DE102019217593A1

DE102019217593A1 - Verfahren und Ventilanordnung zum Detektieren einer Leckage an einem Spülventil einer Energiewandlungsmaschine

Info

Publication number: DE102019217593A1
Application number: DE102019217593.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Winkelmann; Dirk Wexel
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Offenbart ist eine Ventilanordnung 1 zum Detektieren eines undichten Spülventils 2 an einer Energiewandlungsmaschine 3, wobei das Spülventil 2 fluidleitend mit einer Anodenseite 4 der Energiewandlungsmaschine 1 verbunden ist, sowie mit einem Drucksensor 5, welcher stromabwärts von dem Spülventil 2 angeordnet ist, sowie mit einem stromabwärts von dem Drucksensor 5 angeordneten Auslassventil 6, welches ausgangsseitig mit einem Abgastrakt 7 verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine Energiewandlungsmaschine, insbesondere eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEM Brennstoffzelle). Bei solchen Energiewandlungsmaschinen wird, nachdem Brennstoff einer elektrochemischen Reaktion zugeführt wurde, ein Spülventil geöffnet, so dass überwiegend nicht reaktives Abgas abgeführt werden kann.
Technisches Gebiet
DE 10 2017 204 202 A1 betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Leckage in einem Energiewandler-System enthaltend ein Gas, wobei ein Druckregler zur Regelung eines Gasdrucks in dem Energiewandler-System eingesetzt wird, wobei der Druckregler ein Gasdosierventil aufweist. Vereinfacht ausgedrückt wird bei dem in der DE 10 2017 204 202 A1 offenbarten Verfahren geprüft, wieviel Brennstoff zur Erzeugung der Ausgangsgröße erforderlich gewesen sein müßte, und wieviel Energie die Energiewandlungsmaschine bei der zugeführten Brennstoffmenge hätte erzeugen müssen. Bei einer erheblichen Abweichung zwischen der Energiemenge, welche die Energiewandlungsmaschine bei der zugeführten Brennstoffmenge hätte erzeugen müssen, und der Ausgangsgröße wird ein Fehlersignal erzeugt.
Eine Konzentration an unverbranntem Brennstoff bzw. Wasserstoff im Abgas muss im Normalbetrieb unter 4 Volumen-% bleiben, jedoch kann Brennstoff von der Anodenseite unbemerkt durch das Spülventil entweichen, wenn dieses undicht ist. Somit kann die zulässige Konzentration an Wasserstoff im Abgas überschritten werden.
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung soll ein Verfahren angegeben werden, das die vormals genannten Nachteile abstellt.
Die Nachteile werden durch die unabhängigen Ansprüche abgestellt. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
Vorgesehen ist demgemäß neben einem Verfahren eine Ventilanordnung zum Detektieren eines undichten Spülventils an einer Energiewandlungsmaschine, wobei das Spülventil fluidleitend mit einer Anodenseite der Energiewandlungsmaschine verbunden ist, sowie mit einem Drucksensor, welcher stromabwärts von dem Spülventil angeordnet ist, sowie mit einem stromabwärts von dem Drucksensor angeordneten Auslassventil, welches ausgangsseitig mit einem Abgastrakt verbunden ist.
Nach einer Spülung der Energiewandlungsmaschine wird das Spülventil wieder geschlossen. Ein Prüfzyklus wird gestartet. Im geschlossenen Zustand des Spülventils wird nun auch das Auslassventil geschlossen. Beide Ventile sind nun geschlossen. Wenn anschließend ein Druck in dem Volumen zwischen beiden Ventilen im Wesentlichen konstant bleibt, liegt keine Leckage des Spülventils vor. Nach dem Prüfzyklus kehrt das normal geöffnete Auslassventil wieder in die normal geöffnete Position zurück.
In einer Ausgestaltung ist ein Volumenstrom an Brennstoff, welcher der Anodenseite zugeführt wird, über ein Einlassventil regelbar.
Der Volumenstrom kann über eine Dosierpumpe, über ein im Pulsweitenmodulationsverfahren angesteuertes Schaltventil, und/oder ein Proportionalventil geregelt werden. Üblicherweise liegt Wasserstoff bei einem Überdruck vor, so dass zur Zuführung von Brennstoff an die Anodenseite ein den Tank mit der Anodenseite verbundenes Ventil lediglich für eine kurze Zeit geöffnet werden muss. Dementsprechend bietet sich ein Schaltventil an. Schaltventile sind in absolut dichten Bauformen lieferbar. Proportionalventile weisen üblicherweise eine Leckage auf, deshalb werden diese eher in Kombination mit einem Schaltventil eingesetzt. In einer Ausgestaltung ist zumindest der Drucksensor in einem Kontrollvolumen angeordnet.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Kontrollvolumen um ein Rohr zwischen dem Spülventil und dem Auslassventil, an dem der Drucksensor angeordnet ist, so dass er den Druck im Rohr erfassen kann. An sich genügt somit schon ein Volumen einer geraden Leitung, um Leckagen zu erfassen.
In einer Ausgestaltung ist das Spülventil ein konstruktiv normal geschlossenes Schaltventil.
In einer Ausgestaltung ist das Auslassventil ein konstruktiv normal geöffnetes Schaltventil.
Durch diese Ausgestaltungen wird ein sicherer Betrieb gewährleistet. Wenn das Auslassventil versagt, öffnet es und Abgas kann ungehindert in den Abgastrakt entweichen.
In einer Ausgestaltung ist die Energiewandlungsmaschine eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
Bei Polymerelektrolytbrennstoffzellen wird ein Volumenstrom an Brennstoff kontinuierlich geregelt. Bei Energiewandlungsmaschinen mit kontinuierlich geregeltem Anodeneinlaß kann eine Leckage am Spülventil oft unbemerkt zu einem Entweichen von Brennstoff führen.
In einer Ausgestaltung ist stromabwärts von dem Spülventil und stromaufwärts von dem Auslassventil ein Temperatursensor angeordnet.
Durch den Temperatursensor kann ferner eine Temperatur im Abgas gemessen werden. Die vom Drucksensor generierten Signale können durch den Temperatursensor zusätzlich temperaturkompensiert werden.
Offenbart ist ferner eine Steuereinheit zum Detektieren einer Leckage am Spülventil, wobei die Steuereinheit signaltechnisch mit dem Spülventil, dem Auslassventil und dem Drucksensor verbunden ist, und wobei die Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, das Spülventil und das Auslassventil wahlweise zu öffnen und zu schließen, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist, einen Druck vom Drucksensor zu erfassen und daraus einen Druckverlauf über der Zeit aufzuzeichnen, und wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgestaltet ist, aus dem Druckverlauf bei einem geschlossenen Spülventil und geschlossenem Auslassventil zu erkennen, ob eine Leckage am Spülventil vorliegt.
In einer Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, ein Temperatursignal, welches von einem zwischen dem Spülventil und dem Auslassventil angeordneten Temperatursensor stammt, zu erfassen, wobei die Steuereinheit den Druckverlauf entsprechend korrigiert, indem ein Korrekturwert aufgeschaltet wird, der einer temperaturbedingten Druckerhöhung und/oder Verringerung entspricht.
Die Steuereinheit ist ausgestaltet zur Durchführung eines Verfahrens zum Detektieren einer Undichtigkeit an einem Spülventil an einer Energiewandlungsmaschine, aufweisend die Schritte: Schließen des Spülventils, Schließen eines stromabwärts von dem Spülventil angeordneten Auslassventils, Erfassen eines Druckverlaufs an einem stromabwärts von dem Spülventil und stromaufwärts von dem Auslassventil angeordneten Drucksensor, Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf, und, wenn beim Erfassen eine Abweichung erfasst wird, Ausgabe eines Signals „Spülventil undicht“, und wenn beim Erfassen keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wurde, Öffnen des Ausgleichsventils und Setzen eines Signals „Spülventil dicht“.
Wenn eine Leckage vorliegt, gelangt Abgas durch das Spülventil. Dadurch wird der Druck im Kontrollvolumen erhöht. Demnach wird durch das Erfassen der Abweichung im Druck bei geschlossenen Ventilen eine Leckage am Spülventil erfasst. Wenn keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wird, kann das daran liegen, dass das Auslassventil genauso viel Abgas entweichen läßt, wie das Spülventil. Dementsprechend kann in einer Weiterbildung das im folgenden Absatz erläuterte Verfahren vor oder nach der Spülventil-Leckageprüfung ablaufen.
Vorgesehen ist ein Verfahren, aufweisend die folgenden Schritte zur Überprüfung einer Dichtigkeit des Auslassventils: Öffnen des Spülventils; Schließen eines stromabwärts von dem Spülventil angeordneten Auslassventils; Schließen des Spülventils, Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf, und wenn eine Abweichung vorliegt, welche auf ein undichtes Auslassventil zurückzuführen ist, Öffnen des Auslassventils und Ausgabe eines Signals „Spülventil-Leckageprüfung nicht möglich“, und wenn beim Erfassen keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wird, Durchführung der Spülventil-Leckageprüfung.
In einer Ausgestaltung wird aus einem Temperatursignal ein Korrekturwert errechnet. Mit dem Korrekturwert wird eine Druckabweichung im Druckverlauf infolge einer Temperaturänderung kompensiert.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere in einer Steuereinheit ausgeführt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit kodierten Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerelektronik einer Steuereinheit ausgeführt wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Das Computerprogramm kann insbesondere auf dem vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukt, beispielsweise eine Diskette, CD-ROM, DVD, Speicher, eine an das Internet angeschlossene Prozessoreinheit, gespeichert sein. Das Computerprogramm kann insbesondere als eine kompilierte oder noch nicht kompilierte Datenfolge ausgestaltet sein, die vorzugsweise auf einer höheren, insbesondere objekt-basierten Computersprache basiert.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Signalfolge mit computerlesbaren Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn die Signalfolge von einem Computer, insbesondere einer Steuereinheit verarbeitet wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Die Signalfolge kann insbesondere mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogramms und/oder mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukts erzeugt werden. Die Signalfolge kann als elektrische Impulse und/oder elektromagnetische Welle und/oder optische Impulse drahtlos oder drahtgebunden bereitgestellt werden.
Vorgesehen sind Mittel zum Detektieren einer Undichtigkeit an einem Spülventil an einer Energiewandlungsmaschine, aufweisend: Mittel zum Schließen des Spülventils, Mittel zum Schließen eines stromabwärts von dem Spülventil angeordneten Auslassventils, Mittel zum Erfassen eines Druckverlaufs an einem stromabwärts von dem Spülventil und stromaufwärts von dem Auslassventil angeordneten Drucksensor, Mittel zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf, und, wenn von den Mitteln zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf Erfassen eine Abweichung erfasst wird, Mittel zum Ausgeben eines Signals „Spülventil undicht“, und wenn von den Mitteln zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf beim Erfassen keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wurde, Öffnen des Ausgleichsventils und Mittel zum Setzen eines Signals „Spülventil dicht“.
Es können ferner vorgesehen sein: Mittel zur Überprüfung einer Dichtigkeit des Auslassventils: Mittel zum Öffnen des Spülventils; Mittel zum Schließen eines stromabwärts von dem Spülventil angeordneten Auslassventils; Mittel zum Schließen des Spülventils, Mittel zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf, und wenn von den Mitteln zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf eine Abweichung erfasst wurde, welche auf ein undichtes Auslassventil zurückzuführen ist, Mittel zum Öffnen des Auslassventils und Ausgabe eines Signals „Spülventilprüfung nicht möglich“, und wenn von den Mitteln zum Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf beim Erfassen keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wird, Mittel zur Durchführung des Spülventil-Leckagetests.
Weiterhin können Mittel vorgesehen sein, die aus einem Temperatursignal einen Korrekturwert errechnen, wobei mit dem Korrekturwert mit Mitteln eine Druckabweichung im Druckverlauf infolge einer Temperaturänderung kompensiert wird.
Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Steuereinheit mit Mikroprozessoren (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Das Programm kann auf einem Speichersystem abgelegt sein. Das Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann. Die Steuereinheit kann signalübertragend mit der Energiewandlungsmaschine, elektrisch regelbaren Schalt- und Regelventilen verbunden sein, um diese zu steuern bzw. zu regeln.
In einer Ausführung sind ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihre Mittel.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:

1: schematisch eine Energiewandlungsmaschine mit einem Einlass und einem Spülventil, das Reaktionsstoffe in einen Abgastrakt ableitet;
2: schematisch einen Verfahrensablauf, der in einer Steuereinheit ablaufen kann, um eine Leckage in dem Spülventil zu erfassen;
3: einen zu einem dichten Auslassventil korrespondierenden Druckverlauf;
4: einen zu einem undichten Auslassventil korrespondierenden Druckverlauf, wobei der Druckverlauf nach einem Schließen des Auslassventils auf eine Leckage am Auslassventil schließen läßt;
5: einen Druckverlauf über der Zeit nach einem Schließen des Auslassventils bis zu einem Öffnen des Auslassventils, wobei der Druckverlauf einem geringen und gleichbleibenden Druck entspricht was dafür spricht, dass das Spülventil dicht ist; und
6: einen ansteigenden Druckverlauf über der Zeit nach einem Schließen des Auslassventils bis zu einem Öffnen eines Auslassventils, wobei der Druck ansteigt, was dafür spricht, dass das Spülventil undicht ist.

Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern. Es sind vier verschiedene Druckverläufe gezeigt, die jedoch alle mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Sie gelten jeweils im Zusammenhang mit der jeweiligen Figur. Zur Erläuterung des Verfahrens entsprechend der 2 wird auf alle anderen Figuren Bezug genommen.
1 zeigt eine Energiewandlungsmaschine 3, insbesondere eine Brennstoffzelle, der ein Volumenstrom VB an Brennstoff zugeführt werden kann. Der Brennstoff reagiert mit reinem Sauerstoff oder Luft in nicht dargestellter Weise und erzeugt elektrisch nutzbare Energie. Der Volumenstrom VB kann über ein Einlassventil 9 dosiert einer Anodenseite 4 zugeführt werden. Im Einlass herrscht dann ein Druck PE. Die Anodenseite 4 ist in nicht dargestellter Weise durch einen Elektrolyten von einer Kathodenseite getrennt. Über eine Ventilanordnung 1 kann die Anodenseite 4 gespült werden. Die Ventilanordnung 1 verbindet die Anodenseite 4, sofern im Folgenden beschriebene Ventile 2 und 6 geöffnet sind, fluidleitend mit einem Abgastrakt 7. Die Ventilanordnung 1 weist ein Spülventil 2 auf, welches bei Außerbetriebnahme und bei Spülvorgängen der Anodenseite 4 geöffnet wird. Abgas strömt durch das Spülventil 2 letztendlich in den Abgastrakt 7.
Das Spülventil 2 ist ein normal geschlossenes Schaltventil, welches zwei Positionen aufweist, eine geöffnete Position und eine geschlossene Position. In einem nicht bestromten Zustand wird das Spülventil 2 automatisch geschlossen. Wenn kein Signal mehr an das Spülventil 2 ausgegeben wird, schließt es also. Das Spülventil 2 wird geschlossen, wenn Defekte an einer Steuereinrichtung 11 bzw. einer signalübertragenden Leitung zum Spülventil 2 oder am Spülventil 2 selbst vorliegen. Im geschlossenen Zustand sollte keine fluidleitende Verbindung zwischen der Anodenseite 4 und der Ventilanordnung 1 stromabwärts von dem Spülventil 2 bestehen. Wenn bei geschlossenem Spülventil 2 eine fluidleitende Verbindung weiterbesteht, liegt eine Leckage am Spülventil 2 vor.
Eine Leckage am Spülventil 2 kann in einem Szenario dazu führen, dass im Betrieb der Energiewandlungsmaschine 3 ständig unbemerkt Brennstoff durch das Spülventil 2 in den Abgastrakt 7 entweicht. Es wird dadurch nicht eine gesamte verfügbare Menge an Brennstoff in elektrische Energie umgewandelt, wodurch ein Wirkungsgrad der Energiewandlungsmaschine 3 reduziert wird.
Der Temperatursensor 8, der Drucksensor 5, der Drucksensor 12, das Einlassventil 9, das Spülventil 2 und das Auslassventil 6 sind mit der Steuereinheit 11 signalübertragend verbunden.
2 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf in 20 Schritten, der in einer Steuereinheit 11 entsprechend 1 ablaufen kann, um eine Leckage in dem Spülventil 2 zu erfassen.
Die Schritte 201 bis 211 dienen zum Testen einer Leckage am Auslassventil 6 (Auslassventil-Prüfung). Die zu den Verfahrensschritten korrespondierenden Druckverläufe zeigen die 3 und 4. Wenn das Auslassventil 6 undicht ist, kann eine Leckage am Spülventil 2 gar nicht geprüft werden. Einen zu einem undichten Auslassventil 6 korrespondierenden Druckverlauf zeigt 4.
Einen zu einem dichten Auslassventil 6 korrespondierenden Druckverlauf zeigt 3. Wenn dieses dicht ist, kann die Prüfung des Spülventils 2 beginnen. Die Schritte 212 bis 220 entsprechen einem Testverfahren zum Testen einer Leckage durch das Spülventil 2 (Spülventil-Leckageprüfung). Die entsprechenden Druckverläufe DV zeigen die 5 und 6. In 5 ist ein Druckverlauf dargestellt, der vorliegt, wenn das Spülventil 2 dicht ist. In 6 ist ein Druckverlauf dargestellt, der vorliegt, wenn das Spülventil 2 undicht ist.
In einem Start 201 eines Spülvorgangs der Anodenseite 4 beginnt das Verfahren, zunächst mit einem Schritt 202, der ein Öffnen des Spülventils 2 vorsieht. Dies erfolgt zeitlich in den 3 und 4 zu einem Zeitpunkt t1.
Anschließend erfolgt in Schritt 203 zum Beenden des Spülvorgangs zunächst ein Schließen des Auslassventils 6 zu einem Zeitpunkt t2 in den 3 und 4. Damit beginnt die eigentliche Prüfung einer Dichtigkeit des Auslassventils 6. Bevor die Dichtigkeit des Auslassventils 6 getestet wird, startet eine Prüfung der Dichtigkeit des Spülventils 2 nicht.
In dem Schritt 204 wird das Spülventil 2 geschlossen. Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt t3 in den 3 und 4.
In Schritt 205 erfolgt nun ein Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf DV. Eine Abweichung liegt vor, wenn der Druck nicht stetig gleichbleibend ist, sondern absackt. Einen absackenden Druck erkennt man in dem in 4 dargestellten Druckverlauf nach dem Zeitpunkt t3.
In einem Schritt 207 wird festgestellt, dass das Auslassventil 6 eine Leckage aufweist. In einem Schritt 208 erfolgt ein Öffnen des Auslassventils 6 und in Schritt 209 wird festgestellt, dass ein Leckagetest nicht durchführbar ist, woraufhin die Steuereinheit 11 in Schritt 210 ein Signal „Leckagetest nicht möglich“ setzt, in Form eines maschinenlesbaren Bits oder Flags. Dementsprechend erfolgt in Schritt 211 ein Deaktivieren der Energiewandlungsmaschine 3. Alternativ wird die Leckageprüfung wiederholt, um auszuschließen, dass Messfehler und klemmende Ventile zu einem Nichtbestehen geführt haben.
Wenn das Erfassen des Druckverlaufs DV in Schritt 206 ergibt, dass keine Abweichung im Druckverlauf DV gemessen wurde (entsprechend 5), erfolgt in Schritt 212 ein Öffnen des Auslassventils 6. In Schritt 213 erfolgt ein Schließen des Auslassventils 6 zu einem Zeitpunkt t5 (5 und 6). Das Spülventil 2 ist in dieser Phase des Prüfzyklus noch geschlossen. Wenn das Spülventil 2 undicht wäre, würde Gas von der Anodenseite 4 in das Kontrollvolumen 10 entweichen und der Drucksensor 5 würde einen Druckanstieg erfassen. Ein zu einem undichten Spülventil 2 korrespondierender Druckverlauf ist in 6 dargestellt. In Schritt 214 erfolgt dementsprechend ähnlich wie in Schritt 206 ein Erfassen des Druckverlaufs DV. Diesmal wird das Spülventil 6 geprüft. Wenn der Druckverlauf DV konstant und flach ist, erfolgt in Schritt 219 ein Öffnen des Auslassventils und in Schritt 220 ein Setzen eines Signals „Leckagetest bestanden“.
Wenn der Druckverlauf DV wie in 6 gezeigt ansteigt, erfolgt in Schritt 215 ein Öffnen des Auslassventils 6. Gegebenenfalls erfolgt in Schritt 216 eine Berechnung eines Volumens an Leckage durch das Spülventil 2. Auch ohne diesen optionalen Schritt erfolgt in Schritt 217 ein Setzen eines Signals „Leckagetest nicht bestanden“ und in Schritt 218 erfolgt eine Deaktivierung der Energiewandlungsmaschine.
3 zeigt einen zu einem dichten Auslassventil korrespondierenden Druckverlauf DV, der sich beim Durchlaufen der Verfahrensschritte 201 bis 212 ergibt. Die Schritte 207 bis 211 werden nicht durchlaufen, weil bei 206 keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wurde.
5 zeigt einen zu einem dichten Spülventil korrespondierenden Druckverlauf DV, der sich beim Durchlaufen der Verfahrensschritte 213 bis 220 ergibt. Die Schritte 215 bis 218 werden nicht durchlaufen, weil bei 214 keine Abweichung im Druckverlauf erfasst wurde.
In 5 wird gezeigt wie zu einem fünften Zeitpunkt t5 das Auslassventil 6 geschlossen wird (es war zuvor temporär geöffnet). Da eine Abweichung im Druckverlauf nicht vorliegt, gibt die Steuereinheit 11 ein entsprechendes Signal „Spülventil ist dicht“ aus. Das Signal kann durch ein maschinenlesbares Flag oder Bit gespeichert werden.
An dieser Stelle soll kurz erläutert werden, weshalb zunächst das Auslassventil 6 auf Dichtigkeit geprüft wird. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein stetiger Druck bei der Erfassung in Schritt 214 zwischen dem Zeitpunkt t5 und dem Zeitpunkt t6 dadurch entsteht, dass genauso viel Abgas entweicht, wie durch eine anderweitige Leckage einströmt. Hierfür wird der beschriebene Auslassventil-Leckagetest entsprechend der Schritte 201 bis 211 durchgeführt.
4 zeigt einen zu einem undichten Auslaßventil korrespondierenden Druckverlauf DV. 4 zeigt einen Druckverlauf DV über der Zeit t nach einem Schließen des Auslassventils 6 zu einem Zeitpunkt t2 bis zu einem Öffnen des Auslassventils 6 zum Zeitpunkt t4, Nachdem zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 und in Schritten 201 bis 206 ein Druckabfall im geschlossenen Kontrolvolumen festgestellt wurde, wird das Ausgleichsventil 6 zu einem Zeitpunkt t4 geöffnet.
6 zeigt einen ansteigenden Druckverlauf DV über der Zeit nach einem Schließen des Auslassventils 6 zu einem Zeitpunkt t5 bis zu einem Öffnen eines Auslassventils 6 zu einem Zeitpunkt t6, wobei ein Anstieg des Druckverlaufs DV erkennbar ist, was dafür spricht, dass das Spülventil 2 undicht ist. Dementsprechend setzt die Steuereinheit 11 ein Signal „Leckagetest nicht bestanden“
In einer weiteren Ausführung kann anhand des Temperatursignals TS eine Druckänderung infolge eines Aufheiz- oder Abkühlvorgangs im Rohr kompensiert werden. Das Drucksignal, welches in der Steuereinheit 11 für die Schritte 206 und 214 auf Schwankungen überprüft wird, ist demnach temperaturkompensiert. Der Temperatursensor 8 liefert ein Temperatursignal TS an die Steuereinheit 11. Diese kann dazu ausgestaltet sein, die Messwerte des Druckaufnehmers anhand des Temperatursignals TS zu kompensieren. Dadurch werden die durch die Temperatur T auf den Druck P wirkenden Effekte ausgeglichen. Dadurch werden durch temperaturgetriebene Druckänderungen im Kontrolvolumen induzierte Fehlermeldungen vermieden.
Die Schritte 212 (Öffnen des Auslassventils 6) und 213 (Schließen des Auslassventils) dienen dem Druckausgleich in der Ventilanordnung. Es herrscht anschließend ein Druck vor, der auch im Abgastrakt vorliegt. In etwa entspricht der Druck im Abgastrakt dem Atmosphärendruck.
Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Ventilanordnung
2: Spülventil
3: Energiewandlungsmaschine
4: Anodenseite
5: Drucksensor
6: Auslassventil
7: Abgastrakt
8: Temperatursensor
9: Einlassventil
10: Kontrollvolumen
11: Steuereinheit
12: Drucksensor
201: Start
202: Spülventil öffnen
203: Auslassventil schließen
204: Spülventil schließen
205: Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf
206: Druckabfall im Kontrolvolumen vorhanden? (JA/Nein)
207: Auslassventil weist Leckage auf
208: Öffnen des Auslassventils
209: Test nicht durchführbar
210: Setzen eines Signals „Leckagetest nicht möglich“
211: Einleiten von Eingriffen in die Brennstoffzellenoperationsstrategie (ggf. bis hin zur Deaktivierung der BZ)
212: Öffnen des Auslassventils
213: Schließen des Auslassventils
214: Erfassen einer Abweichung im Druckverlauf Druckaufbau im Kontrolvolumen vorhanden? (JA/Nein)
215: Öffnen des Auslassventils
216: Berechnung eines Volumens an Leckage durch das Spülventil
217: Setzen eines Signals „Leckagetest nicht bestanden“
218: Deaktivieren der Energiewandlungsmaschine
219: Öffnen des Auslassventil
220: Setzen eines Signals „Leckagetest bestanden“
DV: Druckverlauf
P: Druck
T: Temperatur
t1: Zeitpunkt (Öffnen des Spülventils)
t2: Zeitpunkt (Öffnen des Spülventils bei geschlossenem Auslassventil)
t3: Zeitpunkt (Schließen des Spülventils bei geschlossenem Auslassventil)
t4: Zeitpunkt (Öffnen des Auslassventils)
t5: Zeitpunkt (Schließen des Auslassventils bei geschlossenem Spülventil)
t6: Zeitpunkt (Öffnen des Auslassventils)
TS: Temperatursignal
PE: Eingangsdruck
VB: Volumenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017204202 A1 [0002]

Claims

Ventilanordnung (1) zum Detektieren eines undichten Spülventils (2) an einer Energiewandlungsmaschine (3), wobei das Spülventil (2) fluidleitend mit einer Anodenseite (4) der Energiewandlungsmaschine (1) verbunden ist, sowie mit einem Drucksensor (5), welcher stromabwärts von dem Spülventil (2) angeordnet ist, sowie mit einem stromabwärts von dem Drucksensor (5) angeordneten Auslassventil (6), welches ausgangsseitig mit einem Abgastrakt (7) verbunden ist.
Ventilanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei ein Volumenstrom (VB), welcher der Anodenseite (4) der Energiewandlungsmaschine (3) zugeführt wird, über ein Einlassventil (9) regelbar ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Drucksensor (5) in einem Kontrollvolumen (10) angeordnet ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spülventil (2) ein konstruktiv normal geschlossenes Schaltventil ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auslassventil (6) ein konstruktiv normal geöffnetes Schaltventil ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energiewandlungsmaschine (3) eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist.
Ventilanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stromabwärts von dem Spülventil (2) und stromaufwärts von dem Auslassventil (6) ein Temperatursensor (8) angeordnet ist.
Steuereinheit (11) für eine Energiewandlungsmaschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (11) signaltechnisch mit dem Spülventil (2), dem Auslassventil (6) und dem Drucksensor (5) verbunden ist, und wobei die Steuereinheit (11) dazu ausgestaltet ist, das Spülventil (2) und das Auslassventil (6) wahlweise zu öffnen und zu schließen, wobei die Steuereinheit (11) ferner dazu ausgestaltet ist, einen Druck (P) vom Drucksensor (5) zu erfassen und daraus einen Druckverlauf (DV) über der Zeit (t) aufzuzeichnen, und wobei die Steuereinheit (11) ferner dazu ausgestaltet ist, aus dem Druckverlauf (DV) bei einem geschlossenen Spülventil (2) und geschlossenem Auslassventil (6) zu erkennen, ob eine Leckage am Spülventil (2) vorliegt.
Steuereinheit (11) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (11) dazu ausgestaltet ist, ein Temperatursignal (TS), welches von einem zwischen dem Spülventil (2) und dem Auslassventil (6) angeordneten Temperatursensor (8) stammt, zu erfassen, wobei die Steuereinheit (11) den Druckverlauf (DV) entsprechend korrigiert, indem ein Korrekturwert aufgeschaltet wird, der einer temperaturbedingten Druckerhöhung und/oder Verringerung entspricht.
Verfahren zum Detektieren einer Undichtigkeit an einem Spülventil (2) an einer Energiewandlungsmaschine (3), aufweisend die Schritte: Schließen (204) des Spülventils (2), Schließen (213) eines stromabwärts von dem Spülventil (2) angeordneten Auslassventils (6), Erfassen eines Druckverlaufs (PV) an einem stromabwärts von dem Spülventil (2) und stromaufwärts von dem Auslassventil (6) angeordneten Drucksensor (5), Erfassen (214) einer Abweichung im Druckverlauf (DV), und, wenn beim Erfassen (214) eine Abweichung erfasst wird, Ausgabe (217) eines Signals „Spülventil undicht“, und wenn beim Erfassen (214) keine Abweichung im Druckverlauf (DV) erfasst wurde, Öffnen (219) des Ausgleichsventils (6) und Setzen (220) eines Signals „Spülventil dicht“.
Verfahren, aufweisend die folgenden Schritte zur Überprüfung einer Dichtigkeit des Auslassventils (6): Öffnen (202) des Spülventils (2); Schließen (203) eines stromabwärts von dem Spülventil (2) angeordneten Auslassventils (6); Schließen (204) des Spülventils (2), Erfassen (205) einer Abweichung im Druckverlauf (DV), und wenn eine Abweichung vorliegt, welche auf ein undichtes Auslassventil (6) zurückzuführen ist, Öffnen (208) des Auslassventils (6) und Ausgabe (210) eines Signals „Spülventilprüfung nicht möglich“, und wenn beim Erfassen (206) keine Abweichung im Druckverlauf (DV) erfasst wird, Durchführung der Schritte des Verfahrens nach Anspruch 10.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und/oder 11, wobei aus einem Temperatursignal (TS) ein Korrekturwert errechnet wird und wobei mit dem Korrekturwert eine Druckabweichung im Druckverlauf (DV) infolge einer Temperaturänderung kompensiert wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere einer Steuereinheit (11) nach Anspruch 9 ausgeführt wird.
Computerprogramm mit kodierten Anweisungen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einem Computer in einer Steuereinheit (11) nach Anspruch 9 ausgeführt wird.
Signalfolge mit computerlesbaren Anweisungen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wenn die Signalfolge von einem Computer, insbesondere einer Steuereinheit (11) nach einem Anspruch 9 ausgeführt wird.