DE10018066A1 - Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrägerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, und entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents
Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrägerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, und entsprechende BrennstoffzellenvorrichtungInfo
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Abstract
Das Verfahren dient zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrängerkompressors (15) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere eines Fahrzeugs. Dabei sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: DOLLAR A - Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebsschallpegels mittels eines Messmittels (24); DOLLAR A - Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) des Verdrängerkompressors (15) in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels mittels einer Steuereinheit (28). DOLLAR A In Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten (30) erfolgt eine volumenstromanpassende Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmittels (22) des Verdrängerkompressors (15).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Ver
drängerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs,
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ei
nes Fahrzeugs, mit einem Verdrängerkompressor und einem mit diesem in Wirkverbin
dung stehenden Antriebsmittel, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.
In bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen werden zur Luftversorgung unter anderem
Verdrängerkompressoren, wie zum Beispiel Schrauben-, Spiral-, Kolben-, Wassering-
oder Vielzellenverdichter, bei unterschiedlichen Betriebsstoffvolumenströmen und Ver
dichtungsenddrücken eingesetzt. Der jeweilige Verdrängerkompressor wird vorzugsweise
drehzahlvariabel angetrieben mittels eines wirkverbundenen Elektromotors und/oder
mittels einer mechanisch an den Verdrängerkompressor angekoppelten Expansionsein
heit. Nachteilhafterweise treten beim Betreiben derartiger Verdrängerkompressoren stö
rende Schallemissionen auf, welche im Wesentlichen bedingt sind durch stark verlustbe
haftete Ausgleichsvorgänge bei einem druckseitigen Öffnen des Arbeitsraums des Ver
drängerkompressors, sofern in diesem Arbeitsraum Druckunterschiede zwischen einem
indizierten Verdichtungsenddruck und einem anliegenden Gegendruck herrschen. Dabei
hängt die Schallemission unter anderem von der Verdichterdrehzahl des Verdränger
kompressors ab, da mit der Erhöhung der Verdichterdrehzahl höhere Ladungswechsel
geschwindigkeiten erzeugt werden. Die bei höheren Ladungswechselgeschwindigkeiten
auftretenden größeren Druckverluste führen zu einer Vergrößerung des inneren Ver
dichtungsverhältnisses im Verdrängerkompressor, da beim Öffnen der Arbeitskammer
gegen die Druckseite ein Ausschiebevorgang erst nach Überwindung eines derartigen
Zusatzdruckverlustes beginnen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen Schallemissionen des Verdrän
gerkompressors in effektiver und zuverlässiger Weise begrenzt werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge
schlagen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- - Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor vorliegenden Betriebsschallpegels;
- - Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompressors in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels.
Durch das Verstellen der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdränger
kompressors in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschalpegels wird eine effektive und
zuverlässige Begrenzung beziehungsweise Reduzierung von Schallemissionen des Ver
drängerkompressors ermöglicht.
Mit Vorteil erfolgt in Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten eine volumenstro
manpassende Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmittels des Verdrängerkompres
sors. Durch die zusätzliche Verstellung der Drehzahl eines mit dem Verdrängerkompres
sor in Wirkverbindung stehenden Antriebsmittels ist es möglich, einerseits eine effektive
Begrenzung der Schallemission des Verdrängerkompressors zu erzielen und anderer
seits eine erwünschte Volumenstromförderung eines Betriebsstoffs mittels des Verdrän
gerkompressors zu gewährleisten. Wird beispielsweise im Rahmen der erwünschten
Schallreduktion eine Verstellung der saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompres
sors in Richtung "später" eingeleitet, so kann vorteilhafterweise der daraus resultierende
geringere Betriebsstoffvolumenstrom durch den Verdrängerkompressor mittels einer Er
höhung der Verdichterdrehzahl desselben kompensiert werden. Es lässt sich somit zur
Gewährleistung eines vorgegebenen Betriebsstoffvolumenstroms durch den Verdränger
kompressor ein Betriebsstellbereich der saugseitigen Steuerkanten unter Beachtung ei
ner zulässigen Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors definieren. In dieser Wei
se ist es möglich, in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels eine Verstellung
der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompressors einzuleiten,
um eine effektive Begrenzung beziehungsweise Minimierung der Schallemission des
Verdrängerkompressors zu erzielen und gleichzeitig mittels einer angepassten Verstel
lung der Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors einen gewünschten Betriebs
stoffvolumenstrom zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird der Betriebsschallpegel an einem Druckstutzen des Verdrängerkom
pressors ermittelt. Da der Betriebsschallpegel des Verdrängerkompressors messtech
nisch einfach zu bestimmen ist, eignet sich der Druckstutzen des Verdrängerkompressors
besonders zu einer zuverlässigen und korrekten Ermittlung des jeweils vorliegenden Be
triebsschallpegels.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird zusätzlich die Betriebstemperatur
eines gasförmigen Betriebsstoffs im Druckstutzen des Verdrängerkompressors ermittelt.
Die Betriebstemperatur des gasförmigen Betriebsstoffs dient hierbei als Hilfsgröße, mit
tels welcher Rückschlüsse auf die jeweils erforderliche Antriebsleistung des Verdränger
kompressors bezogen werden können. Somit ist mittels dieser Hilfsgröße eine betriebs
günstige Minimierung der Antriebsleistung des Verdrängerkompressors möglich.
Mit Vorteil erhält eine Steuereinheit Daten in Bezug auf den Betriebsschallpegel und leitet
die angepasste Verstellung der Steuerkanten und der Drehzahl des Antriebsmittels ein.
Eine Steuereinheit eignet sich besonders zur Erzielung einer zuverlässigen und schnellen
Verstellung der Steuerkanten und der Drehzahl des Antriebsmittels in Abhängigkeit des
jeweils ermittelten Betriebsschallpegels. Dabei kann die Steuereinheit auch rechtzeitig
weitere Betriebsfunktionen erfüllen.
Vorteilhafterweise erhält die Steuereinheit Daten in Bezug auf die Betriebstemperatur des
gasförmigen Betriebsstoffs und minimiert in Abhängigkeit dieser Daten die Antriebs
leistung zum Betreiben des Verdrängerkompressors. Eine Steuereinheit ist besonders
geeignet, eine Koordination von verschiedenen Betriebsparametern in betriebsgünstiger
Weise zu gewährleisten, so dass auch die Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrän
gerkompressors mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstempe
ratur des gasförmigen Betriebsstoffs in effektiver Weise minimierbar ist. Die Steuereinheit
stellt somit ein zentrales Koordinationszentrum dar, mittels welchem eine betriebsgün
stige Begrenzung beziehungsweise Minimierung von Schallemissionen eines Verdrän
gerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung und/oder eine Reduzierung bezie
hungsweise Minimierung der Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrängerkompres
sors in betriebsgünstiger Weise realisierbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines
Fahrzeugs, vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Die erfin
dungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel
zur Ermittlung eines jeweils am Verdrängerkompressor vorliegenden Betriebs
schallpegels vorgesehen ist, das mit einer Steuereinheit wirkverbunden ist, welche mit
dem Verdrängerkompressor zur vom ermittelten Betriebsschallpegel abhängigen Ver
stellung von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten in Wirkkontakt steht. Mittels einer
derartig ausgebildeten Brennstoffzellenvorrichtung ist es möglich, die bereits in Bezug auf
das Verfahren vorgenannten Vorteile zu erzielen.
Vorzugsweise ist das Messmittel am Druckstutzen des Verdrängerkompressors angeord
net. Am Druckstutzen des Verdrängerkompressors ist eine verhältnismäßig einfache In
tegration eines Messmittels zur zuverlässigen Ermittlung eines Betriebsschallpegels
möglich.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit dem Antriebsmittel wirkverbunden zur volumen
stromanpassenden Verstellung der Drehzahl des Antriebsmittels. Mittels der Steuerein
heit ist eine zuverlässige und insbesondere betriebsgünstige Verstellung der Drehzahl
des Antriebsmittels und somit der Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors mög
lich, wobei unterschiedliche Betriebsdaten, wie zum Beispiel Betriebsschallpegel, Ver
stellungswerte von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten, in schneller und zuver
lässiger Weise zur Verstellung der Drehzahl des Antriebsmittels verarbeitet werden kön
nen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit mit einem Messmittel
zur Ermittlung der Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs wirkverbunden.
Hierbei kann das Messmittel zur Ermittlung der Betriebstemperatur des gasförmigen Be
triebsstoffs auch im Druckstutzen des Verdrängerkompressors angeordnet sein. Die
Steuereinheit kann in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperatur des gasförmigen
Betriebsstoffs eine betriebsgünstige Minimierung der zum Betreiben des Verdrängerkom
pressors erforderlichen Antriebsleistung mittels entsprechender Einstellung von Betriebs
parametern in der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen
Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Brennstoff
zellenvorrichtung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Brenn
stoffzellenvorrichtung, die eine Brennstoffzelle 11 aufweist, welche eine Kathodeneinheit
12 und eine Anodeneinheit 13 aufweist. Die Kathodeneinheit 12 ist eingangsseitig mittels
einer als Pfeil 14 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung mit einem Kompressor 15 wirk
verbunden, der eingangsseitig mittels einer als Pfeil 29 dargestellten Betriebsstoffzuführ
leitung mit Betriebsstoff, wie zum Beispiel Luft, beaufschlagt wird. Der Kompressor 15 ist
insbesondere als Verdrängerkompressor ausgebildet. Die Anodeneinheit 13 ist ein
gangsseitig mit einer als Pfeil 16 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung wirkverbunden.
Zwei als Pfeile 18 dargestellte Abgasleitungen führen von der Kathodeneinheit 12 und
der Anodeneinheit 13 der Brennstoffzelle 11 zu einer katalytischen Brennereinheit 17,
welche ausgangsseitig mittels einer als Pfeil 19 dargestellten Abgasleitung mit einer Ex
pansionseinheit 20 wirkverbunden ist. Von der Expansionseinheit 20 führt eine als Pfeil
21 dargestellte Abgasleitung zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoff
zellenvorrichtung 10 beziehungsweise von anderen Systemen. Die Expansionseinheit 20
ist mittels einer Welleneinheit 22, welche mit einem Elektromotor 23 wirkverbunden ist,
mit dem Verdrängerkompressor 15 mechanisch gekoppelt. Die Welleneinheit 22 stellt ein
Antriebsmittel für den Verdrängerkompressor 15 dar, wobei die Welleneinheit 22 mittels
der Expansionseinheit 20 und/oder des Elektromotors 23, der zusätzlich auch als Gene
rator ausgebildet sein kann, antreibbar ist. Der Verdrängerkompressor 15 weist allgemein
mit 30 bezeichnete druck- und/oder saugseitige Steuerkanten auf, welche gemäß Dop
pelpfeil 34 verstellbar sind. Der Verdrängerkompressor 15 weist vorzugsweise im Druck
stutzen (nicht dargestellt) ein Messmittel 24 zur Ermittlung eines jeweils am Verdränger
kompressor 15, beziehungsweise in dessen unmittelbarer Nähe, vorliegenden Betriebs
schallpegels auf, das mittels einer als Pfeil 25 dargestellten Datenübertragungsleitung mit
einer Steuereinheit 28 wirkverbunden ist. Ferner weist der Verdrängerkompressor 15
vorzugsweise im Druckstutzen (nicht dargestellt) ein Messmittel 26 zur Ermittlung der
Betriebstemperatur des durch den Verdrängerkompressor 15 geförderten, gasförmigen
Betriebsstoffs auf, welches mittels einer als Pfeil 27 dargestellten Datenübertragungslei
tung mit der Steuereinheit 28 wirkverbunden ist. Die Steuereinheit 28 ist zusätzlich mittels
der als Doppelpfeile 31, 32, 33 dargestellten Steuerleitungen mit dem Verdrängerkom
pressor 15, dem Elektromotor 23 und der Expansionseinheit 20 operativ verbunden. Fer
ner ist die Steuereinheit 28 mittels einer als Doppelpfeil 35 dargestellten Steuerleitung
beziehungsweise Datenübertragungsleitung mit weiteren, nicht dargestellten Aggregaten
der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise von anderen Systemen wirkverbun
den.
Die derartig ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist vorteilhafterweise geeignet,
einen jeweils am Verdrängerkompressor 15 vorliegenden Betriebsschallpegel mittels des
Messmittels 24 zu ermitteln und die druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten 30 des
Verdrängerkompressors 15 in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels mittels
der Steuereinheit 28 zu verstellen. Hierdurch wird eine vorteilhafte Begrenzung bezie
hungsweise Minimierung von Schallemissionen während des Betriebs des Verdränger
kompressors 15 in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erzielt. Ferner erfolgt mittels der
Steuereinheit 28 in Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten 30 eine volumenstro
manpassende Verstellung der Drehzahl der Welleneinheit 22 (Antriebsmittel des Ver
drängerkompressors 15). In dieser Weise wird mittels der Steuereinheit 28 gewährleistet,
dass eventuell aufgrund der Verstellung der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten
30 des Verdrängerkompressors 15 auftretende Volumenstromveränderungen des mittels
des Verdrängerkompressors 15 zu fördernden Betriebsstoffs (Luft) ausgeglichen werden.
Somit wird auch bei Begrenzung beziehungsweise Reduzierung von Schallemissionen
des Verdrängerkompressors 15 gewährleistet, dass der Verdrängerkompressor 15 stets
die erforderliche Fördermenge an Betriebsstoff (Luft) an die Brennstoffzelle 11 fördert.
Die entsprechenden Parameter werden somit mittels der Steuereinheit 28 einander an
gepasst, um sowohl hinsichtlich der Schallemissionen als auch hinsichtlich der Förder
menge an Betriebsstoff eine betriebsgünstige beziehungsweise wirkungsgradgünstige
Einstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu erzielen. Dabei erfolgt die Einstellung
der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten 30 des Verdrängerkompressors 15 mittels
der Steuerleitung 31 in Abhängigkeit des durch das Messmittel 24 ermittelten Betriebs
schallpegels, während die volumenstromanpassende Verstellung der Drehzahl der Wel
leneinheit 22 (Antriebsmittel des Verdrängerkompressors 15) mittels der als Doppelpfeile
32, 33 dargestellten Steuerleitung erfolgt. Die Ermittlung der Betriebstemperatur des
gasförmigen Betriebsstoffs (Luft) durch das Betriebsmittel 26 dient zur vorteilhaften Mini
mierung der erforderlichen Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrängerkompressors
15 mittels der Steuereinheit 28.
Der weitere konstruktive Aufbau und die weitere Funktionsweise der Brennstoffzellenvor
richtung 10 ist an sich bereits bekannt und wird nicht weiter ausführlich dargestellt bezie
hungsweise beschrieben.
Claims (10)
1. Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrängerkompressors in
einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte:
- - Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebs schallpegels;
- - Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) des Verdränger kompressors (15) in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der
Verstellung der Steuerkanten (30) eine volumenstromanpassende Verstellung der
Drehzahl eines Antriebsmittels (22) des Verdrängerkompressors (15) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Betriebsschallpegel an einem Druckstutzen des Verdrängerkompressors
(15) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich die Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs im Druck
stutzen des Verdrängerkompressors (15) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit (28) Daten in Bezug auf den Betriebsschallpegel erhält und
die angepasste Verstellung der Steuerkanten (30) und der Drehzahl des Antriebs
mittels (22) einleitet.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (28) Daten in Bezug auf die Betriebstemperatur des gasför
migen Betriebsstoffs erhält und in Abhängigkeit dieser Daten die Antriebsleistung
zum Betreiben des Verdrängerkompressors (15) minimiert.
7. Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einem Verdränger
kompressor und einem mit diesem in Wirkverbindung stehenden Antriebsmittel,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel (24) zur Ermittlung eines jeweils
am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebsschallpegels vorgesehen ist,
das mit einer Steuereinheit (28) wirkverbunden ist, welche mit dem Verdränger
kompressor (15) zur vom ermittelten Betriebsschallpegel abhängigen Verstellung
von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) in Wirkkontakt steht.
8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messmittel (24) am Druckstutzen des Verdrängerkom
pressors (15) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) mit dem Antriebsmittel (22) wirkver
bunden ist zur volumenstromanpassenden Verstellung der Drehzahl des Antriebs
mittels (22).
10. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) mit einem Messmittel (26) zur Ermitt
lung der Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs wirkverbunden ist.
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