Titel

VERDICHTER MIT SENSOR ZUR ERKENNUNG VON VERDICHTERPUMPEN

Die Erfindung betrifft einen Verdichter. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Verdichters. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Verdichter.

Stand der Technik

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Verdichter, einer Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antreiben des Verdichters und mit einem Regelungsgerät bekannt, das zur Erfassung eines Verdichterpumpens eingerichtet ist.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Verdichters zu erhöhen.

Die Aufgabe ist bei einem Verdichter dadurch gelöst, dass der Verdichter mit einem Körperschallsensor ausgestattet ist, mit dem im Betrieb des Verdichters Instabilitäten erfasst werden, bevor im Betrieb des Verdichters eine Pumpgrenze erreicht wird. Der Verdichter umfasst zum Beispiel ein Laufrad, das mit Hilfe mindestens eines Lagers drehbar in einem Gehäuse gelagert ist. Das Laufrad wird, zum Beispiel mit Hilfe eines Elektromotors, angetrieben, um mit Hilfe einer geeigneten Beschaufelung auf einer Laufradvorderseite ein zugeführtes Medium, wie Luft, zu verdichten. Beim Verdichten von Luft wird der Verdichter auch als Luftverdichter oder Luftkompressor bezeichnet. Bei den im Betrieb des Verdichters auftretenden Instabilitäten, die an sich unerwünscht sind, handelt es sich um körperschallbeeinflussende Phänomene, die im Betrieb des Verdichters vor Erreichen der Pumpgrenze auftreten. Dabei handelt es sich zum Beispiel um ein umlaufendes Ablösen der Strömung an einer oder mehreren Schaufeln des Verdichters oder um ein unerwünschtes Rückströmen eines zu verdichtenden Mediums in dem Verdichter entgegen einer normalen Strömungsrichtung beim Verdichten des Mediums. Durch die Verwendung des Körperschallsensors kann im Betrieb des Verdichters vorteilhaft ein Überschreiten der Pumpgrenze und ein damit verbundenes Verdichterpumpen sicher verhindert werden. So wird ein pumpgrenznaher Betrieb ermöglicht, und zwar besonders vorteilhaft ohne einen ansonsten benötigten Sicherheitsvorbehalt. Körperschallsensoren an sich sind zum Beispiel aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 102007 057 136 Al oder DE 10 2009 027011 Al bekannt. In dem beanspruchten Verdichter wird ein an sich bekannter Körperschallsensor vorteilhaft zur Überwachung einer Rotordynamik des Verdichters genutzt, wodurch die Lebensdauer des Verdichters verlängert und zum Beispiel die Früherkennung von Lagerschäden ermöglicht wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor an einem Gehäuse des Verdichters angebracht ist. Der Körperschallsensor kann außen oder innen am Verdichtergehäuse angebracht sein. Die Anbringung des Körperschallsensors am Verdichtergehäuse liefert den Vorteil, dass Schwingungen, die von Instabilitäten im Betrieb des Verdichters hervorgerufen werden, effektiv erfasst werden können.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor an einer Gehäusevolute des Verdichters angebracht ist. Diese Anordnung hat sich im Hinblick auf die effektive Erfassung von im Betrieb des Verdichters auftretenden Instabilitäten als besonders vorteilhaft erwiesen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor einem Rotor des Verdichters zugeordnet ist. Der Rotor des Verdichters wird zum Beispiel elektromotorisch angetrieben. Die vorab beschriebenen Instabilitäten im Betrieb des Verdichters werden über das Laufrad auf den Rotor übertragen, der antriebsmäßig mit dem Laufrad verbunden ist. Durch die Zuordnung des Körperschallsensors zu dem Rotor können die vorab beschriebenen Instabilitäten effektiv erfasst werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor einem Lager des Verdichters zugeordnet ist. So können vorteilhaft Lagerschäden erfasst werden, ohne dass es zu einem unerwünschten Ausfall des Verdichters kommt.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor an einer Stelle angebracht ist, an der eine Gehäusewand des Verdichters gezielt geschwächt ist, um ein schwingfähiges System zu schaffen, in das der Körperschallsensor integriert ist. Dadurch kann die Körperschallmessung wirksam vereinfacht werden. So können beispielsweise auch kleine Druckschwankungen, die durch die beschriebenen Instabilitäten hervorgerufen werden, erfasst werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verdichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor steuerungsmäßig mit einer Steuerung des Verdichters verbunden ist. Die Steuerung ermöglicht es zum Beispiel, die Drehzahl des Verdichters automatisch zu reduzieren, wenn mit dem Körperschallsensor Instabilitäten im Betrieb des Verdichters erfasst werden.

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Verdichters ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der Körperschallsensor mit der Steuerung überwacht wird, wobei eine Drehzahl im Betrieb des Verdichters reduziert wird, sobald mit dem Körperschallsensor erfasst und mit der Steuerung erkannt wird, dass eine definierte Vorpumpgrenze des Verdichters erreicht ist. Die Vorpumpgrenze ist niedriger als die Pumpgrenze. Die Vorpumpgrenze kann vorteilhaft so gewählt werden, dass ein Verdichterkennfeld im Betrieb des Verdichters besser ausgenutzt werden kann.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Erkennung eines Lagerschadens und/oder die Erkennung einer Beschädigung eines Rotorlagersystems. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät mit einer vorab beschriebenen Steuerung.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Verdichter. Der Verdichter umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Verdichterstufe beziehungsweise ein Verdichterrad. Der Verdichter umfasst gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mindestens zwei Verdichterstufen, die in Reihe geschaltet sind. Ein Laufrad des Verdichters kann antriebsmäßig mit einem Turbinenrad verbunden sein. Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise mehrere Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen. Mit dem Verdichter wird der Brennstoffzelle Sauerstoff, zum Beispiel in Form von Luft, als Oxidationsmittel zugeführt.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Gehäuse, insbesondere eine Gehäusevolute, und/oder einen Körperschallsensor für einen vorab beschriebenen Verdichter. Die genannten Teile sind separat handelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 einen Verdichter mit einem Gehäuse in einer Seitenansicht;

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Verdichters mit einem Rotor, der durch drei Lager radial und axial drehbar gelagert ist; und Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter, wie er in Figur 2 dargestellt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.

Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.

Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird. In Figur 2 ist ein Verdichter 100 eines Brennstoffzellensystems schematisch dargestellt. Der Verdichter 100 umfasst ein Gehäuse 101, in welchem ein Elektromotor 102 angeordnet ist. Der Elektromotor 102 dient zum Antrieb eines Rotors 103 des Verdichters 100.

Der Rotor 103 des Verdichters 100 ist mit Hilfe von zwei Radial-Gaslagern 104, 105 radial in dem Gehäuse 101 gelagert. Zur axialen Lagerung des Rotors 103 dient ein Axial-Gaslager 106.

An dem in Figur 2 linken Ende des Rotors 103 ist ein Verdichterrad 107 angebracht. Das Verdichterrad 107 dient zur Verdichtung von Luft, die in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, wenn das Verdichterrad 107 über den Rotor 103 durch den Elektromotor 102 angetrieben wird.

Die Radial-Gaslager 104, 105; 106 umfassen jeweils einen Gehäusekörper 108, 109; 110. Der Rotor 103 umfasst zwei Rotorabschnitte, die auch als Rotorkörper 111, 112 bezeichnet werden, mit denen der Rotor 103 in den Radial-Gaslagern 104, 105 radial gelagert ist.

Der Rotor 103 umfasst darüber hinaus einen Rotorbund, der auch als Rotorkörper 113 bezeichnet wird. Über den Rotorkörper 113 ist der Rotor 103 durch das Axial-Gaslager 106 axial in dem Gehäuse 101 gelagert. Der Rotorkörper 113 wird auch als Axiallagerscheibe bezeichnet.

In Figur 2 sind symbolisch Körperschallsensoren 121 bis 123 angedeutet. Der Körperschallsensor 121 ist dem Axial-Gaslager 106 zugeordnet. Der Körperschallsensor 122 ist dem Radial-Gaslager 104 zugeordnet. Der Körperschallsensor 123 ist dem Rotor 103 zugeordnet. Der Körperschallsensor 124 ist dem Verdichterrad 107 zugeordnet, das auch als Laufrad 107 bezeichnet wird.

Die Körperschallsensoren 121, 122 und 124 sind außen am Gehäuse 101 des Verdichters 100 angeordnet. Der Körperschallsensor 123 ist innen am Gehäuse 101 des Verdichters 100 angebracht. Eine in Figur 2 nicht näher bezeichnete Gehäusewand, an welcher mindestens einer der Körperschallsensoren 121 bis 124 angebracht ist, ist vorteilhaft gezielt geschwächt ausgeführt, um im Betrieb des Verdichters am Gehäuse Schwingungen zu ermöglichen, wenn im Betrieb des Verdichters Instabilitäten auftreten. Die Schwächung der Gehäusewand wird zum Beispiel einfach dadurch erreicht, dass die Gehäusewand im Bereich der Schwächung gezielt dünner ausgeführt wird als in einem die Schwächung umgebenden Bereich.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters in einer Seitenansicht dargestellt. Der Verdichter 30, der auch als Kompressor bezeichnet wird, umfasst ein Gehäuse 31, in welchem eine auch als Rotor bezeichnete Welle 32, beispielsweise eine Kompressorwelle 32, drehbar gelagert ist. Über den Verdichter oder Kompressor 30 wird Luft in einen Brennstoffstapel eines Brennstoffzellensystems gefördert, wie es in Figur 3 dargestellt ist.

Das Gehäuse 31 des Verdichters 30 umfasst eine Gehäusevolute 35. An der Gehäusevolute 35 ist ein Körperschallsensor 33 angebracht. Der Körperschallsensor 33 ist über eine gestrichelt angedeutete Steuerleitung mit einer Steuerung 34 verbunden.

Die Steuerung 34 umfasst eine Steuerelektronik, mit welcher der Körperschallsensor 33 im Betrieb des Verdichters 30 überwacht wird. Die Steuerelektronik verhindert zum Beispiel beim Erreichen einer Vorpumpgrenzerkennung eine weitere Erhöhung der Verdichterdrehzahl.

Alternativ oder zusätzlich kann die Verdichterdrehzahl im Betrieb des Verdichters 30 reduziert werden, wenn die Vorpumpgrenzerkennung anschlägt. Alternativ oder zusätzlich kann über die steuerungsmäßig mit dem Körperschallsensor 33 verbundene Steuerung 34 ein Lagerschaden im Betrieb des Verdichters 30 prognostiziert werden. So kann ein mit dem Brennstoffzellensystem und dem Verdichter 30 ausgestattetes Kraftfahrzeug vorteilhaft in eine Werkstatt gebracht werden, bevor der Verdichter 30 aufgrund des Lagerschadens ausfällt.