CN103573468B - 用于控制具有内燃机的机动车辆中的热回收系统的方法 - Google Patents

用于控制具有内燃机的机动车辆中的热回收系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制具有内燃机的机动车辆中的热回收系统的方法，热回收系统具有热回收回路作为工作回路，工作回路具有容纳工作介质的存储罐，存储罐通过供给泵而连接到至少一个控制阀上，对各个控制阀分配热交换器作为蒸发器。工作回路此外具有膨胀机，膨胀机连接在至少一个热交换器的下游且后面为冷凝器，冷凝器通过冷凝器抽吸泵连接到存储罐上。至少一个热交换器接收工作介质质量流量和来自热源的加热介质质量流量。根据本发明，对于车辆的运行所确定的加热介质质量流量和规定的加热介质温度，系统通过借助于调节控制阀流率来改变通过至少一个热交换器/蒸发器的工作介质质量流量而调节到工作介质的预定蒸汽温度设定点和/或相状态。

Description

用于控制具有内燃机的机动车辆中的热回收系统的方法
技术领域
本发明涉及用于控制具有内燃机的机动车辆中的、特别是商用车辆中的热回收系统(HR系统)的方法。
背景技术
广为人知的热回收系统具有热回收回路(HR回路)作为工作回路，工作回路包含存储罐，存储罐容纳工作介质，存储罐通过供给泵而连接到至少一个控制阀上，对各个控制阀分配热交换器作为蒸发器。工作回路此外包含膨胀机，膨胀机连接在至少一个热交换器的下游，并且膨胀机后面为冷凝器，冷凝器通过冷凝器抽吸泵而连接到存储罐上。在车辆的运行期间，热交换器接收工作介质质量流量且接收来自车辆中的热源的加热介质质量流量作为逆流。在暖机操作(工作介质的液态)和后面的蒸发过程(工作介质部分地是液态，以及部分地呈蒸汽的形式)之后，进行过热过程(工作介质呈高于饱和蒸汽温度的蒸汽的形式)，而且，在切换到膨胀器模式之后，工作介质蒸汽馈送到膨胀机，以便驱动膨胀机。
在已知的热回收系统中，内燃机上的各种热源可用来使工作介质蒸发。特别地，可使用的可行热源或加热介质是发动机冷却剂、增压空气，或者优选排气。包含在工作介质蒸汽中的能量在膨胀机中转换成机械能，并且馈送回内燃机，从而使得提高整体效率是可行的。
发明内容
本发明的目标是提出一种用于控制热回收系统的方法，借助于此类方法，这种系统可按最佳效率和可靠的方式运行。
此目标依靠以下现实来实现：对于由车辆的运行确定的加热介质质量流量和规定的加热介质温度，系统通过借助于对控制阀流率的调节来改变通过至少一个热交换器/蒸发器的工作介质质量流量而调节到工作介质的预定温度设定点和/或相状态。
为了能够开发来自内燃机处的热源的加热介质的质量流量中可用的热能，在这里通过控制工作介质的质量流量来控制温度，以及特别是在蒸发过程中，控制工作介质的相状态。
为了对至少一个热交换器/蒸发器供应限定的工作介质质量流量，优选使用控制阀作为比例控制阀，借助于脉宽调制信号(PWM信号)来驱动比例控制阀。由于跨过控制阀的压降的变化，在工作介质质量流量的实际值和控制阀位置或PWM信号之间不可能有精确直接的相互关联。因此建议在阀特征映射的帮助下，考虑当前阀位置或PWM信号、跨过控制阀的当前(测得)压降，以及控制阀处的当前工作介质温度，而计算通过至少一个控制阀的工作介质质量流量的确切实际值。
热回收回路按以下运行：供给泵从存储罐中获得工作介质，并且此工作介质通过比例控制阀而传送到热交换器，并且在热交换器中蒸发。在使用了两个热交换器的情况下，供给泵将工作介质分配在两个相关联的比例控制阀之间。热交换器从同样传送通过其中的加热介质质量流量中抽取热，特别是从内燃机的排气、再循环排气和在排气后处理之后馈送到环境中的排气抽取热，这些排气各自优选地被相关联的控制阀和相关联的反馈控制系统馈送到热交换器/蒸发器。
在至少一个热交换器的下游，借助于转换阀，可选择通往膨胀机的直接流径，或者通过节流阀的流径。如果在暖机操作期间，在膨胀机的上游还没有蒸汽，而且在后面的蒸发过程中仅可获得蒸汽与液体，则工作介质传送通过节流阀流径。仅在达到高于饱和蒸汽温度的特定的过热温度时，才通过切换到膨胀器模式来将工作介质直接传送到膨胀机。在冷凝器中，其余的工作介质蒸汽然后又转换成液态，并且通过冷凝器抽吸泵和过滤器被传送回存储罐。
特别是在膨胀器模式中，对工作介质的最佳蒸汽温度设定点进行纯温度反馈控制在原则上将是可行的。但是，因为在条件变化的情况下，例如，膨胀机的速度改变，通过膨胀器的工作介质蒸汽的质量流量会改变以及因此温度和压力条件也改变，所以用于工作介质温度的反馈控制系统具有用于工作介质的附属质量流量控制器是有利的，因为这使得比较缓慢的纯温度反馈控制系统更快地对变化作出响应可行。
如果工作介质质量流量的设定点另外被响应于加热介质侧上的变化的前馈控制器校正，则可实现关于响应特性和瞬时响应的控制品质的进一步改进，其中，特别地，估计热交换器处的加热介质质量流量和/或加热介质入口温度和/或在膨胀机上游的工作介质压力作为校正参数，供此类前馈控制器进行校正。在多个热交换器/蒸发器的情况下，对于各个热交换器，应单独地实施上述具有用于工作介质的附属质量流量控制器的温度反馈控制系统，以及(如果合适的话)前馈控制系统。
如果使用比例-积分控制器(PI控制器)或比例-积分-微分控制器(PID控制器)作为工作介质的质量流量控制器，则实现有效性的进一步提高，而且为了增加工作介质质量流量，对所述控制器中的积分器供应额外的操纵值，这取决于具体情况，从而使得最大程度地增加工作介质的质量流量可行。
将在下面借助于示例来说明这一点，在示例中，排气用作加热介质；由于排气热交换器处的排气温度在那时低于任何可行运行状态中的最大构件温度，所以几乎始终设定尽可能高的蒸汽温度。因为在这种情况下，使得能够实现对应的蒸汽温度所需的质量流量由于饱和行为而不清楚，所以对积分器上游的操纵值进行干涉，从而确保确实在所需温度处设定最大质量流量。这个操纵值取决于蒸发器入口处的排气温度、在蒸发器下游的当前蒸汽温度和蒸汽介质的当前质量流量。如果达到接近气体入口温度所需的蒸汽温度，但通过热交换器/蒸发器的质量流量较低，则蒸发器在饱和状态下运行，而且对于相同的蒸汽温度，质量流量率更高是可行的。因此，应使用积分器入口处的附加正值来增加质量流量，而且这个操纵值应再次随质量流量的增加而减小。如果蒸汽温度降到设定点温度以下，则操纵值设定为零，并且较高阶的温度控制器现在设定所需蒸汽温度，而以最大可实现蒸汽量来在这个温度下实现最大质量流量。如果(例如由于数值原因)质量流量设定点以及因此当前质量流量降低，操纵值再次起作用，并且质量流量再次升高。但是，必须小心谨慎，以确保所选择的操纵值足够小，以允许温度控制器对设定点进行设定。
可能可通过以下方式来实现对反馈控制过程的进一步快速干涉：测量热交换器蒸发器处的壁度，以便在合适的时候能够快速地确定液体/蒸汽边界，以及快速地阻止工作介质出口温度下降到饱和蒸汽温度之下。例如，如果蒸发器出口温度以非常陡峭的梯度下降，因此在没有这种干涉的情况下，较缓慢的温度反馈控制系统不再能够保持温度高于饱和蒸汽温度，则这种干涉可为有利的。为了确定液体/蒸汽边界，可在介质入口附近、在介质入口和介质出口之间，以及在介质出口附近测量壁温，以便允许及早响应于出口温度的下降。这假设壁温可用来以尽可能小的延迟推断内部温度条件。
以上陈述基本参照设定的膨胀器模式，其中设定点蒸汽温度被控制到高于饱和蒸汽温度。为了在启动过程中尽可能快速且高效地达到这个期望状态，提出以下方法步骤：
a)暖机操作(工作介质液体)
通过取决于热交换器处的加热介质入口温度和加热介质质量流量而使工作介质设定点温度分阶段或连续地升高到饱和蒸汽温度，以基于温度的和温度受控的方式来进行暖机操作。
b)蒸发过程
在蒸发过程中，工作介质(在热交换器下游)部分地为气态，以及部分地为液体，在这两种情况下，工作介质都具有相同的饱和蒸汽温度，并且因此，在这里不可能采用基于温度的反馈控制。在根本上，饱和蒸汽温度是压力的函数，并且可容易地确定。因此蒸发过程仅由工作介质质量流量的反馈控制引导。借助于以上温度受控的暖机操作来实现蒸发状态，其中，在切换到纯质量流量反馈控制时，接收来自温度反馈控制的工作介质质量流量作为设定点。使用特征映射来确保，通过适应例如排气入口温度和排气质量流量的不断变化的运行参数，工作介质回路不会回到单相液态。通过以时间受控的方式逐步减少工作介质质量流量，然后启动过热阶段，并且实现过热过程。但是，如果温度降回饱和蒸汽温度以下，则系统切换回到暖机操作的温度反馈控制，其中，温度控制器初始化，使得设定在切换时出现的质量流量。
c)过热过程
工作介质蒸汽温度以温度受控的方式升高超过饱和蒸汽温度，并且升高到对膨胀器模式规定的工作介质蒸汽温度。
d)膨胀器模式
系统结合反馈控制而切换到膨胀器模式，如上面关于膨胀器模式所说明的那样。
在特别优选的方法中，加热介质是来自车辆内燃机的、在排气后处理之后馈送到环境中的排气(EG)和再循环排气(EGR)两者，其中，两种类型的排气各自分配有专用热交换器，专用热交换器具有上游控制阀和对上游控制阀起作用的反馈控制系统。作为备选方案，或者另外，如果在热回收回路中使用其它加热介质，例如发动机冷却剂和/或增压空气，则以对应的适于相应的加热介质的方式使用上述反馈控制方法。
如果由于成本原因，无法借助于合适的质量流量测量系统来确定再循环排气的质量流量，则使用发动机控制单元可获得以下低成本的计算选项。基于容积效率以及完全关闭和完全打开的排气再循环阀(EGR阀)，发动机控制单元计算进入空气的质量流量。如下面那样，可根据关于理论空气质量流量和计算空气质量流量(dmair)的发动机控制单元值来获得EGR质量流量：
dm EGR = dm air, th sf NP - dm air
dmair, th… 理论空气质量流量
sfNP… 在EGR阀关闭时的容积效率
dmEGR… EGR质量流量。
附图说明
将参照附图来更详细地说明使用排气作为加热介质的控制方法。
在图中：
图1显示热回收回路的示意图，
图2显示具有前馈控制和附属质量流量控制器的温度反馈控制系统，
图3显示使质量流量控制器适于最大程度地提高质量流量。
具体实施方式
图1显示热回收回路1作为框图，其中，水/蒸汽用作工作介质，而再循环排气EGR和在排气后处理之后馈送到环境的排气EG用作加热介质。在虚线的左边(箭头2)显示回路的液体区域，而在虚线的右边(箭头3)显示回路的蒸汽区域。
借助于供给泵，工作介质从存储罐ST传送出，通过具有两个流管道的歧管MF，通过相关联的比例控制阀V1和V2，以及通过EGR热交换器(EGR-HE)和并联的EG热交换器(EG-HE)。EGR排气传送通过EGR热交换器作为逆流，而EG排气以对应的方式传送通过EG热交换器。在入口处，测量EGR排气的EGR入口温度T1和EG排气的EG入口温度T3两者。一旦进入，EGR-HE和EG-HE作为蒸发器而运行，并且测量蒸汽出口温度T2和T4以及(在重新结合之后)蒸汽温度T5。此外，测量供给泵下游的压力P0、在各个比例控制阀V1和V2之后的压力P1和P2，以及在转换阀V3上游的压力P6。如果蒸发器(EGR-HE，EG-HE)上的压力损耗Δp小，测量压力P1和/或P2也是足够的。在进入之后，工作介质蒸汽借助于阀V3而馈送到处于膨胀器模式的膨胀机E，以及工作介质蒸汽从那里传送到冷凝器C中，在冷凝器C中，蒸汽冷却成液态，并且借助于冷凝器抽吸泵CP和过滤器F而馈送回存储罐ST。如果没有足够的蒸汽来进行膨胀机E的操作，尤其是在启动条件下，介质就传送通过节流阀V4。
通过改变通过比例控制阀V1、V2的工作介质流量，热回收回路1经受闭环和/或开环控制。
为此，图2显示温度控制器4，其具有用于作为蒸汽介质的工作介质的附属质量流量控制器(dm 控制器)5。此图显示了EGR-HE的反馈控制系统，EG分支也需要该反馈控制系统。在温度控制器的入口处，在EGR分支中的蒸汽温度设定点和对应的实际蒸汽温度值之间作比较，并且根据适用的控制器响应，输出控制误差作为控制信号。这个控制信号用作附属质量流量控制器5中的蒸汽介质的质量流量设定点(dm设定点)，以与对应的质量流量实际值(dm实际)比较，其中，dm 控制器5根据设定控制器响应(PI控制器)，将控制信号输出到EGR比例控制阀V1。
为了改进控制的品质，此外在这里借助于前馈控制器6来影响和校正质量流量设定点，特别地，前馈控制器6响应于加热介质侧(EGR)上的变化。除了蒸汽温度设定点，馈送到前馈控制器的校正参数在这里包括EGR入口温度TEGR，如在图1中的T1处显示的那样。另外的校正参数是膨胀机上游的压力P蒸汽(如在图1中的P6处显示的那样，或者如另外在膨胀机E的上游直接测量的那样)，以及EGR质量流量dmEGR，例如借助于来自发动机控制器(EDC)的值来计算EGR质量流量dmEGR。
在图3中以额外的项目详细地显示图2的质量流量控制器5(dm 控制器)。比例-积分控制器用作质量流量控制器5。为了最大程度地提高蒸汽介质的质量流量，在这里对积分器(I控制器)的输入供应来自质量流量适应单元9的操纵值。
在图3中，特别注意用于EG分支的反馈控制系统中的质量流量适应EG热交换器(并联EGR分支中的反馈控制系统应以对应的方式实施)。
对质量流量适应单元9供应气体侧EG入口温度TEG，以及工作介质的设定点和实际值，以便获得EG-HE出口温度。在质量流量适应单元9中也考虑了蒸汽介质质量流量的实际值dm实际。

Claims (11)

1.一种用于控制具有内燃机的机动车辆中的热回收系统的方法，所述热回收系统具有热回收回路(1)作为具有工作介质的工作回路，其通过供给泵而连接到至少一个控制阀(V1，V2)上，对各个控制阀分配热交换器(EGR-HE，EG-HE)作为蒸发器，并且所述工作回路此外具有膨胀机(E)，所述膨胀机连接在至少一个热交换器(EGR-HE，EG-HE)的下游，而且所述膨胀机后面为冷凝器(C)，其中，所述至少一个热交换器(EGR-HE，EG-HE)接收工作介质质量流量和来自热源的加热介质质量流量，使得在工作介质呈液态的形式的暖机操作和后面的蒸发过程之后，在蒸发过程中工作介质部分地液化，并且部分地呈蒸汽的形式，在切换到膨胀器模式之后，工作介质蒸汽在过热过程中馈送到所述膨胀机(E)，以便驱动所述膨胀机，在过热过程中工作介质呈高于饱和蒸汽温度的蒸汽的形式，
对于所述车辆的运行确定的加热介质质量流量以及规定的加热介质温度，所述热回收系统通过借助于对控制阀(V1，V2)流率的调节来改变通过所述至少一个热交换器(EGR-HE，EG-HE)的工作介质质量流量而调节到工作介质的预定蒸汽温度设定点和/或相状态，
其特征在于，
所述工作回路具有容纳工作介质的存储罐(ST)，
所述冷凝器通过冷凝器抽吸泵(CP)而连接到所述存储罐(ST)上，以及
在所述膨胀器模式中，用于工作介质的质量流量控制器(5)附属于工作介质温度控制器(4)，所述工作介质温度控制器调整到工作介质的最佳蒸汽温度设定点，其中，工作介质温度控制器输出值作为工作介质质量流量的设定点(dm设定点)而应用于工作介质的质量流量控制器(5)的输入。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机动车辆是商用车辆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在阀特征映射的帮助下，考虑当前阀位置、跨过所述控制阀(V1，V2)的当前压降和所述控制阀(V1，V2)处的当前工作介质温度，而计算通过所述至少一个控制阀(V1，V2)的工作介质质量流量的实际值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个控制阀(V1，V2)是借助于脉宽调制信号而被驱动的比例控制阀。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热交换器(EGR-HE，EG-HE)的下游，可借助于转换阀(V3)来选择直接通往所述膨胀机(E)的流径或者通过节流阀(V4)的流径，其中，在暖机操作和后面的蒸发过程期间，工作介质作为部分为液态且部分为气态的工作介质而传送通过节流阀流径，并且仅在达到饱和蒸汽温度之上的特定的过热温度时，通过切换到所述膨胀器模式，工作介质直接传送到所述膨胀机(E)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个热交换器中的一个为再循环排气热交换器(EGR-HE)，工作介质质量流量的所述设定点(dm设定点)另外由前馈控制器(6)校正，所述前馈控制器响应于加热介质侧的变化，其中，估计加热介质质量流量(dmEGR)和/或在所述再循环排气热交换器(EGR-HE)处的加热介质入口温度(TEGR)和/或在所述膨胀机(E)上游的工作介质压力(P蒸汽)，作为所述前馈控制器(6)进行校正的校正参数。
7.根据权利要求1或权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一个热交换器中的一个为排气热交换器(EG-HE)，使用比例-积分控制器(PI控制器)或比例-积分-微分控制器(PID控制器)作为用于工作介质的质量流量控制器(5)，以及为了最大程度地提高工作介质质量流量，对所述PI控制器或PID控制器的积分器(8)的输入另外供应操纵值，根据再循环排气热交换器或排气热交换器入口处的加热介质温度(TEG)、所述排气热交换器(EG-HE)下游的当前工作介质蒸汽温度(TEG-介质,实际)，以及工作介质蒸汽的当前质量流量(dm实际)来控制所述操纵值，使得当达到接近所述再循环排气热交换器或排气热交换器入口处的加热介质温度的最佳工作介质蒸汽温度，并且工作介质质量流量较低时，产生正操纵值。
8.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，测量所述至少一个热交换器(EGR-HE，EG-HE)处的壁温，以便在合适的时候，能够快速地确定液体/蒸汽边界，以及快速地阻止工作介质出口温度降低到饱和蒸汽温度之下。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了达到设定膨胀器模式，执行以下方法步骤：
a)暖机操作
通过取决于所述再循环排气热交换器或排气热交换器(EGR-HE，EG-HE)处的加热介质入口温度和加热介质质量流量而使工作介质设定点温度分阶段或连续地升高到饱和蒸汽温度，以基于温度的且温度受控的方式进行所述暖机操作；
b)蒸发过程
在所述蒸发过程中，在所述再循环排气热交换器或排气热交换器(EGR-HE，EG-HE)下游的工作介质是气态和液态，具有饱和蒸汽温度，而且当达到饱和蒸汽温度时，通过借助于所述控制阀(V1，V2)降低工作介质质量流量来切换到工作介质质量流量的反馈控制，其中温度升高，两相状态终止，而且达到过热过程；
c)过热过程
工作介质蒸汽温度以温度受控的方式升高超过饱和蒸汽温度，并且升高到对所述膨胀器模式规定的工作介质蒸汽温度；
d)膨胀器模式
所述热回收系统结合所述工作介质质量流量的反馈控制而切换到所述膨胀器模式。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，加热介质是在排气后处理之后馈送到环境中的排气(EG)，以及来自车辆内燃机的再循环排气(EGR)，其中，所述在排气后处理之后馈送到环境中的排气(EG)以及来自车辆内燃机的再循环排气(EGR)各自被分配专用热交换器(EG-HE和EGR-HE)，所述专用热交换器各自具有控制阀(V1和V2)，以及对所述控制阀起作用的反馈控制系统。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述再循环排气的质量流量来源于由发动机控制单元(ECU)计算的进入空气质量流量。
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