DE102019124199A1

DE102019124199A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Siedezeitpunktes einer Flüssigkeit in einem Kühler sowie ein Kühler

Info

Publication number: DE102019124199A1
Application number: DE102019124199.5A
Authority: DE
Inventors: Norbert Oppermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Siedezeitpunktes eines als Flüssigkeit vorliegenden Fluids (5, 6) in einem Kühler (1) sowie eine Einrichtung eines Kühlers vorgeschlagen. Der Kühler (1) weist ein Gehäuse (2) mit einem ersten Fluideinlass (3) und einem ersten Fluidauslass (4) für ein erstes Fluid (5) sowie in dem Gehäuse (2) eine von einem zweitem Fluid (6) durchströmbare Fluidleitung (7) auf, wobei sich die Fluidleitung (7) zwischen einem zweiten Fluideinlass (8) und einem zweiten Fluidauslass (9) durch das Gehäuse (2) hindurch erstreckt, so dass die Fluidleitung (7) in dem Gehäuse (2), für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid (5) und dem zweiten Fluid (6), von dem ersten Fluid (5) überströmbar ist; wobei mindestens ein Beschleunigungssensor (10) so an dem Kühler (1) angeordnet ist, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids (5, 6) erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Siedezeitpunktes einer Flüssigkeit in einem Kühler sowie einen Kühler. Der Kühler ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet. Der Kühler dient insbesondere zur Kühlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine. Das zur Kühlung des Abgases vorgesehene Kühlmedium ist insbesondere eine Flüssigkeit. Die Bestimmung des Siedezeitpunktes ist insbesondere zur Steuerung der Kühlleistung des Kühlers, also zur Regelung von Volumenströmen durch den Kühler, erforderlich.
Ein Kühler umfasst regelmäßig ein Gehäuse mit einem ersten Fluideinlass und einem ersten Fluidauslass für ein erstes Fluid, z. B. ein Abgas, sowie in dem Gehäuse eine von einem zweitem Fluid, z. B. einem als Flüssigkeit vorliegenden Kühlmedium, durchströmbare Fluidleitung. Die Fluidleitung erstreckt sich zwischen einem zweiten Fluideinlass und einem zweiten Fluidauslass für das zweite Fluid durch das Gehäuse hindurch, so dass die Fluidleitung in dem Gehäuse, für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid, von dem ersten Fluid überströmbar ist.
Insbesondere motorische Abgase sollen unter bestimmten motorischen Randbedingungen gekühlt werden. Dazu werden diese über einen Kühler geleitet. Das wärmeaufnehmende Kühlmedium darf aber nicht in einen vollständigen Siedezustand übergehen, da dieser das Kühlmedium selbst schädigen kann. Die Erwärmung des Kühlmediums hängt, neben dem konstruktiven Aufbau des Kühlers, von der Gastemperatur und -menge des Abgases, sowie von der Temperatur und Menge des Kühlmediums ab.
Eine Kühlleistung eines Kühlers kann mit Erreichen des Siedezeitpunktes der zur Kühlung z. B. des Abgases eingesetzten Flüssigkeit deutlich abfallen, da die Ableitung von Wärme durch die Entstehung von Gasbläschen reduziert wird. Weiter kann durch die Entstehung von Gasbläschen eine Oberfläche der von dem Kühlmedium durchströmten Fluidleitung oder das Kühlmedium selbst beschädigt werden. Die zulässige Gasbläschenbildung im Kühlmedium eines Kühlers erfolgt zur Zeit durch eine Sichtprüfung mittels Schauglas an einem Fluidauslass des Kühlmediums. Treten dort Gasblasen in erhöhter Konzentration auf, wird dies als Grenze bei gegebenen Parametern definiert, d. h. eine weitere Erwärmung des Kühlmediums soll verhindert werden. Dabei wird nur der Teil der Siede-Gasbläschen optisch erfasst, der den Fluidauslass erreicht. Gasbläschen, die auf dem Weg zum Schauglas bereits wieder zusammengefallen sind, können so nicht detektiert werden. Eine erhöhte Expertenerfahrung ist zur Festlegung der Siedegrenzen und damit zur Bestimmung des Siedezeitpunktes erforderlich, wobei die Gefahr einer Fehleinschätzung erhöht ist.
Aus der DE 102 55 325 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Siedepunktes einer Flüssigkeit bekannt. Dabei wird eine Flüssigkeit in einer Kammer durch ein elektrisches Heizelement bis zum Einsetzen des Siedens erwärmt. Der Siedezeitpunkt ist erkennbar, weil mit Einsetzen des Siedens der Wärmeabtransport von dem Heizelement sprunghaft schlechter wird. Aus der Temperaturwiderstandskennlinie des Heizelements kann auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit geschlossen werden.
Aus der DE 10 2010 003 734 A1 ist ein Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einem flüssigen Medium bekannt. Dabei wird ein Schwingmedium an einem Gehäuse angeordnet und mit einer Erregerfrequenz beaufschlagt. Anhand der durch das Schwingmedium aufgenommenen Reaktionsfrequenz kann auf das Vorliegen von Gasblasen in der Flüssigkeit geschlossen werden.
Aus der DE 10 2017 100 810 A1 ist ein Verfahren zum Erkennen eines Siedevorgangs beim Erwärmen von mehreren Kochgefäßen auf einem Kochfeld bekannt. Dabei sind mehrere Sensoren vorgesehen, durch die beim Erwärmen auftretende Schallwellen aufgenommen werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Siedezeitpunkt mit erhöhter Sicherheit erkannt werden.
Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Kühler mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Hierzu trägt ein Verfahren zur Bestimmung eines Siedezeitpunktes eines als Flüssigkeit vorliegenden Fluids in einem Kühler bei. Der Kühler weist ein Gehäuse mit einem ersten Fluideinlass und einem ersten Fluidauslass für ein erstes Fluid sowie in dem Gehäuse eine von einem zweitem Fluid durchströmbare Fluidleitung auf. Die Fluidleitung erstreckt sich zwischen einem zweiten Fluideinlass und einem zweiten Fluidauslass durch das Gehäuse hindurch, so dass die Fluidleitung in dem Gehäuse, für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid, von dem ersten Fluid überströmbar ist. Es ist mindestens ein Beschleunigungssensor so an dem Kühler angeordnet, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids erfassbar ist. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

a) Betreiben des Kühlers durch Beaufschlagen des Kühlers mit einem ersten Fluidstrom des ersten Fluids und einem zweiten Fluidstrom des zweiten Fluids;
b) Erfassen von Messwerten des mindestens einen Beschleunigungssensors durch ein Steuergerät;
c) Auswerten der Messwerte und Bestimmung eines Siedezeitpunktes des ersten Fluids oder des zweiten Fluids.

Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis c) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der Verfahrensschritte z. B. während der Einrichtung und/oder des Betriebes des Kühlers kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte b) und c) während Schritt a) statt. Insbesondere werden die Schritte a) bis c) in der angeführten Reihenfolge durchgeführt, wobei dann insbesondere alle Schritte a) bis c) kontinuierlich und gleichzeitig fortgeführt werden.
Der Kühler dient insbesondere zur Kühlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine. Der Kühler kann aber auch ein von einem Kühlmittel durchströmtes Bauteil sein (z. B. eine Verbrennungskraftmaschine, ein Zylinderkopf, etc.). Die Kenngröße „Siedezeitpunkt“ kann insbesondere zur Ansteuerung einer Kühlmediumpumpe oder einer Lüfterleistung eingesetzt werden.
Das zur Kühlung des Abgases vorgesehene Kühlmedium ist insbesondere eine Flüssigkeit. Die Bestimmung des Siedezeitpunktes ist insbesondere zur Steuerung der Kühlleistung des Kühlers, also zur Regelung von Volumenströmen durch den Kühler, erforderlich. Das erste Fluid ist insbesondere ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Das zweite Fluid ist insbesondere das flüssige Kühlmedium, dessen Siedezeitpunkt bestimmt werden soll. Das erste Fluid, also das Abgas, erreicht insbesondere Temperaturen von zeitweise mindestens 350 Grad Celsius, bevorzugt von zeitweise mindestens 600 Grad Celsius. Insbesondere werden Temperaturen von 700 Grad Celsius meist nicht überschritten.
Die maximal auftretende Temperatur des ersten Gases hängt insbesondere von dem das Abgas erzeugenden Brennverfahren ab, also z. B. Otto-, Diesel- oder CNG-Brennverfahren (CNG - compressed natural gas).
Das erste Fluid tritt insbesondere über den ersten Fluideinlass in das Gehäuse ein und über den ersten Fluidauslass wieder aus dem Gehäuse aus. Die Fluidleitung erstreckt sich insbesondere durch das Gehäuse hindurch, wobei der zweite Fluideinlass und der zweite Fluidauslass jeweils außerhalb des Gehäuses zum Anschluss an weitere Fluidleitungen angeordnet sind. Die Fluidleitung erstreckt sich derart durch das Gehäuse hindurch, dass eine möglichst große Oberfläche der Fluidleitung innerhalb des Gehäuses von dem ersten Fluid beaufschlagt und überströmt werden kann.
Über eine Regelung der Volumenströme bzw. Fluidströme des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids kann ein Kühlleistung des Kühlers gesteuert werden. Insbesondere kann über den Kühler die Temperatur des ersten Fluids innerhalb gewisser Grenzen geregelt werden, wobei dafür die Temperatur des zweiten Fluids überwacht und ein Volumenstrom des zweiten Fluids gesteuert wird. Zur Sicherstellung der Kühlleistung wird insbesondere ein Siedezeitpunkt des zweiten Fluids überwacht.
Der Beschleunigungssensor dient insbesondere zur Erfassung einer Oberflächen-Beschleunigung in einem Fluid, insbesondere in dem zweiten Fluid. Über den Beschleunigungssensor können insbesondere Körperschallwellen erfasst werden. Der Beschleunigungssensor kann als Hydrophon zur Erfassung von Flüssigkeitsschall ausgeführt sein. Die Schallwellen können insbesondere in Bezug auf Frequenz in Herz [Hz] und Amplitude in Dezibel [dB] oder linear erfasst werden.
Beschleunigungssensoren sind grundsätzlich bekannt. Der Sensor kann z. B. als piezoelektrischer Beschleunigungssensor oder als mikro-elektrisch-mechanisches System (MEMS - micro-electro-mechanical-system) ausgeführt sein.
Mit beginnendem Sieden des betreffenden Fluids entstehen an der durch das betreffende Fluid kontaktierten Oberfläche, also der Oberfläche des Gehäuses oder der Oberfläche der Fluidleitung, erste Gasbläschen. Diese Gasbläschen lösen sich von der Oberfläche ab und werden durch den Volumenstrom des betreffenden Fluids mitgerissen. Durch diesen Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig des betreffenden Fluids, kommt es zu einem schlagartigen Verdrängungsvorgang, auch als Kavitation bezeichnet, des das einzelne Gasbläschen umgebenden Mediums bzw. Fluids. Die dabei entstehenden Schwingungen breiten sich im Fluid als Flüssigkeits- und am Kühler selbst, also am Gehäuse oder an der Fluidleitung, als Körperschall aus. Die Wirkung dieser Schwingungseinleitung ist mit einem Beschleunigungssensor messbar.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann insbesondere ein Zeitpunkt während des Betriebs des Kühlers bestimmt werden, ab dem ein Sieden eines Fluids auftritt. Dieser Zeitpunkt, ab dem eine bestimmte Intensität des Siedens vorliegt, wird als Siedezeitpunkt bezeichnet. Der so bestimmte Siedezeitpunkt wird zur Regelung des Kühlers bzw. zur Regelung und/oder Steuerung der Volumenströme bzw. Fluidströme verwendet.
Die Reaktion der Gasbläschenbildung lässt sich insbesondere als eine Zunahme der messbaren Beschleunigungswerte, also der erfassten Messwerte, feststellen. Es kann insbesondere zwischen einem beginnenden Sieden, mit kleinen Gasbläschen, und einem vollständigen Sieden, mit größeren Gasbläschen und hoher Gasbläschenanzahl, allein auf Grundlage der Amplitude der gemessenen Beschleunigung unterschieden werden. Gerade der Zustand des beginnenden Siedens lässt sich damit sehr exakt bestimmen. Der Vorteil gegenüber der optischen Erfassung, z. B. über das Schauglas, besteht insbesondere darin, dass hierbei bereits Gasbläschen erfasst werden, die am Schauglas nicht mehr auftreten, weil sie während des Weitertransports wieder zusammengefallen sind, also das Schauglas gar nicht erreichen.
Insbesondere wird durch das Verfahren der Siedezeitpunkt des zweiten Fluids bestimmt.
Insbesondere ist das erste Fluid ein Gas, bevorzugt ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Der Volumenstrom und die Temperatur des durch den Kühler hindurchgeführten Abgases ist insbesondere abhängig von dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine. Der Volumenstrom und die Temperatur des zweiten Fluids wird daher insbesondere in Abhängigkeit von dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bzw. von den Parametern des ersten Fluids geregelt. Der mindestens eine Beschleunigungssensor ist insbesondere so an dem Kühler angeordnet, das der durch die gebildeten Gasbläschen erzeugte Schall erfasst werden kann. Insbesondere ist der mindestens eine Beschleunigungssensor zur Erfassung der in dem zweiten Fluid gebildeten Gasbläschen geeignet angeordnet, bevorzugt an dem zweiten Fluidauslass.
Insbesondere ist der mindestens eine Beschleunigungssensor außerhalb des Gehäuses des Kühlers angeordnet, z. B. an dem Gehäuse selbst oder an einem Fluidauslass, bevorzugt an dem zweiten Fluidauslass. Insbesondere ist dafür eine weitere Anpassung eines konventionellen Kühlers zur Aufnahme des Beschleunigungssensors nicht erforderlich.
Insbesondere ist genau ein Beschleunigungssensor zur Aufnahme der Messwerte vorgesehen. Es können jedoch auch mehrere Beschleunigungssensoren zur Aufnahme der Messwerte an unterschiedlichen Stellen des Kühlers angeordnet sein.
Insbesondere wird bei dem hinsichtlich des Siedezeitpunktes untersuchten Fluids zusätzlich eine optische Erfassung von Gasblasen durchgeführt und ein Ergebnis dieser Erfassung in Schritt c) berücksichtigt. Das vorgeschlagene Verfahren ergänzt damit insbesondere die optische Betrachtung, z. B. mittels Schauglas.
Die optische Betrachtung ist insbesondere nur zum einmaligen bzw. erstmaligen Erfassen des Siedezeitpunktes erforderlich. Sind die Siedezeitpunkte für unterschiedliche Volumenströme einmal bestimmt worden, ist die nachfolgende Erfassung von Messwerten durch einen Beschleunigungssensor gemäß dem beschriebenen Verfahren für die Bestimmung des Siedezeitpunktes ausreichend.
Insbesondere werden zumindest in Schritt b) nur Messwerte erfasst oder in Schritt c) nur Messwerte ausgewertet, die innerhalb eines Frequenzbereichs von null bis 20 kHz, insbesondere innerhalb eines Frequenzbereichs von 1 bis 5 kHz, liegen. Insbesondere erfolgt sowohl das Erfassen gemäß Schritt b) als auch das Auswerten der Messwerte gemäß Schritt c) in dem genannten Frequenzbereich. Damit können insbesondere kostengünstige Beschleunigungssensoren eingesetzt werden.
Insbesondere erfolgt die Auswertung nur anhand von Messwerten, die in mindestens einem Frequenzintervall liegen, wobei dieses mindestens eine Frequenzintervall höchstens 3000 Hz, bevorzugt von höchstens 2000 Hz, umfasst. Insbesondere kann damit die Anzahl der Messdaten reduziert werden.
Insbesondere liegt das Frequenzintervall in einem Frequenzbereich zwischen 1000 Hz und 10 kHz, bevorzugt zwischen 1.500 Hz und 5 kHz.
Beträgt das Frequenzintervall also z. B. 2000 Hz und liegt das Frequenzintervall in einem Frequenzbereich zwischen 1.500 Hz und 5 kHz werden beispielsweise Messwerte zwischen 2.000 Hz und 4.000 Hz erfasst.
Insbesondere wird in Schritt c) für die innerhalb des Frequenzintervalls liegenden Messwerte ein Mittelwert einer Amplitude gebildet und dieser Mittelwert zur Bestimmung des Siedezeitpunkt verwendet. Der Mittelwert kann z. B. ein arithmetischer Mittelwert sein. Insbesondere kann der Mittelwert auch über ein bestimmtes Zeitintervall gebildet werden. Das Zeitintervall kann z. B. eine Dauer zwischen einer Millisekunde und mehreren Sekunden, bevorzugt zwischen 10 Millisekunden und 500 Millisekunden, betragen.
Insbesondere kann das Frequenzintervall anhand von Versuchen identifiziert werden. Insbesondere können für unterschiedlich ausgeführte oder unterschiedlich eingesetzte Kühler jeweils eigene Versuche durchgeführt werden. Das so identifizierte Frequenzintervall kann dann für baugleiche und/oder gleich eingesetzte Kühler verwendet werden.
Insbesondere kann die Detektion des Siedens durch Störgrößen beeinträchtigt werden, die nach Möglichkeit auszuschließen sind. Störungen oder Überlagerungen der Amplituden können z. B. aus Eigenfrequenzen des Kühlers oder von Anregungen aus der jeweiligen Fluidströmung stammen. Durch geeignete Wahl des Frequenzintervalls lässt sich dieses Problem insbesondere lösen. Das Verfahren eignet sich aber grundsätzlich auch für einen resonanzbehafteten Frequenzbereich, wenn sichergestellt werden kann, dass eine Fehlinterpretation ausgeschlossen ist.
Die Versuche können z. B. eine Messung der Beschleunigungen bzw. der Schallentwicklung bei kaltem Kühler mit und ohne Volumenstrom des ersten Fluids und mit und ohne Volumenstrom des zweiten Fluids umfassen. Aus den ermittelten Messwerten können Frequenzintervalle identifiziert werden, bei denen geringere Amplituden der erfassten Messwerte vorliegen. Mindestens eines dieser Frequenzintervalle kann dann als für das Verfahren nutzbares Frequenzintervall zur Bestimmung des Siedezeitpunktes herangezogen werden. Damit können resonanzarme Frequenzintervalle des Kühlers bestimmt werden. Damit kann vermieden werden, dass es durch Eigenresonanzen des Kühlers unter Betriebsbedingungen zu Fehlinterpretationen der gemessenen Amplituden der erfassten Messwerte kommt.
Die Versuche umfassen insbesondere auch die Messung, also die Erfassung und Auswertung, der Beschleunigungen mit Parametern, die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Kühlers auftreten. Das erste Fluid und das zweite Fluid ist insbesondere entsprechend temperiert und weist übliche Volumenströme durch den Kühler auf, so dass resonanzarme Frequenzintervalle identifiziert werden können.
Insbesondere kann anhand des zusätzlichen Abgleiches durch eine optische Erfassung der Gasbläschen, z. B. über das Schauglas, sehr genau die Amplitude bestimmt werden, ab dem eine erste Siedebläschenbildung auftritt.
Es wird weiter ein Kühler vorgeschlagen, zumindest aufweisend ein Gehäuse mit einem ersten Fluideinlass und einem ersten Fluidauslass für ein erstes Fluid sowie in dem Gehäuse eine von einem zweiten Fluid durchströmbare Fluidleitung. Die Fluidleitung erstreckt sich zwischen einem zweiten Fluideinlass und einem zweiten Fluidauslass für das zweite Fluid durch das Gehäuse hindurch, so dass die Fluidleitung in dem Gehäuse, für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid, von dem ersten Fluid überströmbar ist. Mindestens ein Beschleunigungssensor ist so an dem Kühler angeordnet, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids erfassbar ist.
Insbesondere ist der Beschleunigungssensor an dem Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses an dem zweiten Fluidauslass angeordnet.
Es wird weiter eine Kühleranordnung vorgeschlagen, zumindest umfassend den bereits beschriebenen Kühler sowie ein Steuergerät, dass zur Durchführung des bereits beschriebenen Verfahrens geeignet ausgeführt bzw. ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.
Die Ausführungen zum Verfahren sind insbesondere auf den Kühler und die Kühleranordnung übertragbar und jeweils umgekehrt.
Es wird weiter ein Steuergerät vorgeschlagen, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist.
Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.
Es wird demnach auch ein System zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, das einen Prozessor umfasst, der so angepasst/konfiguriert ist, dass er das Verfahren bzw. einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens durchführt.
Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.
Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das System zur Datenverarbeitung, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

1: eine Kühleranordnung;
2: ein erstes Diagramm mit erfassten Messwerten;
3: ein zweites Diagramm mit erfassten Messwerten; und
4: ein drittes Diagramm mit erfassten Messwerten.

Die 1 zeigt eine Kühleranordnung 14, zumindest umfassend einen Kühler 1 sowie ein Steuergerät 15. Der Kühler 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem ersten Fluideinlass 3 und einem ersten Fluidauslass 4 für ein erstes Fluid 5 sowie in dem Gehäuse 2 eine von einem zweitem Fluid 6 durchströmbare Fluidleitung 7 auf. Die Fluidleitung 7 erstreckt sich zwischen einem zweiten Fluideinlass 8 und einem zweiten Fluidauslass 9 für das zweite Fluid 6 durch das Gehäuse 2 hindurch, so dass die Fluidleitung 7 in dem Gehäuse 2, für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid 5 und dem zweiten Fluid 6, von dem ersten Fluid 5 überströmbar ist. Es sind mehrere Positionen dargestellt, an denen ein Beschleunigungssensor 10 so an dem Kühler 1 angeordnet ist, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids 5, 6 erfassbar ist.
Bei dem Verfahren erfolgt gemäß Schritt a) ein Betreiben des Kühlers 1 durch Beaufschlagen des Kühlers 1 mit einem ersten Fluidstrom des ersten Fluids 5 und einem zweiten Fluidstrom des zweiten Fluids 6. Gemäß Schritt b) erfolgt ein Erfassen von Messwerten 11 des mindestens einen Beschleunigungssensors 10 durch ein Steuergerät 15. Gemäß Schritt c) erfolgt ein Auswerten der Messwerte 11 und eine Bestimmung eines Siedezeitpunktes des ersten Fluids 5 oder des zweiten Fluids 6.
Der Kühler 1 dient zur Kühlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine. Das zur Kühlung des Abgases vorgesehene Kühlmedium ist eine Flüssigkeit. Die Bestimmung des Siedezeitpunktes ist zur Steuerung der Kühlleistung des Kühlers 1, also zur Regelung von Volumenströmen bzw. Fluidströmen durch den Kühler 1, erforderlich. Das erste Fluid 5 ist ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine. Das zweite Fluid 6 ist das flüssige Kühlmedium, dessen Siedezeitpunkt bestimmt werden soll. Über eine Regelung des Volumenstroms des zweiten Fluids 6 kann eine Kühlleistung des Kühlers 1 gesteuert werden. Über den Kühler 1 kann die Temperatur des ersten Fluids 5 innerhalb gewisser Grenzen geregelt werden, wobei dafür die Temperatur des zweiten Fluids 6 überwacht und ein Volumenstrom des zweiten Fluids 6 gesteuert wird. Zur Sicherstellung der Kühlleistung wird ein Siedezeitpunkt des zweiten Fluids 6 überwacht. Der Beschleunigungssensor 10 dient zur Erfassung einer Oberflächen-Beschleunigung in dem zweiten Fluid 6. Über den Beschleunigungssensor 10 können Schallwellen erfasst werden. Die Schallwellen werden in Bezug auf Frequenz 16 in Herz [Hz] und Amplitude 13 in Dezibel [dB] erfasst.
Der Beschleunigungssensor 10 ist bevorzugt außerhalb des Gehäuses 2 des Kühlers 1 an dem zweiten Fluidauslass 9 angeordnet. Bei dem hinsichtlich des Siedezeitpunktes untersuchten zweiten Fluids 6 kann zusätzlich eine optische Erfassung von Gasblasen durchgeführt und ein Ergebnis dieser Erfassung in Schritt c) berücksichtigt werden. Die optische Erfassung wird z. B. ebenfalls im Bereich des zweiten Fluidauslasses 9 durchgeführt (hier nicht dargestellt).
2 zeigt ein erstes Diagramm mit erfassten Messwerten 11. 3 zeigt ein zweites Diagramm mit erfassten Messwerten 11. 4 zeigt ein drittes Diagramm mit erfassten Messwerten 11. Die 2 bis 4 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu 1 wird Bezug genommen.
In allen Diagrammen ist an der vertikalen Achse die Amplitude 13 der erfassten Messwerte 11 aufgeführt, hier zwischen 60 und 120 dB wobei selbstverständlich eine Angabe in einem linearen Maßstab auch möglich wäre. Weiter ist in allen Diagrammen an der horizontalen Achse die Frequenz 16 aufgeführt, hier zwischen null und 8.000 Hz. Die Diagramme zeigen die in Versuchen ermittelten Messwerte 11 bzw. Verläufe 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 der Messwerte 11, die in einer Kühleranordnung 14 gemäß 1 ermittelt wurden. Der Beschleunigungssensor 10 ist am zweiten Fluidauslass 9 angeordnet.
In 2 sind Verläufe 17, 18, 19, 20 der Messwerte 11 für jeweils bestimmte Parametersätze dargestellt. Hier wurde der Kühler 1 nur mit unterschiedlichen Volumenströmen des ersten Fluids 5 beaufschlagt. Der erste Verlauf 17 stellt die Messwerte 11 für einen Volumenstrom von z. B. 20 Kilogramm/Stunde des ersten Fluids 6 dar. Der zweite Verlauf 18, der dritte Verlauf 19 und der vierte Verlauf 20 stellen Messwerte 11 für jeweils andere Volumenströme dar. Ein Sieden des zweiten Fluids 6 tritt dabei nicht auf. Hier wird ein Frequenzintervall 12 identifiziert, in dem keine Eigenfrequenzen des Kühlers 1 auftreten. Das Frequenzintervall 12 liegt z. B. zwischen den Frequenzen 16 von 1.800 Hz und ca. 3.300 Hz und umfasst damit ein Frequenzintervall 12 von 1.500 Hz.
In 3 und 4 sind weitere Verläufe 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 von Messwerten 11 dargestellt. In 3 und 4 wurde der Kühler 1 mit unterschiedlichen Volumenströmen des ersten Fluids 5 beaufschlagt, wobei das erste Fluid 5 eine Gastemperatur am ersten Fluideinlass 3 von ca. 650 Grad Celsius aufweist. Weiter wurde der Kühler mit einem jeweils konstanten Volumenstrom des zweiten Fluids 6 von 900 Kilogramm/Stunde beaufschlagt. In 3 beträgt die Temperatur des zweiten Fluids 6 am zweiten Fluideinlass 8 ca. 75 Grad Celsius. In 4 beträgt die Temperatur des zweiten Fluids 6 am zweiten Fluideinlass 8 ca. 95 Grad Celsius.
Für den jeweils fünften Verlauf 21 wurde z. B. ein Volumenstrom des ersten Fluids 5 von 40 Kilogramm/Stunde verwendet, für den jeweils sechsten Verlauf 22 ein Volumenstrom von 50 Kilogramm/Stunde, für den jeweils siebten Verlauf 23 ein Volumenstrom von 60 Kilogramm/Stunde, für den jeweils achten Verlauf 24 ein Volumenstrom von 70 Kilogramm/Stunde, für den jeweils neunten Verlauf 25 ein Volumenstrom von 80 Kilogramm/Stunde, für den jeweils zehnten Verlauf 26 ein Volumenstrom von 90 Kilogramm/Stunde und für den jeweils elften Verlauf 27 ein Volumenstrom von 100 Kilogramm/Stunde.
Die hier untersuchten Volumenströme sind insbesondere von der Größe der verwendeten Verbrennungskraftmaschine abhängig. Vorliegend wurde eine Dieselkraftmaschine mit 2,0 Liter Hubraum und 120 Kilowatt Leistung untersucht.
In 3 ist erkennbar, dass in dem betrachteten Frequenzintervall 12 keine deutliche Erhöhung der Amplituden 13 der Messwerte 11 bzw. der Verläufe 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 vorliegt. Hier tritt kein Sieden des zweiten Fluids 6 am zweiten Fluidauslass 9 auf.
In 4 ist erkennbar, dass in dem betrachteten Frequenzintervall 12 für den achten Verlauf 24, den neunten Verlauf 25, den zehnten Verlauf 26 und den elften Verlauf 27 ein deutliche Erhöhung der Amplitude 13 der Messwerte 11 auftritt. Dabei liegt für den neunten Verlauf 25, den zehnten Verlauf 26 und den elften Verlauf 27, die gegenüber dem achten Verlauf 24 noch einmal deutlich größere Amplituden 13 aufweisen, ein Sieden des zweiten Fluids 6 am zweiten Fluidauslass 9 vor.
Bezugszeichenliste

1: Kühler
2: Gehäuse
3: erster Fluideinlass
4: erster Fluidauslass
5: erstes Fluid
6: zweites Fluid
7: Fluidleitung
8: zweiter Fluideinlass
9: zweiter Fluidauslass
10: Beschleunigungssensor
11: Messwert
12: Frequenzintervall
13: Amplitude
14: Kühleranordnung
15: Steuergerät
16: Frequenz
17: erster Verlauf
18: zweiter Verlauf
19: dritter Verlauf
20: vierter Verlauf
21: fünfter Verlauf
22: sechster Verlauf
23: siebter Verlauf
24: achter Verlauf
25: neunter Verlauf
26: zehnter Verlauf
27: elfter Verlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10255325 A1 [0005]
DE 102010003734 A1 [0006]
DE 102017100810 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Siedezeitpunktes eines als Flüssigkeit vorliegenden Fluids (5, 6) in einem Kühler (1), wobei der Kühler (1) ein Gehäuse (2) mit einem ersten Fluideinlass (3) und einem ersten Fluidauslass (4) für ein erstes Fluid (5) sowie in dem Gehäuse (2) eine von einem zweitem Fluid (6) durchströmbare Fluidleitung (7) aufweist, wobei sich die Fluidleitung (7) zwischen einem zweiten Fluideinlass (8) und einem zweiten Fluidauslass (9) durch das Gehäuse (2) hindurch erstreckt, so dass die Fluidleitung (7) in dem Gehäuse (2), für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid (5) und dem zweiten Fluid (6), von dem ersten Fluid (5) überströmbar ist; wobei mindestens ein Beschleunigungssensor (10) so an dem Kühler (1) angeordnet ist, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids (5, 6) erfassbar ist; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Betreiben des Kühlers (1) durch Beaufschlagen des Kühlers (1) mit einem ersten Fluidstrom des ersten Fluids (5) und einem zweiten Fluidstrom des zweiten Fluids (6); b) Erfassen von Messwerten (11) des mindestens einen Beschleunigungssensors (10) durch ein Steuergerät (15); c) Auswerten der Messwerte (11) und Bestimmung eines Siedezeitpunktes des ersten Fluids (5) oder des zweiten Fluids (6).
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Siedezeitpunkt des zweiten Fluids (6) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das erste Fluid (5) ein Gas ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei bei dem hinsichtlich des Siedezeitpunktes untersuchten Fluids (5, 6) zusätzlich eine optische Erfassung von Gasblasen durchgeführt und ein Ergebnis dieser Erfassung in Schritt c) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest in Schritt b) nur Messwerte (11) erfasst oder in Schritt c) nur Messwerte (11) ausgewertet werden, die innerhalb eines Frequenzbereichs von null bis 20 kHz liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Auswertung nur anhand von Messwerten (11) erfolgt, die in mindestens einem Frequenzintervall (12) liegen, wobei dieses mindestens eine Frequenzintervall (12) höchstens 3000 Herz umfasst.
Verfahren nach Patentanspruch 6, wobei in Schritt c) für die innerhalb des Frequenzintervalls (12) liegenden Messwerte (11) ein Mittelwert einer Amplitude (13) gebildet und dieser Mittelwert zur Bestimmung des Siedezeitpunktes verwendet wird.
Kühler (1), zumindest aufweisend ein Gehäuse (2) mit einem ersten Fluideinlass (3) und einem ersten Fluidauslass (4) für ein erstes Fluid (5) sowie in dem Gehäuse (2) eine von einem zweitem Fluid (6) durchströmbare Fluidleitung (7), wobei sich die Fluidleitung (7) zwischen einem zweiten Fluideinlass (8) und einem zweiten Fluidauslass (9) durch das Gehäuse (2) hindurch erstreckt, so dass die Fluidleitung (7) in dem Gehäuse (2), für einen Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid (5) und dem zweiten Fluid (6), von dem ersten Fluid (5) überströmbar ist; wobei mindestens ein Beschleunigungssensor (10) so an dem Kühler (1) angeordnet ist, dass ein Körperschall zumindest eines Fluids (5, 6) erfassbar ist.
Kühler (1) nach Patentanspruch 8, wobei der Beschleunigungssensor (10) an dem Gehäuse (2) oder außerhalb des Gehäuses (2) an dem zweiten Fluidauslass (9) angeordnet ist.
Kühleranordnung (14), zumindest umfassend einen Kühler (1) nach einem der Patentansprüche 8 und 9 sowie ein Steuergerät (15), dass zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 geeignet ausgeführt ist.