdifferenz doppelt logarithmisch aufgetragen. Hierzu wurde die weiter oben bereits erwähnte Formel verwendet.
Wichtig ist dabei die Feststellung, dass bei sonst gleichen Bedingungen, unter anderem für den Ausgangsdruck und die Druckdifferenz, der Massestrom proportional zum effektiven Strömungsquerschnitt ist.
Tritt nun beispielsweise durch Ablagerung von Partikeln in einem Filter oder durch eine teilweise Blockade eines Strömungsquerschnitts in einem anderen durchströmten Element wie beispielsweise einer Blende oder Düse eine Erhöhung des Strömungswiderstands ein, so ist dies bei sonst gleichen Bedingungen durch eine Verringerung des Massestroms erkennbar. Tritt umgekehrt beispielsweise durch Abnutzung oder Beschädigung eine Erhöhung des effektiven Strömungsquerschnitts und somit eine Reduzierung des Strömungswiderstands ein, so ist auch dies, bei sonst gleichen Bedingungen, aus einer Veränderung wie beispielsweise einer Erhöhung des Massestroms zu erkennen.
Das durchströmte Element kann auch eine Kombination, beispielsweise eine Serien- und/oder Parallelschaltung, von mehreren durchströmten Elementen sein. Gängig ist beispielsweise eine Serienschaltung von einem Filter und einem Ventil.
Ganz allgemein sei erwähnt, dass sich beispielsweise bei Kenntnis des ersten Drucks p₁, des zweiten Drucks p₂ und des Massestroms ṁ auf eine effektive Querschnittsfläche rückschließen lässt. Der Massestrom m kann dabei beispielsweise durch den weiter oben bereits erwähnten Verbraucher 40 ermittelt und ein entsprechender Wert kann der Steuerungseinrichtung 10 geliefert werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann bei Kenntnis des Volumens des Tanks 60, welcher insbesondere als Druckbehälter ausgeführt sein kann, über den Druck und die Temperatur die Dichte im Tank 60 unter Multiplikation von Dichte im Tank 60 und Tankvolumen die im Tank 60 gespeicherte Masse ermittelt werden.
Hierfür eignet sich besonders gut der erste Drucksensor 20, da - abgesehen von einer Betankung - zwischen diesem und dem Tank 60 kein wesentlicher Massestrom stattfindet. Somit entspricht der vom ersten Drucksensor 21 gemessene erste Druck p₁ sehr genau dem Druck im Tank 60. Die zeitliche Veränderung der im Behälter gespeicherten Masse entspricht mit sehr guter Genauigkeit dem Massestrom ṁ.
Es ist auch möglich, eine Druckcharakteristik eines durchströmten Elements zu überwachen, welches deutlich von einer Düse oder einer Lochblende abweicht.
Hierzu können beispielsweise im Betrieb laufend der ersten Druck p₁, der zweite Druck p₂ und der Massestrom ṁ überwacht und mit gespeicherten Werten verglichen werden. Die gespeicherten Werte können dabei beispielsweise in die Steuerungseinrichtung 10 einprogrammiert werden. Alternativ oder ergänzend dazu können Werte aus einem ungesteuerten Betrieb aufgenommen und abgelegt werden. Es kann somit ein zweidimensionales Kennfeld wie beispielsweise eine Nachschautabelle verwendet werden, wobei eine dritte Größe, beispielsweise der Massenfluss bzw. Massestrom ṁ, ausgelesen oder gegebenenfalls durch Interpolation ermittelt werden kann.
Tritt nun eine Kombination der drei Größen auf, die eine signifikante Abweichung vom hinterlegten Kennfeld bzw. von in einer Nachschautabelle abgespeicherten Wertesätzen bedeuten, so kann auf einen Fehler geschlossen werden. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn der Massenfluss bzw. Massestrom ungewöhnlich niedrig für das Wertepaar der Drücke p₁, p₂ ist. In diesem Fall können beispielsweise entsprechende Maßnahmen wie Diagnosespeicher-Einträge, Hinweise, Warnungen, Notläufe und/oder Abschaltungen vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Komponente (70), während durch diese Komponente (70) ein Fluidstrom eines Fluids fließt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Ermitteln eines durch die Komponente (70) fließenden Massestroms (ṁ) des Fluids, - Messen eines ersten Drucks (p₁) des Fluids vor der Komponente (70) im Fluidstrom, - Messen eines zweiten Drucks (p₂) des Fluids nach der Komponente (70) im Fluidstrom, und - Erkennen eines Zustands der Komponente (70) basierend auf zumindest dem Massestrom (ṁ), dem ersten Druck (p₁) und dem zweiten Druck (p₂)
Verfahren nach Anspruch 1, - wobei der Zustand der Komponente (70) ein Durchflussparameter (A * µ) der Komponente (70) ist, und - wobei das Erkennen eines Zustands ein Berechnen des Durchflussparameters (A * µ) basierend auf zumindest dem Massestrom (ṁ), dem ersten Druck (p₁) und dem zweiten Druck (p₂) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, - wobei der Durchflussparameter (A * µ) basierend auf folgender Formel berechnet wird: $\dot{m} = A \cdot µ \cdot ψ (\frac{p_{2}}{p_{2} + p_{1}}, κ) \cdot (p_{2} + p_{1}) \cdot \sqrt{\frac{2 \cdot M}{R \cdot T}},$
wobei ṁ den Massestrom, A * µ den Durchflussparameter, ψ(x, κ) die Ausflussfunktion, p₁ den ersten Druck, p₂ den zweiten Druck, κ einen Adiabatenexponenten des Fluids, M eine Molare Masse des Fluids, R die allgemeine Gaskonstante, und T eine Temperatur des durch die Komponente (70) strömenden Fluids bezeichnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, welches ferner folgende Schritte aufweist: - Vergleichen des Durchflussparameters (A * µ) mit einem vorgegebenen Wert oder einem vorgegebenen Wertebereich, und - Einleiten von Maßnahmen, wenn der Durchflussparameter (A * µ) um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert vom vorgegebenen Wert abweicht, um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert den vorgegebenen Wert unterschreitet, oder außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, - wobei der Schritt des Erkennens eines Zustands ein Vergleichen eines zumindest aus dem Massestrom (ṁ), dem ersten Druck (p₁) und dem zweiten Druck (p₂) gebildeten Wertesatzes mit einer gespeicherten Nachschautabelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Einleiten von Maßnahmen, wenn zumindest ein Wert des Wertesatzes mehr als um einen vorgegebenen Schwellenwert von einem in der Nachschautabelle gespeicherten Wert, welcher zu den anderen Werten des Wertesatzes korrespondiert, abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei zum Ermitteln des Massestroms (ṁ) Tankdruck und Tanktemperatur eines Tanks (60), aus welchem der Fluidstrom strömt, gemessen werden, und - der Massestrom (ṁ) basierend auf dem Tankdruck und der Tanktemperatur berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Massestrom (ṁ) basierend auf einem Verbrauch eines Verbrauchers (40) des Fluids, zu welchem der Fluidstrom strömt, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Komponente (70) ein Filter ist oder einen Filter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, - wobei der Zustand anzeigend ist für einen Verstopfungsgrad des Filters.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Komponente (70) eine Düse ist oder eine Düse beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, - wobei der Zustand anzeigend ist für einen effektiven Strömungsquerschnitt der Düse.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Fluid ein Gas, ein Gasgemisch, Wasserstoff oder ein Wasserstoff-LuftGemisch ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Zustand anzeigend ist für einen Strömungswiderstand der Komponente (70).
Kraftstoffsystem (1), aufweisend - einen Tank (60) für Kraftstoff, - einen Verbraucher (40) für den Kraftstoff, - eine Kraftstoffleitung (62), welche von dem Tank (60) zum Verbraucher (40) führt, um den Kraftstoff als Fluid in einem Fluidstrom vom Tank (60) zum Verbraucher (40) zu leiten, - eine Komponente (70) in der Kraftstoffleitung (62), durch welche der Kraftstoff hindurchfließt, - einen ersten Drucksensor (20), welcher dazu ausgebildet ist in Flussrichtung des Kraftstoffs gesehen vor der Komponente (70) einen ersten Druck (p₁) des Kraftstoffs zu messen, - einen zweiten Drucksensor (22), welcher dazu ausgebildet ist in Flussrichtung des Kraftstoffs gesehen nach der Komponente (70) einen zweiten Druck (p₂) des Kraftstoffs zu messen, und - eine Steuerungseinrichtung (10), welche dazu konfiguriert ist, einen Massestrom (ṁ) des Kraftstoffs in der Kraftstoffleitung (62) zu ermitteln und ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.