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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine zugehörige Abwärmenutzungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Aus der
DE 10 2008 057 202 A1 ist eine Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs bekannt, die einen Abwärmenutzungskreis umfasst, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis ist eine Fördermaschine zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck angeordnet. Ferner ist im Abwärmenutzungskreis stromab der Fördermaschine ein Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums angeordnet. Hierzu entzieht der Verdampfer der Brennkraftmaschine Wärme. Im Abwärmenutzungskreis ist stromab des Verdampfers eine Expansionsmaschine zum Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck angeordnet. Stromab der Expansionsmaschine ist im Abwärmenutzungskreis ein Kondensator zum Kondensieren des gasförmigen Arbeitsmediums angeordnet. Im Kondensator erfolgt dabei eine Wärmeabfuhr aus dem Abwärmenutzungskreis. Dies kann beispielsweise mittels einer Kühleinrichtung realisiert werden, die einen Kühlkreis umfasst, in dem ein Kühlmittel zirkuliert und der mit dem Kondensator wärmeübertragend gekoppelt ist. Dabei kann eine Steuereinrichtung zum Einstellen der Menge des im Clausius-Rankine-Kreis zirkulierenden Arbeitsfluids in Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustands des Clausius-Rankine-Kreises vorgesehen sein, die so ausgestaltet ist, dass sie die Menge des im Clausius-Rankine-Kreis zirkulierenden Arbeitsfluids durch Verändern der Kondensationsleistung der Kondensatoreinrichtung, insbesondere durch Verändern der Menge des den Wärmeübertrager durchströmenden Kühlfluids, einstellt. Des Weiteren ist im Abwärmenutzungskreis stromauf der Fördermaschine ein Sammler zum Bevorraten des flüssigen Arbeitsmediums angeordnet. Bei der bekannten Abwärmenutzungsvorrichtung ist ferner vorgesehen, den Sammler in den Kondensator zu integrieren. Außerdem ist eine Regelung des Abwärmenutzungskreis nach Maßgabe des aktuellen Betriebspunktes des Abwärmenutzungskreises durch Veränderung der Kondensatorleistung mittels eines Steuerventils im Kühlkreis vorgesehen. Diese Regelung bewirkt eine Veränderung der Arbeitsmediummasseverteilung im Abwärmenutzungskreis.
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Eine solche Regelung des Abwärmenutzungskreises nur über die Regelung der Kondensatorleistung auf Basis des aktuellen Betriebspunktes des Abwärmenutzungskreises ist langsam und nur begrenzt, z. B. hinsichtlich einer hohen Leistungsausbeute, optimierbar.
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Die Arbeitsmediummasseverteilung ist maßgeblich für einen optimierten Hochdruck im Abwärmenutzungskreis und damit für den Gradienten zwischen Hoch- und Niederdruck an der Expansionsmaschine, bei dem es an der Expansionsmaschine zur optimierten Leistungsabgabe kommt. Bei Fahrzeuganwendungen besteht jedoch das Problem, dass die Brennkraftmaschine, die als Wärmequelle zum Betreiben der Abwärmenutzungsvorrichtung, nämlich zur Wärmezuführung zum Verdampfer genutzt wird, häufig instationär betrieben wird bzw. viele unterschiedliche stationäre Betriebspunkte kennt, bei denen insbesondere unterschiedliche Wärmemengen zur Abgabe an die Abwärmenutzungsvorrichtung zur Verfügung stehen.
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Ändert sich jedoch bei derartigen transienten Zuständen der Brennkraftmaschine die dem Verdampfer zur Verfügung stehende Wärme, verändert sich im Abwärmenutzungskreis die Masse des gasförmigen Arbeitsmediums. In der Folge kommt es auch zu einer Veränderung des Hochdrucks im gasförmigen Arbeitsmedium, also zwischen Verdampfer und Expansionsmaschine. Dies führt zu einer „Verstimmung” im System, die durch ein übliches Regelungssystem nur vergleichsweise langsam ausgeglichen werden kann, was den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsvorrichtung und deren Leistungsabgabe reduziert.
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Davon ausgehend beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad bzw. durch eine rasche Adaption an Schwankungen der dem Verdampfer zur Verfügung stehenden Wärmemenge auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundregelung des Abwärmenutzungskreises vorgesehen ist, die in Abhängigkeit eines Wärmeeintrags in das Arbeitsmedium den Massenstrom an der Fördermaschine und/oder das Verhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck an der Expansionsmaschine einstellt, und dass ergänzend dazu eine Vorsteuerung vorgesehen ist, die einen Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine erkennt und bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die Kondensationsleistung des Kondensators nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis steuert.
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungseinrichtung ist gekennzeichnet durch eine Grundregeleinrichtung mit einer Steuereinrichtung, die mit der Fördermaschine und/oder der Expansionsmaschine zur Steuerung oder Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung verbunden ist und durch eine Vorsteuereinrichtung zur Vorsteuerung der Kondensationsleistung des Kondensators, mit einer Steuereinrichtung, die auf eine Kühlleistungsregeleinrichtung wirkt und bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die Kondensationsleistung des Kondensators nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis steuert.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine langsame Grundregelung mit einer schnell agierenden Lastwechsel-Regelung bzw. Lastwechsel-Vorsteuerung zu kombinieren. Als Grundregelung ist eine Pumpen- und/oder eine Expanderregelung vorgesehen. Typischerweise handelt es sich bei der Fördermaschine um eine volumetrische Pumpe, die sich dadurch charakterisiert, dass ihr Förderstrom unabhängig vom Gegendruck ist und insbesondere nur von ihrer Drehzahl abhängt. Der Hochdruck im Abwärmenutzungskreis wird in diesem Fall durch die Expansionsmaschine bestimmt. Zusätzlich ist vorgesehen, während eines transienten Betriebszustands der Brennkraftmaschine, also bei einem Wechsel von einem alten Betriebspunkt zu einem neuen Betriebspunkt die Kondensationsleistung des Kondensators vorübergehend so zu verändern, dass sich im Hinblick auf den neuen Betriebspunkt eine Verschiebung der Masseverteilung im Abwärmenutzungskreis einstellt. Somit lassen sich bereits im Rahmen einer Vorsteuerung Schwankungen und Verstimmungen zumindest grob ausgleichen, die durch den Betriebspunktwechsel erwartet werden. Eine derartige Vorsteuerung agiert und muss nicht wie eine herkömmliche Regelung, reagieren. Zumal die Zeitverzögerung, bis ein regelnder Eingriff erfolgen kann, aufgrund der Trägheit der thermischen Masse des Abwärmenutzungskreises vergleichsweise groß ist. Im Einzelnen kann entsprechend dem hier vorgestellten Verfahren die Kondensationsleistung des Kondensators vorübergehend so verändert werden, dass sich eine Verteilung der Masse des flüssigen Arbeitsmediums und der Masse des gasförmigen Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis von einem dem alten Betriebspunkt zugeordneten alten Masseverteilungswert zu einem dem neuen Betriebspunkt zugeordneten neuen Masseverteilungswert verschiebt.
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Die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine lassen sich beispielsweise durch die Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder die an der Brennkraftmaschine anliegende Last definieren. Insbesondere stehen derartige mit dem Betriebspunkt korrelierende Parameter, wie z. B. Drehzahl und Last, bei einem zum Betreiben der Brennkraftmaschine vorgesehenen Motorsteuergerät abrufbar zur Verfügung.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann die Zuordnung der Masseverteilungswerte zu den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine hinsichtlich einer optimierten Leistungsabgabe an der Expansionsmaschine erfolgen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass stets versucht wird, einen optimalen Hochdruck oder einen optimalen Gradienten zwischen Hoch- und Niederdruck einzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mittels wenigstens einer Kennlinie oder wenigstens eines Kennfelds die Zuordnung zwischen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine und Masseverteilungswert durchgeführt wird. Kennfelder bzw. Kennlinien sind in der Praxis bewährt und können insbesondere empirisch ermittelt werden, um zuverlässige Zuordnungen zwischen den Masseverteilungswerten und den Betriebspunkten zu erhalten.
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Zum Verändern der Kondensationsleistung des Kondensators kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, die Kühlleistung einer Kühleinrichtung zu verändern, die wärmeübertragend mit dem Kondensator gekoppelt ist. In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Steuerung der Kondensationsleistung des Kondensators mittels einer Veränderung eines Massenstroms eines Kühlmittels im Kondensator. Eine, aufgrund einer Betriebspunktänderung der Brennkraftmaschine, erwartete Veränderung der Wärmezufuhr zum Abwärmenutzungskreis veranlasst die Vorsteuerung zu einer Veränderung der Wärmeabfuhr aus dem Abwärmenutzungskreises. D. h. Die Vorsteuerung passt die äußeren Einflüsse des Abwärmenutzungskreises frühzeitig aufeinander ab. Daher kann die Grundsteuerung des Abwärmenutzungskreises ohne schnelle und große Veränderung arbeiten.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zum Verändern der Kühlleistung der Kühleinrichtung der Massenstrom eines Kühlmittels verändert werden, das in einem mit dem Kondensator wärmeüberfragend gekoppelten Kühlkreis zirkuliert. Darüber hinaus kann optional vorgesehen sein, zum Verändern des Massenstroms des Kühlmittels die Förderleistung, insbesondere die Drehzahl, einer Fördereinrichtung zu verändern, die im Kühlkreis angeordnet ist und das Kühlmittel antreibt. In dieser Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kühlleistungsregeleinrichtung als regelbare Kühlkreispumpe ausgebildet. Diese ist typischerweise bereits im Kühlkreis vorhanden, sodass kein zusätzliches Bauteil benötigt wird.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform der Vorrichtung ist die Kühlleistungsregeleinrichtung als regelbarer Bypass des Kondensatorkühlkreises ausgebildet. Damit kann die pro Zeiteinheit den Kondensator kühlende Kühlmediummenge geregelt werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Veränderung der Massenverteilung des Arbeitsmediums mittels einer im Sammler angeordneten Füllstandsmesseinrichtung erfasst. Dazu ist in einer Ausführungsform der Vorrichtung im Sammler eine Füllstandsmesseinrichtung vorgesehen. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, den Erfolg des Verfahrens und das Erreichen eines Zielwertes festzustellen. Alternativ ist auch eine theoretische Füllstandsermittlung über ein Kennfeld oder durch Berechnung möglich.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen wenigstens einer Temperatur eines Kühlmittels vorgesehen, das in einem Kühlkreis einer zum Abführen von Wärme vom Kondensator vorgesehenen Kühleinrichtung zirkuliert und ist die Steuereinrichtung mit der Temperaturmesseinrichtung gekoppelt und zum Verändern der Kühlleistung der Kühleinrichtung ausgestaltet und/oder programmiert. Damit kann die Temperatur des Kühlmittels erfasst werden, um die für eine gewünschte Kühlleistung pro Zeiteinheit benötigte Kühlmittelmasse zu ermitteln.
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Zweckmäßig kann daher die Kühlleistung des Kühlmittels so eingestellt werden, dass der Mittelwerts von Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur des Kühlmittels am Kondensator, insbesondere um einen vorbestimmten Wert, unterhalb des Taupunkts des Arbeitsmediums, liegt. In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist daher die Temperaturmesseinrichtung einen Vorlauftemperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Kühlmittels vor dem Kondensator und einen Rücklauftemperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Kühlmittels nach dem Kondensator auf. Der Unterschied zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur entspricht dem Wärmeeintrag des Abwärmenutzungskreises in das Kühlmedium.
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Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung ist mit einer Steuereinrichtung ausgestattet, die mit einem Steuergerät, insbesondere mit einem Motorsteuergerät, der Brennkraftmaschine gekoppelt ist und die zum Steuern und/oder Regeln einer Kondensationsleistung des Kondensators dient. Die Steuereinrichtung ist dabei so programmiert bzw. ausgestaltet, dass sie bei einem Wechsel von einem alten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu einem neuen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine die Kondensationsleistung des Kondensators vorübergehend so verändert, dass sich eine Verteilung der Masse des flüssigen Arbeitsmediums und der Masse des gasförmigen Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis von einem dem alten Betriebspunkt zugeordneten alten Masseverteilungswert zu einem dem neuen Betriebspunkt zugeordneten neuen Masseverteilungswert verschiebt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Kühleinrichtung zum Abführen von Wärme vom Kondensator vorgesehen sein, wobei dann die Steuereinrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Kühlleistung der Kühleinrichtung abhängig vom Füllstand des flüssigen Arbeitsmediums im Sammler ausgestaltet bzw. programmiert ist.
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Eine besonders kompakte Bauform für die Abwärmenutzungsvorrichtung lässt sich erzielen, wenn ein Sammler, der im Abwärmenutzungskreis stromauf der Fördermaschine zum Bevorraten des flüssigen Arbeitsmediums vorgesehen ist, in einem Gehäuse des Kondensators ausgebildet ist. Sammler und Kondensator sind dann ineinander integriert.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung.
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Entsprechend 1 weist eine Abwärmenutzungsvorrichtung 1 einen Abwärmenutzungskreis 2 auf, in dem ein Arbeitsmedium 3 zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis 2 sind in der Zirkulationsrichtung hintereinander eine Fördermaschine 4, ein Verdampfer 5, eine Expansionsmaschine 6 und ein Kondensator 7 angeordnet. Ferner ist stromauf der Fördermaschine 4 im Abwärmenutzungskreis 2 ein Sammler 8 angeordnet, der im Beispiel der 1 in den Kondensator 7 integriert ist. Hierzu sind der Sammler 8 und der Kondensator 7 in einem gemeinsamen Gehäuse 9 angeordnet.
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Die Fördermaschine 4 dient zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck. Die Fördermaschine 4 ist beispielsweise mit einem Motor 10 antriebsverbunden. Der Verdampfer 5 dient zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums. Hierzu nutzt er die Abwärme einer Brennkraftmaschine 11. Der Wärmeeintrag in den Abwärmenutzungskreis 2 ist durch einen Pfeil 12 angedeutet. Die Expansionsmaschine 6 dient zum Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Expansionsmaschine 6 regelbar, sodass mit ihrer Hilfe der Hochdruck, der Niederdruck und/oder das Delta zwischen Hochdruck und Niederdruck einstellbar sind. Beim Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums stellt die Expansionsmaschine 6 mechanische Arbeit zur Verfügung, die beispielsweise zum Antreiben eines Generators 13 genutzt werden kann. Der Kondensator 7 dient zum Kondensieren des gasförmigen Arbeitsmediums. Hierzu wird dem Arbeitsmedium bzw. dem Abwärmenutzungskreis 2 Wärme entzogen. Diese Wärmeabfuhr aus dem Abwärmenutzungskreis 2 ist dabei durch einen Pfeil 14 angedeutet. Der Sammler 8 dient zum Bevorraten des flüssigen Arbeitsmediums 3.
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Mit Hilfe der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann Abwärme der Brennkraftmaschine 11 genutzt werden, beispielsweise um den Generator 13 oder ein Nebenaggregat der Brennkraftmaschine anzutreiben oder die Brennkraftmaschine in ihrer Antriebsleistung zu unterstützen. Im Beispiel ist der Verdampfer 5 wärmeübertragend mit einer Abgasanlage 15 gekoppelt, die im Betrieb der Brennkraftmaschine 11 deren Abgase abführt. Konkret ist der Verdampfer 5 im Beispiel mit einem Abgaskrümmer 16 der Abgasanlage 15 wärmeübertragend gekoppelt, der das von der Brennkraftmaschine 11 kommende Abgas aufnimmt und quasi den Eintrittsbereich der Abgasanlage 15 bildet. Die vorgeschlagene Lösung ist für diese Abgaswärmenutzung besonders vorteilhaft, da hier die Wärmezufuhr mit abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine besonders stark schwankt. Es ist aber auch denkbar, dass die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 mehrere oder andere Wärmequellen der Brennkraftmaschine nutzt. Beispielsweise kann der Verdampfer 5 im Abgasstrang nach dem Katalysator oder in einer Abgasrückführung angeordnet sein oder der Verdampfer kann die Abwärme des Kühlwassers nutzen. Ferner ist die Brennkraftmaschine 11 mit einer Frischluftanlage 17 ausgestattet, die über einen Frischluftverteiler 18 an die Brennkraftmaschine 11 angeschlossen ist. Eine Frischluftströmung ist dabei durch einen Pfeil 19 angedeutet. Eine Abgasströmung ist durch einen Pfeil 20 angedeutet. Bei der Brennkraftmaschine 11 handelt es sich beispielsweise um einen Kolbenmotor, was durch Zylinder 21 angedeutet ist.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kann optional mit einer Füllstandsmesseinrichtung 22 ausgestattet sein, mit deren Hilfe ein Pegel oder Füllstand 23 gemessen werden kann, den das flüssige Arbeitsmedium 3 im Sammler 8 aufweist.
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Eine solche Füllstandsmesseinrichtung 22 kann beispielsweise als Schwimmer, Vibrationssensor, Drehflügelschalter, elektromagnetisches Lotsystem, Druckmesseinrichtung, hydrostatische Messeinrichtung, Differenzdruckmesseinrichtung, Leitfähigkeitsmesseinrichtung, kapazitive Messeinrichtung, optische Messeinrichtung, Ultraschalleinrichtung, Mikrowelleneinrichtung, Radareinrichtung oder Radiometrische Einrichtung ausgebildet sein.
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Unabhängig von einer solchen Füllstandmesseinrichtung 22 ist die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 mit einer Steuereinrichtung 24 ausgestattet, die eingangsseitig über eine entsprechende Signalleitung 25 z. B. mit der Füllstandsmesseinrichtung 22 gekoppelt sein kann. Die Steuereinrichtung 24 ist außerdem mit einem Steuergerät 43 gekoppelt, das Parameter bereitstellt, die mit dem aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 korrelieren. Beispielsweise können eine Drehzahl der Brennkraftmaschine und/oder eine Last der Brennkraftmaschine verwendet werden, um den aktuellen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu beschreiben. Derartige Parameter können beispielsweise bei einem Motorsteuergerät, das zum Betreiben der Brennkraftmaschine dient, abgerufen werden. Vorzugsweise handelt es sich beim Steuergerät 43 somit um ein solches Motorsteuergerät.
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Die Steuereinrichtung 24 ist nun so ausgestaltet bzw. programmiert, dass sie bei einem Wechsel von einem alten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 zu einem neuen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 die Kondensationsleistung des Kondensators 7 derart verändert, dass sich eine Verteilung der Masse des flüssigen Arbeitsmediums 3 und der Masse des gasförmigen Arbeitsmediums 3 im Abwärmenutzungskreis 2 von einem dem alten Betriebspunkt zugeordneten alten Masseverteilungswert zu einem dem neuen Betriebspunkt zugeordneten neuen Masseverteilungswert verschiebt. Typischerweise ist diese Veränderung der Kondensationsleistung nicht dauerhaft, sondern für einen vorübergehenden Zeitraum, bis der dem neuen Betriebspunkt zugeordneten neue Masseverteilungswert erreicht ist. Verschiebt sich der Betriebspunkt erneut, so verändert die Steuereinrichtung die Kondensationsleistung erneut nach Maßgabe der Anforderungen des neuen Betriebspunktes. Dabei kann der Kondensationsleistung während des Betriebspunktwechsels ein fester Wert oder ein variabler Wert, wie beispeisweise eine Kondensationsleistungskurve, zugeordnet sein.
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Die Steuereinrichtung 24 kann die Kondensationsleistung des Kondensators 7 beeinflussen bzw. verändern, was sich unmittelbar auf die Massenverteilung des flüssigen Arbeitsmediums 3 und des gasförmigen Arbeitsmediums 3 innerhalb des Abwärmenutzungskreises 2 und somit auch auf den Füllstand 23 auswirkt. Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 ist mit einer Kühleinrichtung 26 ausgestattet, die wärmeübertragend mit dem Kondensator 7 gekoppelt ist, um den Wärmeentzug 14 zu ermöglichen. Dabei korreliert der Wärmeentzug 14 mit der Kühlleistung der Kühleinrichtung 26 am Wärmeübertrager 28. Folglich kann die Steuereinrichtung 24 zum Verändern der Kondensationsleistung des Kondensators 7 die Kühlleistung der Kühleinrichtung 26 am Wärmeübertrager 28 verändern.
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Die Kühleinrichtung 26 weist in der in 1 dargestellten Ausführungsform einen Kühlkreis 27 auf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Der Kühlkreis 27 ist mit dem Kondensator 7 wärmeübertragend gekoppelt, beispielsweise über einen Wärmeübertrager 28. Im Kühlkreis 27 ist typischerweise eine Kühlmittelfördereinrichtung zum Antreiben des Kühlmittels im Kühlkreis 27 angeordnet. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Kühlmittelfördereinrichtung als eine Kühlleistungsregeleinrichtung 29 ausgebildet.
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Der Kühlkreis 27 enthält in der hier dargestellten Ausführungsform außerdem einen Kühler 30, der typischerweise mit einer durch Pfeile angedeuteten Luftströmung 31 beaufschlagbar ist, um dem Kühlmittel Wärme zu entziehen.
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Zweckmäßig kann in einer Ausführungsform die Steuereinrichtung 24 nun mit der Kühlleistungsregeleinrichtung 29 über eine entsprechende Steuerleitung 32 gekoppelt sein. Die Steuereinrichtung 24 kann über die Steuerleitung 32 die Kühlleistungsregeleinrichtung 29 ansteuern. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Kühlleistungsregeleinrichtung 29 als eine regelbare Kühlmittelfördereinrichtung ausgebildet. Die Steuereinrichtung 24 kann dabei über die Steuerleitung 32 die Förderleistung der Kühlmittelfördereinrichtung, beispielsweise deren Drehzahl, variieren.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Kühlleistungsregeleinrichtung 29 als ein regelbarer Kühlmittelbypass ausgebildet. Der Kühlmittelbypass 29 verbindet dabei einen zum Kondensator 7 hin führenden Vorlauf 36 des Kühlkreises 27 mit einem vom Kondensator 7 weg führenden Rücklauf 37 des Kühlkreises 27 und bypassiert den Wärmeübertrager 28. Durch Verändern der Förderleistung des Kühlmittelbypasses 29 kann die Aufteilung des Massenstroms des Kühlmittels zwischen dem Vorlauf 36 und Kühlmittelbypass 39 im Kühlkreis 27 verändert werden, was die Kühlleistung der Kühleinrichtung 26 am Wärmeübertrager 28 und damit am Kondensator 7 verändert.
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Zur Berücksichtigung der Kühlmitteltemperatur ist bei der hier gezeigten Ausführungsform eine Temperaturmesseinrichtung 33 vorgesehen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beinhaltet die Temperaturmesseinrichtung 33 zwei Temperatursensoren, nämlich einen Vorlauftemperatursensor 34 und einen Rücklauftemperatursensor 35. Der Vorlauftemperatursensor 34 ist in einem zum Kondensator 7 hin führenden Vorlauf 36 des Kühlkreises 27 angeordnet. Der Rücklauftemperatursensor 35 ist in einem vom Kondensator 7 weg führenden Rücklauf 37 des Kühlkreises 27 angeordnet. Über entsprechende Signalleitungen 38 ist die Steuereinrichtung 24 mit den Temperatursensoren 34, 35 bzw. mit der Temperaturmesseinrichtung 33 gekoppelt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 24 einen Mittelwert aus Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur bilden und diesen Mittelwert als Kühlmitteltemperatur verwenden. Diese Kühlmitteltemperatur korreliert mit der Kühlleistung des Kühlkreises 27. Der Kühlkreis 27 kann beispielsweise als ein Teilkreis des Kühlkreises der Brennkraftmaschine, als Brennkraftmaschinenkühlkreis oder als separater Kondensatorkühlkreis ausgebildet sein.
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Darüber hinaus ist im Beispiel ein Drucksensor 39 angedeutet, der den Druck im gasförmigen Arbeitsmedium zwischen Expansionsmaschine 6 und Kondensator 7 messen kann. Über eine entsprechende Signalleitung 40 steht der Drucksensor 39 mit der Steuereinrichtung 24 in Verbindung. Damit ist es der Steuereinrichtung möglich, die vom Druck abhängige benötigte Kondensationsleistung genauer zu bestimmen.
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Die dargestellte erfindungsgemäße Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kombiniert eine Grundregelung mit einer (davon unabhängig arbeitenden) aktiven Vorsteuerung. Dazu ist eine Regelung der Grundeinstellung des Abwärmenutzungskreises 2 über die regelbare Expansionsmaschine 6 vorgesehen. Alternativ oder ergänzend kann eine Regelung der Grundeinstellung des Abwärmenutzungskreises 2 über eine regelbare Fördermaschine 4 vorgesehen sein. Diese Grundregelung wird auf den aktuellen Betriebspunkt des Abwärmenutzungskreises 2 optimiert. Typischerweise erfolgt die Grundeinstellung mit dem Ziel eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Abwärmenutzungskreises 2 (ebenso ist eine Regelung unter Optimierung anderer Merkmale denkbar). Diese Grundregelung reagiert relativ langsam. Bei einem Lastwechsel der Brennkraftmaschine 11 und einem damit verbundenen veränderten Wärmeeintrag in den Abwärmenutzungskreis 2 kann sich diese Regelung nur relativ langsam an den neuen Betriebspunkt anpassen. In der Übergangsphase ist die Leistung des Abwärmenutzungskreises 2 nicht optimal.
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Daher ist erfindungsgemäß zusätzlich eine aktive Vorsteuerung des Abwärmenutzungskreises 2 in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 11 vorgesehen, welche eine, durch einen Betriebspunktwechsel der Brennkraftmaschine 11 verursachte Verstimmung des Abwärmenutzungskreises 2, vorab auffangen bzw. kompensieren soll. Dazu ist vorgesehen, dass bei einer Veränderung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine 11 die Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis 2 verändert und an den neuen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 angepasst wird bevor der veränderte Wärmeeintrag in den Abwärmenutzungskreis 2 diesen verstimmt. Dies wird durch eine Veränderung der Kondensationsleistung des Kondensators 7 erreicht.
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Mit Hilfe der Steuereinrichtung 24 kann die Kondensationsleistung des Kondensators 7 mit dem Ziel gesteuert bzw. geregelt werden, dass bei einem Wechsel von einem alten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 zu einem neuen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 11 die Kondensationsleistung des Kondensators 7 variierbar (z. B. vorübergehend für einen vorbestimmten Zeitraum, bleibend oder variabel) verändert wird, derart, dass sich eine Verteilung der Masse des flüssigen Arbeitsmediums 3 und der Masse des gasförmigen Arbeitsmediums 3 im Abwärmenutzungskreis 2 von einem dem alten Betriebspunkt zugeordneten alten Masseverteilungswert zu einem dem neuen Betriebspunkt zugeordneten neuen Masseverteilungswert verschiebt.
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Die Steuereinrichtung 24 erhält vom Steuergerät 43 die sich über die Zeit verändernden Daten des aktuellen Betriebspunktes der Brennkraftmaschine. Mit Hilfe wenigstens einer Kennlinie 44 oder mittels wenigstens eines Kennfelds 44 kann die Steuereinrichtung 24 dem jeweiligen Betriebspunkt einen dazu korrespondierenden Massenverteilungswert ermitteln und abhängig davon die Kühlleistung der Kühleinrichtung 26 bzw. die Kondensationsleistung des Kondensators 7 einstellen.
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Steigt beispielsweise der Wärmeeintrag 12 an, würde dies zu einem Anstieg des Hochdrucks führen. Gleichzeitig käme es zu einer Verschiebung der Masse des Arbeitsmediums 3 in Richtung der Gasphase. Dem wirkt nun die Steuereinrichtung 24 aktiv entgegen, indem sie bereits bei Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine 11 und noch bevor der damit verbundene veränderte Wärmeeintrag den Abwärmenutzungskreis 2 erreicht, die Kühlleistung der Kühleinrichtung 26 erhöht, um so die Kondensationsleistung des Kondensators 7 zu erhöhen. Dadurch kann mehr flüssiges Arbeitsmedium erzeugt werden, was die Masseverschiebung ausgleicht bzw. den erforderlichen Ausgleich vorwegnimmt.
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Letztlich bewirkt die hier vorgestellte Berücksichtigung eines Wechsels der Betriebspunkte der Brennkraftmaschine 11 eine Voreinstellung bzw. Vorsteuerung zum Verschieben der Masseverteilung innerhalb des Abwärmenutzungskreises 2, um die erwarteten negativen Auswirkungen des veränderten Betriebspunkts auf den Hochdruck und somit auf die Abstimmung des Systems zu reduzieren, so dass der tatsächlich noch erforderliche Regelungsaufwand der Grundregelung reduziert werden kann und der Zeitbedarf für die Adaption der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 an den neuen Betriebspunkt erheblich reduziert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008057202 A1 [0002]
