CN103781997B - 用于在内燃机中调节热能利用装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在尤其是机动车辆的内燃机(10)中调节热能利用装置(1)的方法，其中所述热能利用装置(1)具有用于工作介质的循环，其具有布置在内燃机(10)的尾气流动路径中的汽化器(2,3)、膨胀机(4)、冷凝器(5)、补偿容器(6)、以及供给泵(7)，其中所述工作介质的工作温度通过根据至少一个运行参数改变工作液的质量流来调节，其中基于所述工作介质质量流的基本额定值(m′_MbAsoll,m′_MbAGRsoll)来计算尾气系统和/或尾气回流管的尾气流动路径的工作介质质量流的额定值(m′_MAsoll,m′_MAGRsoll)，其中工作介质质量流的基本额定值(m′_MbAsoll,m′_MbAGRsoll)至少是优选汽化器(2,3)之前的尾气温度（T_A1,T_AGR1）、以及所述尾气流动路径中的尾气质量流(m′_A,m′_AGR)的函数。为了实现经调节的尾气利用而规定：将至少一个校正值加到所述工作介质质量流的基本额定值(m′_MbAsoll,m′_MbAGRsoll)。

Description

用于在内燃机中调节热能利用装置的方法

本发明涉及一种用于在尤其是机动车辆的内燃机中调节热能利用装置的方法，其中所述热能利用装置具有用于工作介质的循环，其具有膨胀机的布置在内燃机的尾气流动路径中的汽化器、冷凝器、补偿容器、以及供给泵，其中工作介质的工作温度通过根据至少一个运行参数改变工作液的质量流来调节，其中基于工作介质质量流的基本额定值来计算尾气系统和/或尾气回流管的尾气流动路径的工作流质量流的额定值，其中工作介质质量流的基本额定值至少是优选汽化器之前的尾气温度、以及尾气流动路径中的尾气质量流的函数。

公知的是，把在内燃机的尾气系统和/或尾气回流系统（AGR系统）中所包含的热能转化成机械功率。

DE102009020615A1描述了机动车辆的具有尾气热能利用循环的尾气热能利用装置，其中调节尾气热能利用循环的工作液的工作温度。在此，通过匹配流经尾气热能利用循环的热交换器的工作液的质量流来将工作温度调节为使得不超过工作液的最大允许的工作温度。

从EP2249017A中公知了类似的废热利用设备，其具有用于吸收内燃机的废热的汽化器，其中工作液的流量被调节为使得当工作流在处于或超过预定流速的情况下进入汽化器时，在汽化器中被汽化的工作液在过热状态下到达布置在尾气流中的加热器，其中在所述预定流速下，工作液可以吸收预定的最大热量。工作液的流速被调节为使得工作液以预定流速以上充满汽化器并且在加热器中被汽化并且然后达到过热状态。

EP1431523A1描述了用于汽化器的温度调节设备，其中蒸气在利用内燃机的尾气热能的情况下被生成。工作介质的工作温度通过根据至少一个运行参数改变工作液的质量流来调节。该公开物因此描述了由预调（F/FFeedForwardcorrection（前馈校正））加上调节器（F/BFeedBackCorrection（反馈校正））构成的经典调节器结构。F/F校正作为尾气质量流和尾气温度的函数被计算出，但未被校正。F/F校正基于额定蒸气温度和实际蒸气温度之差。

从公开物JP2008231980A和JP58023210A中公知了另外的废热利用设备。

本发明的任务是，实现经调节的废热利用。

根据本发明，这通过如下方式来实现：基于工作介质质量流的基本额定值来计算尾气系统和/或尾气回流管的尾气流动路径的工作介质质量流的额定值，其中工作介质质量流的基本额定值至少是优选处于汽化器之前的尾气温度和尾气流动路径中的尾气质量流的函数。

为了考虑到由于工作介质过热造成的效应，可以规定：将过热校正值加到工作介质质量流的基本额定值。在此，过热校正值可以从尾气侧温度差中导出。由此可以避免汽化器由于过热造成的热损坏。

为了考虑到饱和影响，有利的是，将饱和校正值加到工作介质质量流的基本额定值。饱和校正值从依赖于工作介质压力的饱和温度中导出。饱和校正防止在膨胀机的输入端处出现工作介质的饱和蒸气状态。由此抑制了膨胀机的机械损坏。

尾气系统中的尾气质量流可以通过模型从尾气λ和燃料质量中计算出。尾气回流管中的AGR质量流通过模型优选地从发动机转速、发动机转矩、燃料质量、尾气的空气系数、绝对增压压力、增压空气温度和填充效率这些参数中计算出。

因此可以取消高成本的尾气质量流传感器。

在根据本发明的方法的另一实施方式中可以规定：由汽化器通过模型从实际的阀位置、汽化器的调节阀之前或之后的压力以及调节阀的流量系数这些参数中计算实际的工作介质质量流。因此可以取消用于工作介质的高成本质量流传感器。

最后，可以从工作介质流的额定值和实际值中形成尾气流动路径中的质量流的调节偏差，并将其输送给调节器、例如PID调节器。

下面根据附图进一步阐述本发明。附图：

图1示意性地示出了根据本发明的热能利用装置的图示；

图2示意性地示出了通过尾气汽化器的用于工作介质的调节系统；

图3示意性地示出了通过尾气汽化器计算工作介质流的基本额定值；

图4示意性地示出了通过尾气汽化器计算工作介质质量流的过热校正；

图5示意性地示出了通过尾气汽化器计算工作介质质量流的饱和校正；

图6示意性地示出了通过尾气汽化器计算工作介质质量流的额定值；

图7示意性地示出了通过尾气汽化器对工作介质质量流的调节；

图8示意性地示出了通过AGR汽化器的用于工作介质的调节系统；

图9示意性地示出了通过AGR汽化器计算工作介质质量流的基本额定值；

图10示意性地示出了通过AGR汽化器计算工作介质质量流的过热校正；

图11示意性地示出了通过AGR汽化器计算工作介质流的饱和校正；

图12示意性地示出了通过AGR汽化器的计算工作介质质量流的额定值；

图13示意性地示出了通过AGR汽化器对工作介质质量流的调节；

图14示意性地示出了作为气体侧温度差的函数的工作介质温度；

图15示例性地示出了在乙醇作为工作介质时的压力的函数的饱和温度；

图16示意性地示出了调节阀的流量系数的特征曲线；以及

图17以尾气汽化器为例示出了工作介质质量流的基本额定值的特征图。

根据本发明的用于内燃机10的热能利用装置1具有主部件尾气汽化器2和/或AGR汽化器3、膨胀机4、冷凝器5、补偿容器6、供给泵7、具有位置反馈的调节阀8、9、以及未进一步示出的温度传感器和压力传感器。

在至少一个汽化器（尾气汽化器和/或AGR汽化器2、3）中，借助于尾气质量流m’A和/或AGR质量流m’AGR中包含的热能使工作介质（例如水和/或乙醇）汽化。在此，尾气汽化器或AGR汽化器2、3分别由至少两个块2a、2b、2c...或3a、3b、3c...构成。

所生成的蒸气被输送给膨胀机4（例如活塞式发动机）并且被转化成机械功率。接着，工作介质在冷凝器5中冷却并被输送给补偿容器6。通过至少一个供给泵7，工作介质被从补偿容器6中取出，并且通过调节阀8、9被输送给尾气汽化器2和/或AGR汽化器3（蒸气循环过程）。

为了调节热能利用装置1，在每个汽化器2、3之前都使用可连续移动的调节阀8、9（例如电操控的针阀）。通过阀打开截面和调节阀8、9之前和之后的工作介质的压力，经过调节阀8、9的质量流被改变。此外，一定的系统状态（如图1所说明的压力、温度和阀门打开）通过测量技术被检测并且作为实际值被提供给调节系统。

在图2中示出了用于尾气汽化器2的整个调节系统，并且在图8中示出了用于AGR汽化器3的整个调节系统。

在所应用的方法中，在步骤20或30，通过尾气汽化器2和AGR汽化器3分别计算工作介质的基本额定值m’_MbAsoll、m’_MbAGRsoll。针对尾气汽化器2，该基本额定值m’_MbAsoll是作为尾气汽化器输入端处的尾气质量流m’_A和尾气温度T_A1的函数被计算出的。在所示的实施方式中，为此示例性地使用特征图20a（图3和图17）。在步骤21，从参数尾气λλ_Α和燃料质量m_K中导出所使用的尾气质量流m’_A。

$m_A^{,}=m_K\·(1+\frac{1}{f_s\·{\mathrm{\λ}}_A})$

针对AGR汽化器3，基本额定值m'_MbAGRsoll作为AGR汽化器输入端处的AGR质量流m′_AGR和气体温度T_AGR1的函数被计算出的。在所示的实施方式中，为此使用特征图30a（图9）。在步骤31，通过模型优选地从参数发动机转速n、发动机转矩M、燃料质量mK、尾气λλ_Α、绝对增压压力p_L和增压空气压力T_L以及填充效率η_F中计算出所使用的AGR质量流m′_AGR。在此，填充效率η_F是作为发动机转速n和发动机转矩M的函数被计算出的（例如被存放在特征图中）。

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SR}}=\frac{p_L}{T_L\·R_{\mathrm{SR}}}$

$L_{\mathrm{SR}}=\frac{m_K\·{\mathrm{\λ}}_A\·f_s\·2}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SR}}\·n\·V_H}$

η_F=f(n,M)

r_AGR=η_F-L_SR

$m_{\mathrm{AGR}}^{\′}=\frac{r_{\mathrm{AGR}}\·m_K\text{\·}{\mathrm{\λ}}_A\·f_s}{1-r_{\mathrm{AGR}}}$

另外，在步骤22或32，通过尾气汽化器2和AGR汽化器3为工作介质质量流各计算一个过热校正m’_KüA,m’_KüAGR。进行过热校正m’_KüA,m’_KüAGR，以便将尾气汽化器2和AGR汽化器3的输出端处的工作介质温度调整为分别期望的值。

为此利用的效应是：通过最后的汽化器块2a、3a(Fig.1)将汽化器2、3的输出端处的工作介质温度T_MA2,T_MAGR2耦合到气体侧温度差Δ_TA=Δ_TA1-Δ_TA2,ΔT_AGR=ΔT_AGR1-ΔT_AGR2。该效应例如在图14中示例性地示出过热校正m′_KüA,m′_KüAGR的计算是通过为AGR汽化器和尾气汽化器处的所期望的气体侧温度差形成额定值ΔT_Asoll、ΔT_AGRsoll来进行的。

针对尾气汽化器2，在步骤22a，作为尾气汽化器输入端处的尾气质量流m’_A和尾气温度T_A1的函数计算出所述温度差的额定值ΔT_Asoll。在所示的实施方式中，为此示例性地使用特征图（图4）。

针对AGR汽化器3，在步骤32a，作为AGR汽化器输入端处的AGR质量流m′_AGR和气体温度T_AGR1的函数计算出温度差的额定值ΔT_AGRsoll。在所示的实施方式中，为此使用特征图（图10）。

温度差的当前实际值ΔT_Aist、ΔT_AGRist分别从汽化器输入端处的温度T_A1、T_AGR1和第一汽化器块2c、3c之后的温度T_A2、T_AGR2中计算出。此外，从额定值ΔT_Asoll、ΔT_AGRsoll和实际值ΔT_Aist,ΔT_AGRist中分别形成尾气汽化器和AGR汽化器2、3的调节偏差。这些调节偏差在步骤22b或32b被分别输送给温度调节器（例如PID调节器）。该温度调节器的输出是尾气汽化器和AGR汽化器2、3的过热校正m′_KüA、m′_KüAGR。

另外，在步骤23或33，通过尾气汽化器2和AGR汽化器3为工作介质质量流各计算一个饱和校正m′_KSA、m′_KSAGR（图5和图11）。进行饱和校正m′_KSA、m′_KSAGR，以便将尾气汽化器2和AGR汽化器3的输出端处的工作介质温度T_MA2和T_MAGR2可靠地保持为高于饱和蒸气温度T_MSA和T_MSAGR。

为此，作为汽化器输出端处的工作介质压力p_MA2、p_MAGR2的函数，首先在步骤23a或33a计算相应的饱和蒸气温度T_MSA和T_MSAGR（例如图15中的乙醇）。从汽化器输出端处的当前工作介质温度T_MA2、T_MAGR2以及所确定的饱和蒸气温度T_MSA和T_MSAGR中形成差值，并在步骤23b、33b将这些差值输送给校正函数（例如校正特征曲线）。

该校正函数的结果是尾气汽化器2和AGR汽化器3的工作介质质量流的饱和校正m′_KSA、m′_KSAGR。

此外，在步骤24或34，从基本额定值m′_MbAsoll、m′_MbAGRsoll和过热校正m′_KüA、m′_KüAGR和饱和校正m′_KSA、m′_KSAGR中计算工作介质质量流的最终额定值m′_MAsoll、m′_MAGRsoll。该计算是通过将基本额定值m′_MbAsoll、m′_MbAGRsoll、过热校正m′_KüA、m′_KüAGR、饱和校正m′_KSA、m′_KSAGR相加进行的（图6和12）。作为结果，现在通过尾气汽化器2和AGR汽化器3产生工作介质质量流的额定值m′_MAsoll、m′_MAGRsoll。

从工作介质质量流的这些额定值m’_MAsoll、m’_MAGRsoll和当前实际值m’_MAist、m’_MAGRist中，形成质量流在尾气汽化器2和AGR汽化器3处的调节器偏差并将该调节器偏差输送给调节器25a、35a（例如PID调节器）。在步骤25a和35b，进行调节阀8、9的额定位置V_PAsoll、V_PAGRsoll的计算（图7和13）。

在步骤25或35，通过模型25b或35b根据调节阀8、9的实际位置V_PAist、V_PAGRist、调节阀8、9之前和之后的压力p_M1、p_MA1、p_MAGR1以及调节阀8、9的流量系数K_VA、K_VAGR计算出质量流的实际值m′_MAist、m′_MAGRist。调节阀8、9的流量系数K_VA、K_VAGR作为实际位置V_PAist、V_PAGRist的函数被计算出（例如存放在图16的特征曲线中）。

$m_{\mathrm{MAist}}^{,}=\sqrt{\frac{(p_{M1}-P_{\mathrm{MA}1})\·1000}{{\mathrm{\ρ}}_M}}\·K_{\mathrm{VA}}$

K_VA=f(VP_Aist)

$m_{\mathrm{MAGRist}}^{,}=\sqrt{\frac{(p_{M1}-P_{\mathrm{MAGR}1})\·1000}{{\mathrm{\ρ}}_M}}\·K_{\mathrm{VAGR}}$

K_VAGR=f(VP_AGRist)

两个质量流调节器的输出分别预先给定相应汽化器2、3之前的调节阀8、9的额定位置。

缩略语和附图标记列表

1热能利用装置

2尾气汽化器

3AGR汽化器

4膨胀机

5冷凝器

6补偿容器

7供给泵

8尾气汽化器之前的用于工作介质的调节阀

9AGR汽化器之前的用于工作介质的调节阀

10内燃机

20,20a,21,22,22a,22b,23,23a,23b,24,25步骤

30,30a,31,32,32a,22b,33,33a,23b,34,35步骤

22b,32bΔΤ调节器

25a,35a质量流调节器

21,25b,31,35b模型

n发动机转速

M发动机转矩

m_K燃料质量

p_L绝对增压压力

T_L增压温度

T_A1尾气汽化器之前的尾气温度

T_A2尾气汽化器中的尾气温度

ΔT_Asoll尾气汽化器中的温度差的额定值

ΔT_Aist尾气汽化器中的温度差的实际值

T_AGR1AGR汽化器之间的尾气温度

T_AGR2AGR汽化器中的尾气温度

ΔT_AGRsollAGR汽化器中的温度差的额定值

ΔT_AGRistAGR汽化器中的温度差的实际值

T_MSA尾气汽化器之后的工作介质的饱和温度

T_MSAGRAGR汽化器之后的工作介质的饱和温度

T_MA2尾气汽化器之后的工作介质的温度

T_MAGR2AGR汽化器之后的工作介质的温度

p_M1调节阀之前的工作介质的压力

p_MA1尾气汽化器的调节阀之后的工作介质的压力p_MA2尾气汽化器之后的工作介质的压力

p_MAGR1AGR汽化器的调节阀之后的工作介质的压力

p_MAGR2AGR汽化器之后的工作介质的压力

VP_Aist尾气汽化器的调节阀的实际位置

VP_Asoll尾气汽化器的调节阀的额定位置

VP_AGRistAGR汽化器的调节阀的实际位置

VP_AGRsollAGR汽化器的调节阀的额定位置

K_VA尾气汽化器的调节阀的流量系数

K_VAGRAGR汽化器的调节阀的流量系数

p_M调节阀之前的工作介质的密度

λ_A内燃机的尾气的空气系数

R_SR内燃机的进气管中的气体常数

f_S内燃机的化学计量空气需要量

η_F内燃机的填充效率

ρ_SR内燃机的进气管中的密度

L_SR关于内燃机的进气管中的状态的容积效率

V_H内燃机的排量

m′_A内燃机的尾气质量流

m′_MAsoll通过尾气汽化器的工作介质质量流的额定值

m′_MAist通过尾气汽化器的工作介质质量流的实际值

m′_MbAsoll通过尾气汽化器的工作介质质量流的基本额定值

m′_KüA尾气汽化器的过热校正

m′_KSA尾气汽化器的饱和校正

m′_AGRAGR质量流

m′_MAGRsoll通过AGR汽化器的工作介质质量流的额定值

m′_MAGRist通过AGR汽化器的工作介质质量流的实际值

m′_MbAGRsoll通过AGR汽化器的工作介质质量流的基本额定值

m′_KüAGRAGR汽化器的过热校正

m′_KSAGRAGR汽化器的饱和校正

Claims (12)

1.一种用于在内燃机(10)中调节热能利用装置(1)的方法，其中所述热能利用装置(1)具有用于工作介质的循环，所述循环具有布置在内燃机(10)的尾气流动路径中的汽化器(2,3)、膨胀机(4)、冷凝器(5)、补偿容器(6)、以及供给泵(7)，其中所述工作介质的工作温度通过根据至少一个运行参数改变工作介质的质量流来调节，其中基于所述工作介质质量流的基本额定值(m’_MbAsoll,m’_MbAGRsoll)来计算尾气系统和/或尾气回流管的尾气流动路径的工作介质质量流的额定值(m’_MAsoll,m’_MAGRsoll)，其中所述工作介质质量流的基本额定值(m’_MbAsoll,m’_MbAGRsoll)至少是尾气温度(T_A1,T_AGR1)以及所述尾气流动路径中的尾气质量流(m’_A,m’_AGR)的函数，其特征在于，将至少一个校正值加到所述工作介质质量流的基本额定值(m’_MbAsoll,m’_MbAGRsoll)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将过热校正值(m’_KüA,m’_KüAGR)加到所述工作介质质量流的基本额定值(m’_MbAsoll,m’_MbAGRsoll)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过热校正值(m’_KüA,m’_KüAGR)是从优选汽化器(2,3)之前的尾气温度(T_A1,T_AGR1)与汽化器(2,3)中的尾气温度(T_A2,T_AGR2)之间的尾气侧温度差(ΔT_A,ΔT_AGR)中导出的。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述过热校正值(m’_KüA,m’_KüAGR)是从汽化器(2,3)之前的尾气温度(T_A1,T_AGR1)与汽化器(2,3)中的尾气温度(T_A2,T_AGR2)之间的温度差(ΔT_A,ΔT_AGR)导出的。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将饱和校正值(m’_KSA,m’_KSAGR)加到所述工作介质质量流的基本额定值(m’_MbAsoll,m’_MbAGRsoll)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述饱和校正值(m’_KSA,m'_KSAGR)是从依赖于汽化器(2,3)之后的工作介质压力(p_MA2,p_MAGR2)的饱和温度(T_MSA,T_MSAGR)中导出的。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，尾气系统中的尾气质量流(m’_A)是通过模型(21)从参数尾气的空气系数(λ_A)和燃料质量(m_K)中计算出的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，尾气回流管中的AGR质量流(m’_AGR)是通过模型(31)从发动机转速(n)、发动机转矩(M)、燃料质量(m_K)、尾气的空气系数(λ_A)、绝对增压压力(p_L)、增压空气压力(T_L)、以及填充效率(η_F)中计算出的。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实际工作介质质量流(m’_MAist,m’_MAGRist)是由汽化器(2,3)通过模型(25b,35b)从参数实际阀位置(VP_Aist,VP_AGRist)以及汽化器(2,3)的调节阀(8,9)之前和之后的压力(p_M1；p_MA1,p_MAGR1)、以及所述调节阀(8,9)的流量系数(K_VA,K_VAGR)中计算出的。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述工作介质流的额定值(m’_MAsoll,m’_MAGRsoll)和实际值(m’_MAist,m’_MAGRist)中形成尾气流动路径中的质量流的调节器偏差，并将所述调节器偏差输送给调节器(25a,35a)。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机被布置在所述机动车辆内。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本额定值至少是汽化器(2,3)之前的尾气温度的函数。