DE102018001828B4

DE102018001828B4 - Verfahren zum betreiben eines abwärmerückgewinnungssystems und abwärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE102018001828B4
Application number: DE102018001828.9A
Authority: DE
Inventors: Erik Höckerdal; Björn Johansson; Svante Johansson; Matthias Ussner
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: DE102018001828A1; SE1750337A1; SE542148C2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems (4) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (4) umfasst:einen Kreis (10), in dem ein Arbeitsmedium (WM) zirkuliert;wobei der Kreis (10) ferner einen zum Verdampfen des Arbeitsmediums zum Bilden eines Dampfs aus diesem ausgebildeten Wärmetauscher (11), eine zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie durch Expandieren des vom Wärmetauscher erzeugten Dampfs ausgebildete Expansionsvorrichtung (12), einen stromabwärts der Expansionsvorrichtung angeordneten und zum Kondensieren des Dampfs in einen flüssigen Zustand des Arbeitsmediums ausgebildeten Kondensator (13), undeinen zum Umwälzen des Arbeitsmediums im Kreis ausgebildeten Arbeitsmittelförderer (14) umfasst;wobei das Abwärmerückgewinnungssystem ferner eine zum Empfangen von Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis als Reaktion auf die Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildete Steuereinheit (24) umfasst;wobei das Verfahren die Schritte umfasst:a) Liefern eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Parameters des Arbeitsmediums (S1);b) wenn die Steuereinheit (24) Informationen in Bezug auf eine erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) empfängt, wählt die Steuereinheit einen vorgegebenen ersten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der erste Sollwert (S3) erreicht wird, wobei sich der erste Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ1unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Steuereinheit (24) Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) empfängt, die Steuereinheit einen zweiten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums wählt, wobei sich der zweite Sollwert vom Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ2unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ1, und die Steuereinheit den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so steuert, dass der zweite Sollwert (S4) erreicht wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems für einen Verbrennungsmotor. Die vorliegende Offenbarung betrifft ebenfalls ein Abwärmerückgewinnungssystem für einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor kann ein Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, ein ortsfester Motor, ein Antriebsaggregat o. Ä. sein.
Fahrzeughersteller sind bestrebt, die Motoreffizienz zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dies trifft insbesondere auf Hersteller von Schwerlastfahrzeugen wie Lastkraftwagen und Bussen zu. Eine Möglichkeit zum Optimieren der Motoreffizienz und des Kraftstoffverbrauchs ist die Abwärmerückgewinnung. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird ein Teil der Energie des Kraftstoffs in Form von Wärme durch den Auspuff und die Motorkühlung abgegeben. Durch die Verwendung eines Abwärmerückgewinnungssystems kann die Wärme von den Abgasen stattdessen zum Heizen verschiedener Fahrzeugkomponenten oder zum Verrichten von mechanischer Arbeit bzw. Erzeugen von Strom verwendet werden. Die mechanische Arbeit kann beispielsweise auf den Antriebsstrang oder die Kurbelwelle übertragen und somit zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Ein Abwärmerückgewinnungssystem kann ebenfalls Wärme von anderen Wärmequellen des Verbrennungsmotors wie AGR-Gasen oder Kühlmitteln rückgewinnen.
Ein Abwärmerückgewinnungssystem umfasst typischerweise einen Kreis, in dem ein Arbeitsmedium umgewälzt wird. Der Kreis umfasst einen Wärmetauscher, eine Expansionsvorrichtung, einen Kondensator und einen Arbeitsmediumförderer. Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher befindet sich das Arbeitsmedium in einem flüssigen Zustand. Der Wärmetauscher ist zum Verdampfen des Arbeitsmediums ausgebildet, um einen überhitzten Dampf zu erzeugen. Hierzu überträgt der Wärmetauscher Wärme zwischen einer Wärmequelle wie Abgase vom Verbrennungsmotor und dem Arbeitsmedium. Der vom Wärmetauscher erzeugte überhitzte Dampf strömt anschließend in die Expansionsvorrichtung, in der er sich ausdehnt. Durch die Expansionsvorrichtung kann die rückgewonnene Wärme in mechanische Arbeit oder Strom umgewandelt werden. Die Expansionsvorrichtung kann beispielsweise über eine Kupplung oder einen Freilauf mechanisch mit dem Antriebsstrang verbunden sein. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kondensator abgekühlt, so dass das Arbeitsmedium wieder in einen flüssigen Zustand zurückkehrt. Der Kondensator kann typischerweise mit einer Kühlung verbunden sein, die wiederum Teil einer Motorkühlung oder eine separate Kühlung sein kann. Der Förderer, der typischerweise eine Pumpe sein kann, ist zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis, beispielsweise durch Druckbeaufschlagung des Arbeitsmediums, ausgebildet. Das Abwärmerückgewinnungssystem basiert somit beispielsweise auf einem Clausius-Rankine-Prozess. Das Abwärmerückgewinnungssystem kann ferner einen Behälter zum Speichern des Arbeitsmediums umfassen und sicherstellen, dass stets ausreichend Arbeitsmedium im Kreis verfügbar ist.
Die Steuerung von Temperatur und Druck im Abwärmerückgewinnungssystem ist wesentlich, um zu gewährleisten, dass der Wärmetauscher das Arbeitsmedium vollständig zu einem Dampf verdampft. Wenn der Arbeitsmediumdampf beim Eintritt in die Expansionsvorrichtung nicht trocken ist, kann er Schäden an der Expansionsvorrichtung hervorrufen. In der Expansionsvorrichtung kann sich etwas Flüssigkeit des Arbeitsmediums aufgrund des Expandierens des Dampfs des Arbeitsmediums bilden, wenn das Arbeitsmedium bei Eintritt in die Expansionsvorrichtung nicht in der Form eines überhitzten Dampfs vorliegt. Ferner bestehen immer kleine Schwankungen der Betriebsbedingungen des Abwärmerückgewinnungssystems und gegebenenfalls ein Wärmeverlust zwischen dem Wärmetauscher und der Expansionsvorrichtung, die zu berücksichtigen sind. Daher werden Abwärmerückgewinnungssysteme im Allgemeinen so betrieben, dass eine Sicherheitstoleranz zum Schwellenwert gebildet wird, bei dem ein trockener Dampf durch den Wärmetauscher erzeugt wird. Das heißt Abwärmerückgewinnungssysteme werden so betrieben, dass ein überhitzter Dampf im Wärmetauscher mit einem bestimmten Überhitzungsgrad erzeugt wird. Eine zu hohe Sicherheitstoleranz kann aber das Kraftstoffsparpotential des Abwärmerückgewinnungssystems verringern sowie in einigen Fällen das Arbeitsmedium aufgrund der hohen Temperaturbelastung von diesem zerstören. Eine zu hohe Temperatur des Arbeitsmediums kann ferner zu Schäden an anderen Bestandteilen des Abwärmerückgewinnungssystems wie Dichtungen o. Ä. führen. Dies kann im schlimmsten Fall zu einem Austritt des Arbeitsmediums aus dem Abwärmerückgewinnungssystem führen.
Der Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems kann durch die Steuerung verschiedener Faktoren wie den Massendurchfluss des Arbeitsmediums im Förderer oder durch Kühlen des Arbeitsmediums im Kondensator gesteuert werden. Bei einer stabilen Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors funktionieren Abwärmerückgewinnungssysteme nach dem Stand der Technik sehr gut. Die Anpassung des Abwärmerückgewinnungssystems erfolgt aber im Allgemeinen relativ langsam und daher kann eine schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors eine wesentliche Störung im Abwärmerückgewinnungssystem hervorrufen und/oder Bestandteile des Abwärmerückgewinnungssystems beschädigen.
Beispielsweise kann ein Fall berücksichtigt werden, in dem die Expansionsvorrichtung zum Verrichten von mechanischer Arbeit verwendet wird, die für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt wird. Während des Schaltens in solch einem Fall ändern sich die Drehzahl des Motors und der gekoppelten Expansionsvorrichtung sehr schnell und der Volumenstrom durch die Expansionsvorrichtung ändert sich ebenfalls sehr schnell. Dies kann dazu führen, dass der Dampf vor dem Eintritt in die Expansionsvorrichtung nicht überhitzt wird, was zu Schäden an der Expansionsvorrichtung führen kann.
Diese durch schwankende Betriebsbedingungen verursachte Probleme werden üblicherweise durch Umgehung der Expansionsvorrichtung behoben, wenn die Druck- oder Temperaturänderungen im Abwärmerückgewinnungssystem einen nicht überhitzten Dampf bewirken. Ein Beispiel für solch eine Lösung ist in SE 533 402 C2 offenbart. Das Umgehen der Expansionsvorrichtung weist den Nachteil auf, dass sich die von der Expansionsvorrichtung verrichtete mechanische Arbeit ebenfalls schnell ändert. Beispielsweise kann, wenn die Expansionsvorrichtung mit dem Antriebsstrang oder der Kurbelwelle verbunden ist, so dass die von der Expansionsvorrichtung verrichtete mechanische Arbeit zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird, die durch die Expansionsvorrichtung erzeugte schnelle Änderung des Drehmoments das Schalten stören.
Eine weitere Möglichkeit zum Lösen des Problems ist das Erhöhen des Grads des Überhitzens des vom Wärmetauscher erzeugten Dampfs. Dies wiederum führt aber zu dem Nachteil, dass das Kraftstoffsparpotential des Abwärmerückgewinnungssystems verringert wird.
US 2015/0361832 A1 offenbart ein Beispiel für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. Ein Arbeitsmedium wird in einem Abwärmenutzungskreis umfassend einen Förderer, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator umgewälzt. Eine Basisanpassung des Abwärmenutzungskreis wird bereitgestellt, die entsprechend der Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium den Massendurchfluss am Förderer und/oder das Verhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck an der Expansionsmaschine anpasst. Zusätzlich wird eine Vorsteuerung bereitgestellt, die eine Änderung des Betriebspunkts des Verbrennungsmotors erkennt und bei einer Änderung des Betriebspunkts die Kondensationsleistung des Kondensators steuert, so dass sich ein Massendurchfluss des Arbeitsmediums im Kreis ändert und an den neuen Betriebspunkt angepasst wird.
DE 10 2015 007104 A1 offenbart ein weiteres Beispiel für ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung für ein Fahrzeug. Ein Arbeitsmedium wird in einem Clausius-Rankine-Prozess umfassend ein Arbeitsmedium-Fördermittel, einen Verdampfer, eine Expansionsvorrichtung und einen Kondensator umgewälzt. Das Mediumfördermittel wird entsprechend wenigstens einem Parameter eines Antriebsstrangs, einer Bremsvorrichtung und/oder eines Navigationssystems des Fahrzeugs gesteuert. Der Parameter wird zum Vorhersagen eines zukünftigen Abgasmassenstroms, einer zukünftigen Abwärmeenergie und/oder einer zukünftigen Abgastemperatur verwendet und dient gemäß der Offenbarung zum Steuern des Mediumfördermittels mit einer zeitlichen Perspektive. DE 10 2015 007 104 A1 trifft aber keine Aussagen dazu, wie das Mediumfördermittel gemäß dem Parameter gesteuert wird.
DE 10 2016 100 296 A1 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems sowie ein gattungsgemäßes Abwärmerückgewinnungssystem.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Bereitstellen einer Steuerung eines Abwärmerückgewinnungssystems für einen Verbrennungsmotor, die eine schwankenden Betrieb des Verbrennungsmotors berücksichtigt und eine wirksame Abwärmerückgewinnung bereitstellt sowie die Gefahr einer Beschädigung von Bestandteilen des Abwärmerückgewinnungssystems minimiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt der Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems so, dass er eine erwartete bevorstehende Änderung der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors berücksichtigt. Somit können die Betriebsbedingungen des Abwärmerückgewinnungssystems an die erwartete hervorstehende Änderung der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepasst werden, bevor die Änderung tatsächlich eintritt. Dies minimiert die Gefahr einer Beschädigung der Bestandteile des Abwärmerückgewinnungssystems aufgrund einer plötzlichen Änderung der Betriebsbedingungen des Abwärmerückgewinnungssystems und minimiert ebenfalls die Gefahr einer Störung des Betriebs des Abwärmerückgewinnungssystems bezüglich der von der Expansionsvorrichtung des Abwärmerückgewinnungssystems resultierenden mechanischen oder elektrischen Energie.
Ferner basiert die vorliegende Erfindung auf einem Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems, der unter „normalen““ Betriebsbedingungen, das heißt stabilen Betriebsbedingungen, des Verbrennungsmotors optimierte Bedingungen verwenden kann, so dass der Wärmetauscher einen überhitzten Dampf erzeugt, allerdings mit einer relativ niedrigen Sicherheitstoleranz in Bezug auf den Grad des Überhitzens des Dampfs. Ein Beispiel für solch eine solche stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ist bei einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs das Fahren auf einer flachen Straße mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit. Unter schwankenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors wird das Abwärmerückgewinnungssystem mit einer größeren Sicherheitstoleranz betrieben, so dass der Wärmetauscher ein Überhitzen des Dampfs mit einem relativ hohen Grad erzeugt. Die Tatsache, dass die Sicherheitstoleranz vor dem Auftreten der schwankenden Last am Verbrennungsmotor vergrößert wird, stellt sicher, dass die Gefahr einer schnellen Änderung bei einer schwankenden Last den Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems nicht stört und insbesondere die Gefahr einer Beschädigung der Expansionsvorrichtung des Systems minimiert.
Alternativ oder zusätzlich basiert die vorliegende Erfindung auf einem Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems, der unter normalen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors bei Bedarf eine relativ hohe Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis verwenden kann, das heißt eine relativ niedrige Sicherheitstoleranz für die Temperatur, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen kann oder bei der die Temperatur des Arbeitsmediums Bestandteile des Abwärmerückgewinnungssystems beschädigen kann. Bei schwankenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors kann aber das Abwärmerückgewinnungssystem mit einer größeren Sicherheitstoleranz für die Temperatur betrieben werden, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen kann oder Schäden, beispielsweise thermische Schäden, an Bestandteilen des Abwärmerückgewinnungssystem bewirken kann.
Die vorliegende Erfindung kann somit den Nachteil des Stands der Technik vermeiden, dass die Expansionsvorrichtung bei schwankenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors umgangen werden muss, um Beschädigungen der Expansionsvorrichtung zu vermeiden. Somit kann die Expansionsvorrichtung zum Verrichten von mechanischer Arbeit und/oder Erzeugen von Strom auch während einer schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors verwendet werden und optimiert dadurch die Effizienz der Abwärmerückgewinnung des Systems. Dies führt auch zu einer minimalen Störung der Abwärmerückgewinnung und eines effizienten Kraftstoffverbrauchs beispielsweise eines Fahrzeugs umfassend das Abwärmerückgewinnungssystem.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt der Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung nicht so, dass das System entsprechend der Betriebsbedingung der Verbrennungsmotors während der schwankenden Betriebsbedingung von diesem optimiert wird, sondern so, dass die Sicherheitstoleranz eines Parameters des Arbeitsmediums kurz vor und während der schwankenden Betriebsbedingung des Abwärmerückgewinnungssystems vergrößert wird. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und effizienten Steuerung des Abwärmerückgewinnungssystems.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems für einen Verbrennungsmotor bereit, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst:

einen Kreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert;
wobei der Kreis ferner einen zum Verdampfen des Arbeitsmediums zum Bilden eines Dampfs aus diesem ausgebildeten Wärmetauscher, eine zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie durch Expandieren des vom Wärmetauscher erzeugten Dampfs ausgebildete Expansionsvorrichtung, einen stromabwärts von der Expansionsvorrichtung angeordneten und zum Kondensieren des Dampfs zu einem flüssigen Zustand des Arbeitsmediums ausgebildeten Kondensator, und einen zum Umwälzen des Arbeitsmediums im Kreis ausgebildeten Arbeitsmittelförderer umfasst;
wobei das Abwärmerückgewinnungssystem ferner eine zum Empfangen von Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis als Reaktion auf die Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildete Steuereinheit umfasst.

Das Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems für einen Verbrennungsmotor umfasst die Schritte:

a) Liefern eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Parameters des Arbeitsmediums,
b) wenn die Steuereinheit Informationen bezüglich einer ersten stabilen Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt, wählt die Steuereinheit einen vorgegebenen ersten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der erste Sollwert erreicht wird, wobei sich der erste Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁ unterscheidet; und
c) wenn die Steuereinheit Informationen bezüglich einer erwarteten bevorstehenden schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt, wählt die Steuereinheit einen zweiten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums, wobei sich der zweite Sollwert vom Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz A₂ unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁, und die Steuereinheit steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der zweite Sollwert erreicht wird.

Das Verfahren kann ferner einen Schritt umfassen:

d) wenn die Steuereinheit Informationen empfängt, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet ist und die erste oder eine zweite stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erreicht wurde, wählt die Steuereinheit einen dritten Sollwert des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des dritten Sollwerts.

Dadurch kann, wenn die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet ist, eine niedrigere Sicherheitstoleranz des Arbeitsmediums verwendet werden, um die Abwärmerückgewinnung zu optimieren.
Die Steuereinheit kann entsprechend den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis durch Anpassen des Massendurchflusses des Arbeitsmediumförderers steuern. Dies stellt im Allgemeinen die schnellste Möglichkeit zum Anpassen des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis dar und stellt somit die beste Möglichkeit bereit, um dem Abwärmerückgewinnungssystem ein schnelles Anpassen an erwartete Änderungen der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Die erwarteten Änderungen der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors können beispielsweise den Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems durch eine Änderung der Wärmezufuhr zum Wärmetauscher beeinflussen.
Der Parameter des Arbeitsmediums kann der Grad des Überhitzens des Dampfs des den Wärmetauscher verlassenden Arbeitsmediums sein. In solch einem Fall entspricht der Schwellenwert des Parameters dem Verdampfungspunkt des Arbeitsmediums.
Alternativ kann der Parameter des Arbeitsmediums die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis sein. In solch einem Fall entspricht der Schwellenwert einer Temperatur, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen kann, oder einer Temperatur des Arbeitsmediums, bei der die Gefahr des Bewirkens von Schäden an einem der Bestandteile des Abwärmerückgewinnungssystems vermieden wird. Ein Beispiel für eine Temperatur, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen kann, kann eine Temperatur sein, bei der sich das Arbeitsmedium zersetzt oder in verschiedene Arbeitsmediumkomponenten auftrennt.
Natürlich kann das Abwärmerückgewinnungssystem so betrieben werden, dass es bei Wunsch den Grad des Überhitzens und die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums berücksichtigt.
Die Steuereinheit kann entsprechend zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von wenigstens einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors, einem Getriebemanagementsystem, einem Navigationssystem, einem Geschwindigkeitsregelsystem und/oder einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem ausgebildet sein.
Die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ kann entsprechend wenigstens 25 % größer sein als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁. Vorzugsweise kann die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ entsprechend wenigstens 50 % größer sein als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Abwärmerückgewinnungssystem für einen Verbrennungsmotor, das die im Anspruch 9 genannten Merkmale aufweist.
Die Steuereinheit kann ferner zum Empfangen von Informationen in Bezug auf das Beenden einer schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und das Erreichen einer stabilen Betriebsbedingung sowie als Reaktion hierauf zum Wählen eines neuen Sollwerts des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des dritten Sollwerts ausgebildet sein.
Wenn die Steuereinheit Informationen empfängt, dass die erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erneut erreicht wurde, kann der dritte Sollwert des Parameters entsprechend der gleiche sein wie der erste Sollwert des Parameters. Das heißt jede stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors kann mit einem spezifischen vorgegebenen Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums verknüpft sein.
Die Steuereinheit kann entsprechend mit dem Förderer verbunden sein und zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch Anpassen des Massendurchflusses des Förderers ausgebildet sein.
Die Steuereinheit kann ferner zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von wenigstens einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors, einem Getriebemanagementsystem, einem Navigationssystem, einem Geschwindigkeitsregelsystem und/oder einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem ausgebildet sein.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor. Somit betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und ein Abwärmerückgewinnungssystem wie zuvor offenbart. Das Fahrzeug kann ein Schwerlastfahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftwagen oder ein Bus, sein. Das Fahrzeug kann alternativ ein Personenkraftwagen oder ein Wasserfahrzeug sein.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt schematisch ein Fließbild eines Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt schematisch ein Fließbild eines Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer weiteren erläuternden Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt schematisch das Ergebnis des Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems im Laufe der Zeit für eine erläuternde Ausführungsform, wobei der Parameter der Grad der Sättigung des Dampfs des den Wärmetauscher verlassenden Arbeitsmediums ist.
6 zeigt schematisch das Ergebnis des Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems im Laufe der Zeit für eine weitere erläuternde Ausführungsform, wobei der Parameter die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis an einem beliebigen Punkt von diesem ist.
7 zeigt schematisch eine Steuereinheit oder einen Computer gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend ist die Erfindung ausführlich in Bezug auf erläuternde Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten erläuternden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche abgeändert werden. Ferner sind die Zeichnungen nicht zwangsläufig maßstäblich, da einige Merkmale übertrieben dargestellt sein können, um die Erfindung oder Merkmale dieser deutlicher darzustellen.
In der vorliegenden Offenbarung wird der Begriff „stabil“ verwendet. Als „stabil“ kann ein Zustand definiert werden, in dem die Variablen, die das Verhalten eines Systems oder Prozesses definieren, sich im Laufe der Zeit nicht ändern. Eine Betriebsbedingung eines Verbrennungsmotors ist aber normalerweise nicht „stabil“ im wortwörtlichen Sinne des Begriffs, da normalerweise Schwankungen in den Betriebsbedingungen auftreten. Es treten normalerweise Schwankungen aufgrund von Faktoren auf, die nicht beeinflusst oder vollständig überwacht werden können. Somit ist unter dem Begriff „stabile Betriebsbedingung“ wie hier verwendet eine im Wesentlichen stabile Betriebsbedingung zu verstehen, wobei aber kleine unbeabsichtigte und normale Schwankungen in der Betriebsbedingung auftreten. Das heißt, der Begriff „stabile Betriebsbedingung“ ist so zu verstehen, wie ihn ein Fachmann verstehen würde.
Ferner werden in der vorliegenden Offenbarung der Ausdruck „Erreichen des Sollwerts“ oder ähnliche Ausdrücke verwendet, wenn die Steuerung des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch die Steuereinheit beschrieben wird. Dies ist aber nicht so zu verstehen, dass notwendigerweise die Sollwerte erzielt werden, sondern der Massenstrom des Arbeitsmediums so gesteuert wird, dass er sich dem Sollwert annähert. Daher wird hier der Begriff „Erreichen“ verwendet.
Das Abwärmerückgewinnungssystem wird nachfolgend in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs offenbart; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf ein Abgaswärmerückgewinnungssystem in einem Fahrzeug beschränkt. Das Abwärmerückgewinnungssystem kann ein Abwärmerückgewinnungssystem eines beliebigen Verbrennungsmotors sein, unter anderem eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, eines ortsfesten Motors (etwa eines Dieselgenerators), eines Antriebsaggregats o. Ä. sein.
Das Abwärmerückgewinnungssystem wie nachfolgend offenbart verwendet Abgase vom Verbrennungsmotor als Wärmequelle im Wärmetauscher; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von Abgasen als Wärmequelle beschränkt. Die Wärmequelle kann beispielsweise eine AGR (Abgasrückführung) oder Kühlmittel sein.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 1 umfassend einen Verbrennungsmotor 2 und ein mit dem Verbrennungsmotor 2 verknüpftes Abwärmerückgewinnungssystem 4. Das Fahrzeug kann ferner eine mit dem Verbrennungsmotor 2 verknüpfte und mit dem Abwärmerückgewinnungssystem 4 verbundene Kühlung 6 umfassen. Das Fahrzeug umfasst ferner ein mit den Antriebsrädern 5 des Fahrzeugs 1 verbundenes Getriebe 8. Das Fahrzeug 1 kann ein Schwerlastfahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftwagen oder ein Bus, sein. Das Fahrzeug kann alternativ ein Personenkraftwagen sein. Ferner kann das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug umfassend eine Elektromaschine (nicht dargestellt) zusätzlich zum Verbrennungsmotor 2 sein. Das Fahrzeug kann alternativ ein Wasserfahrzeug wie etwa ein Schiff sein.
Die Abwärmerückgewinnung kann durch die Verwendung von Wärme von beispielsweise Abgasen zum Erwärmen eines Arbeitsmediums zum Erzeugen von Dampf, das heißt dem durch Erwärmen des Arbeitsmediums erzeugten verdampften Arbeitsmedium, erfolgen. Dies Dampf kann anschließend expandieren und die verrichtete mechanische Arbeit kann beispielsweise zum Antrieb des Fahrzeugs, Erzeugen von Strom oder Antreiben von Hilfseinheiten des Fahrzeugs verwendet werden.
Abwärmerückgewinnungssysteme nach dem Stand der Technik funktionieren sehr gut unter stabilen Bedingungen, sind aber nicht voll an schwankende Bedingungen angepasst. Der Verbrennungsmotor, der häufig als Wärmequelle zum Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems, insbesondere zum Liefern von Wärme für den Wärmetauscher, verwendet wird, wird häufig schwankend betrieben oder weist viele verschiedene stabile Betriebsbedingungen auf. Nach dem Stand der Technik wird das Abwärmerückgewinnungssystem als Reaktion auf solche Bedingungen gesteuert wie im Hintergrund beschrieben; solche Verfahren sind aber häufig langsam oder ermöglichen kein Optimieren der Abwärmerückgewinnung. Ferner erfolgt die Anpassung des Abwärmerückgewinnungssystems häufig erst nach Erfassen einer schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und es besteht die Gefahr einer Beschädigung von Bestandteilen des Abwärmerückgewinnungssystems (insbesondere der Expansionsvorrichtung), bevor der Betrieb des Systems an die neue Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors angepasst ist.
zeigt schematisch ein Abwärmerückgewinnungssystem 4 gemäß einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung. Das Abwärmerückgewinnungssystem 4 umfasst einen Kreis 10, in dem ein Arbeitsmedium WM umgewälzt wird. Im Kreis sind ein Wärmetauscher 11, eine Expansionsvorrichtung 12, ein Kondensator 13 und ein Arbeitsmediumförderer 14 angeordnet.
Vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 11 befindet sich das Arbeitsmedium in einem flüssigen Zustand. Der Wärmetauscher 11 ist zum Verdampfen des Arbeitsmediums ausgebildet, um einen überhitzten Dampf zu erzeugen. Hierzu überträgt der Wärmetauscher 11 Wärme zwischen einer Wärmequelle wie Abgase vom Verbrennungsmotor und dem Arbeitsmedium. Die Abgase werden vom Verbrennungsmotor zum Wärmetauscher über eine erste Abgasleitung 18 geleitet und verlassen den Wärmetauscher über eine zweite Abgasleitung 19. Optional können die Abgase vom Verbrennungsmotor alternativ oder teilweise am Wärmetauscher 11 vorbei über eine dritte Abgasleitung 20 geleitet werden. Zum Steuern der Menge von die erste Abgasleitung 18 und die dritte Abgasleitung 20 passierenden Abgasen können die verschiedenen Abgasleitungen jeweils entsprechend eines oder mehrere Ventile 21, 22 nach dem Stand der Technik umfassen. In 2 ist das in der zweiten Abgasleitung angeordnete Ventil 21 in einer geöffneten Stellung dargestellt, während sich das in der dritten Abgasleitung 21 angeordnete Ventil 22 in einer geschlossen Stellung befindet. Somit würden die Abgase nur den Wärmetauscher 11 passieren. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Vorhandensein von Ventilen in der Abgasleitung oder, falls vorhanden, auf ihre Anordnung in den Abgasleitungen beschränkt.
Der vom Wärmetauscher 11 erzeugte überhitzte Dampf strömt in die Expansionsvorrichtung 12, in der er sich ausdehnt. Durch die Expansionsvorrichtung 12 kann die rückgewonnene Wärme in mechanische Arbeit oder Strom umgewandelt werden. Die Expansionsvorrichtung 12 kann beispielsweise über eine Kupplung oder einen Freilauf (nicht dargestellt) mechanisch mit dem Antriebsstrang des Fahrzeugs verbunden sein. Der Kreis kann ferner eine Umgehungsleitung 16 nach dem Stand der Technik umfassen, um bei Bedarf das Umgehen der Expansionsvorrichtung 12 zu ermöglichen. Die Umgehungsleitung 16 kann entsprechend ein Umgehungsventil 17 umfassen. Im Normalbetrieb befindet sich das Umgehungsventil 17 in einer geschlossenen Stellung und das Arbeitsmedium passiert die Expansionsvorrichtung 12. Das Umgehungsventil kann von der gleichen Steuereinheit 24, das heißt der zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildeten Steuereinheit, gesteuert werden wie nachfolgend näher beschrieben. Alternativ kann das Umgehungsventil auf Wunsch von einer anderen Steuereinheit gesteuert werden.
Nachdem sich das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung 12 ausgedehnt hat (oder die Expansionsvorrichtung 12 umgangen hat), wird das Arbeitsmedium im Kondensator 13 abgekühlt, so dass das Arbeitsmedium wieder in einen flüssigen Zustand zurückkehrt. Der Kondensator 13 kann typischerweise mit einer Kühlung 6' verbunden sein, die wiederum Teil einer Motorkühlung 6 (wie in 1 dargestellt) oder eine separate Kühlung sein kann.
Der Arbeitsmediumförderer 14, der typischerweise eine Pumpe sein kann, ist zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis, beispielsweise durch Druckbeaufschlagung des Arbeitsmediums, ausgebildet. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Abwärmerückgewinnungssystem eine zum Empfangen von Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis als Reaktion auf die Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildete Steuereinheit 24. Die Steuereinheit 24 kann entsprechend zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch Steuern des Massendurchflusses des Arbeitsmediumförderers 14 wie in 2 dargestellt ausgebildet sein und ist daher entsprechend mit dem Arbeitsmediumförderer verbunden. Die Steuereinheit kann aber alternativ oder in Kombination mit der Verbindung mit dem Arbeitsmediumförderer zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums durch Steuern des Massendurchflusses durch beispielsweise den Kondensator ausgebildet sein.
Entsprechend dem Abwärmerückgewinnungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die Steuereinheit zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und als Reaktion darauf Wählen eines ersten vorgegebenen Sollwerts eines Parameters des Arbeitsmediums, der sich von einem vorgegebenen Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁ unterscheidet, und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des ersten Sollwerts ausgebildet. Die Steuereinheit ist ferner zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und als Reaktion darauf Wählen eines zweiten Sollwerts des Parameters des Arbeitsmediums und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des zweiten Sollwerts ausgebildet. Der zweite Sollwert unterscheidet sich vom vorgegebenen Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Die Steuereinheit kann beispielsweise zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von wenigstens einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors und einem Getriebemanagementsystem ausgebildet sein. Wenn das Abwärmerückgewinnungssystem zu einem Fahrzeug gehört, kann die Steuereinheit alternativ oder in Kombination zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von einem Navigationssystem, einem Geschwindigkeitsregelsystem und/oder einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem des Fahrzeugs ausgebildet sein. Alle zuvor offenbarten Systeme zum Liefern von Informationen für die Steuereinheit in Bezug auf eine bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungssystems entsprechen dem Stand der Technik und sind daher in der vorliegenden Offenbarung nicht ausführlich beschrieben. Jedes dieser Systeme muss aber mit Mitteln zum Senden von Informationen an die Steuereinheit des entsprechenden Abwärmerückgewinnungssystems ergänzt werden.
Die Steuereinheit kann zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors kontinuierlich, auf Anforderung, in vorgegebenen Zeitintervallen und/oder bei Gelegenheit durch ein beliebiges System, mit dem die Steuereinheit kommuniziert, ausgebildet sein. Die Steuereinheit ist aber vorzugsweise zum wenigstens kontinuierlichen Empfangen von Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors von einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors ausgebildet, da das Motormanagementsystem Informationen in Bezug auf die aktuelle Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors liefern kann. Die Steuereinheit kann hingegen beispielsweise ausschließlich zum Empfangen von Informationen von einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem, wenn das System erkennt, dass die Verkehrsverhältnisse so sind, dass eine schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors zu erwarten, ausgebildet sein.
Das Abwärmerückgewinnungssystem 4 kann ferner einen Behälter 15 zum Speichern des Arbeitsmediums umfassen und sicherstellen, dass stets ausreichend Arbeitsmedium 10 im Kreis verfügbar ist.
Das Arbeitsmedium des Abwärmerückgewinnungssystems kann ein zu diesem speziellen Zweck verwendetes Arbeitsmedium nach dem Stand der Technik sein. Beispiele für Arbeitsmedien nach dem Stand der Technik sind Wasser, Ethanol und Mischungen auf Ethanolbasis.
Eine schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors kann beispielsweise zu einem unterschiedlichen Massendurchfluss von Abgasen und/oder einer unterschiedlichen Temperatur der als Wärmequelle im Wärmetauscher des Abwärmerückgewinnungssystems zum Verdampfen des Arbeitsmediums verwendeten Abgase führen. Eine schwankende Betriebsbedingung eines Verbrennungsmotors kann ferner ein Ergebnis eines Schaltvorgangs sein.
3 zeigt schematisch ein Fließbild eines Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird ein Schwellenwert eines Parameters des Arbeitsmediums für die Steuereinheit S1 bereitgestellt (a). Der Schwellenwert kann ein Ergebnis von theoretischen Berechnungen sein, auf Versuchen basieren oder auf Erfahrungen beruhen, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Steuereinheit des Abwärmerückgewinnungssystems ist zum Empfangen von Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildet. Die Steuereinheit kann ferner zum Ermitteln, ob die Betriebsbedingung stabil ist, ausgebildet sein oder die Steuereinheit ist alternativ zum Empfangen von Informationen, ob die Betriebsbedingung eine stabile Betriebsbedingung ist oder nicht, ausgebildet; beide Optionen sind in 3 als S2 dargestellt. Wenn eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors vorliegt, wählt die Steuereinheit einen vorgegebenen ersten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der erste Sollwert erreicht wird (b). Dies ist in 3 durch S3 dargestellt. Der erste Sollwert unterscheidet sich vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Wenn keine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors vorliegt oder die Steuereinheit Informationen empfängt, dass eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors vorliegt, wählt die Steuereinheit einen zweiten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums. Der zweite Sollwert unterscheidet sich vom Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁. Die Steuereinheit steuert anschließend den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der zweite Sollwert erreicht wird. Dies stellt Schritt c im Verfahren dar und ist durch S4 in 3 dargestellt.
Danach ist die Steuereinheit zum wiederholten Abfragen, ob eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors vorliegt, ausgebildet, wie jeweils durch die Pfeile 31 und 32 dargestellt.
Somit umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Offenbarung:

a) Liefern eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Parameters des Arbeitsmediums,
b) wenn die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt, wählt die Steuereinheit einen vorgegebenen ersten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der erste Sollwert erreicht wird, wobei sich der erste Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁ unterscheidet; und
c) wenn die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt, wählt die Steuereinheit einen zweiten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums, wobei sich der zweite Sollwert vom Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁, und die Steuereinheit steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der zweite Sollwert erreicht wird.

Gemäß dem vorliegenden Verfahren erfolgt der Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems so, dass eine Sicherheitstoleranz eines Parameters des Arbeitsmediums vergrößert werden kann, bevor eine schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors tatsächlich auftritt. Die Steuereinheit kann ebenfalls zum Ermitteln ausgebildet sein, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors tatsächlich aufgetreten ist und/oder andauert.
4 zeigt schematisch ein Fließbild eines Verfahrens zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems gemäß einer weiteren erläuternden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in 4 dargestellte Verfahren unterscheidet sich vom in 3 dargestellten Verfahren insofern, als die Steuereinheit weiter Informationen in Bezug auf zwei verschiedene stabile Betriebsbedingungen oder zum Ermitteln verschiedener stabiler Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors empfangen kann.
Das Verfahren wie in 4 dargestellt bietet daher die Möglichkeit, dass die Steuereinheit Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt und Informationen ermittelt oder empfängt, ob eine zweite stabile Betriebsbedingung erreicht wurde oder nicht. Dies ist in 4 als S5 dargestellt. Wenn eine zweite stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erreicht wurde, wobei sich die zweite stabile Betriebsbedingung von der ersten stabilen Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors unterscheidet, wählt die Steuereinheit einen dritten Sollwert des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂. Die Steuereinheit steuert anschließend den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der dritte Sollwert erreicht wird (d). Dies ist als S6 in 4 dargestellt.
Somit kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen:

e) wenn die Steuereinheit Informationen empfängt, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet ist und die erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors oder eine zweite stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erreicht wurde, wählt die Steuereinheit einen dritten Sollwert des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des dritten Sollwerts.

Wenn die Steuereinheit Informationen empfängt, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet wurde und die erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors wieder erreicht wurde, kann der dritte Sollwert entsprechend der gleiche sein wie der erste Sollwert.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann an eine beliebige Zahl von stabilen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors und/oder an mehr als eine Art von schwankenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepasst werden.
Dadurch erfolgt der Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems so, dass das Abwärmerückgewinnungssystem mit einer optimalen Sicherheitstoleranz für eine beliebige stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors betrieben wird.
Die Steuereinheit kann entsprechend zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch Anpassen des Massendurchflusses des Förderers ausgebildet sein. Die Verwendung des Arbeitsmediumförderers zum Anpassen des Massendurchflusses im Kreis stellt im Allgemeinen die schnellste Möglichkeit zum Anpassen des Betriebs des Abwärmerückgewinnungssystems dar und ist somit die am besten geeignete Alternative bei schwankenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors. Das Anpassen des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch andere Verfahren wie das Anpassen der Kondensationsleistung im Kondensator ist aber ebenfalls plausibel.
Der Parameter des Arbeitsmediums kann gemäß einer erläuternden Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens der Grad des Überhitzens des Dampfs des den Wärmetauscher verlassenden Arbeitsmediums sein. In solch einem Fall entspricht der Schwellenwert des Parameters dem Verdampfungspunkt des Arbeitsmediums. Es handelt sich somit um den Schwellenwert, bei dem der Dampf ein trockener, aber noch nicht überhitzter Dampf ist.
5 zeigt schematisch das Ergebnis des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung im Laufe der Zeit t, wenn der Parameter der Grad δ_WM des Überhitzens des Dampfs ist. Der Schwellenwert des Parameters, das heißt der Verdampfungspunkt, ist in der Figur als δ_WM ^threshold dargestellt und der tatsächliche Grad des Überhitzens des im Laufe der Zeit den Wärmetauscher verlassenden Arbeitsmediums ist durch die gestrichelte Linie 5_WM ^Act dargestellt. Das Zeitintervall t₀ bis t₁ entspricht der Zeit, in der die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt. Während des Zeitraums wählt die Steuereinheit den ersten Sollwert δ₁ zum Bereitstellen einer Sicherheitstoleranz Δ₁ für den Schwellenwert. Der erste Sollwert wird ausgewählt, um die normalen Schwankungen während der stabilen Betriebsbedingung zu berücksichtigen, wie durch die gestrichelte Linie δ_WM ^Act dargestellt.
Bei t₁ empfängt die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors, die den Grad des Überhitzens ändern kann oder, wie in der Figur dargestellt, die Schwankungen erhöhen würde. Die Steuereinheit wählt anschließend einen zweiten Sollwert δ₂ des Grads des Überhitzens und steuert den Massenstrom im Kreis so, dass ein Erreichen des zweiten Sollwerts angestrebt wird. Der zweite Sollwert δ₂ liefert eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₁, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Zum Zeitpunkt t₂ kann die Steuereinheit Informationen empfangen, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet und die erste stabile Betriebsbedingung erreicht wurde. Die Steuereinheit kann anschließend wieder den ersten Sollwert wählen und den Massenstrom im Kreis als Reaktion hierauf steuern.
Alternativ kann der Parameter des Arbeitsmediums gemäß einer weiteren erläuternden Ausführungsform des zuvor beschriebenen Verfahrens die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis, das heißt die höchstzulässige Temperatur für das Arbeitsmedium zu einem beliebigen Zeitpunkt oder an einer beliebigen Stelle im Kreis, sein. In diesem Fall entspricht der Schwellenwert einer Temperatur, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen und sich beispielsweise zersetzen kann.
6 zeigt schematisch das Ergebnis des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung im Laufe der Zeit t, wenn der Parameter die Höchsttemperatur T_WM des Arbeitsmediums im Kreis ist. Der Schwellenwert des Parameters ist als T_WM ^threshold dargestellt und die tatsächliche Höchsttemperatur des Arbeitsmediums an einem beliebigen Punkt im Abwärmerückgewinnungssystem im Laufe der Zeit ist durch die gestrichelte Linie T_WM ^Act dargestellt. Das Zeitintervall t₀ bis t₃ entspricht der Zeit, in der die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors empfängt. Während des Zeitraums wählt die Steuereinheit den ersten Sollwert T₁ zum Bereitstellen einer Sicherheitstoleranz Δ₁ für den Schwellenwert.
Bei t₃ empfängt die Steuereinheit Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors, welche die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis ändern kann oder, wie in der Figur dargestellt, die Schwankungen erhöhen würde. Die Steuereinheit wählt anschließend einen zweiten Sollwert T₂ der Höchsttemperatur des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom im Kreis so, dass ein Erreichen des zweiten Sollwerts angestrebt wird. Der zweite Sollwert T₂ liefert eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₁, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Zum Zeitpunkt t₄ kann die Steuereinheit Informationen empfangen, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet und die erste stabile Betriebsbedingung erreicht wurde. Die Steuereinheit kann anschließend wieder den ersten Sollwert T₁ wählen und den Massenstrom im Kreis als Reaktion hierauf steuern.
Es ist ebenfalls plausibel, dass das Abwärmerückgewinnungssystem so betrieben wird, dass der Parameter des Grads des Überhitzens des Dampfs des Arbeitsmediums und der Parameter der Höchsttemperatur des Arbeitsmediums berücksichtigt werden.
7 zeigt schematisch eine erläuternde Ausführungsform einer Vorrichtung 100. Die in Bezug auf 2 beschriebene Steuereinheit 24 kann in einer Version die Vorrichtung 100 umfassen oder darstellen. Der Begriff „Verbindung“ bezeichnet hier eine Kommunikationsverbindung, die eine physische Verbindung wie eine optoelektronische Kommunikationsleitung oder eine nicht physische Verbindung wie eine drahtlose Verbindung, beispielsweise eine Funkverbindung oder Mikrowellenverbindung, sein kann. Die Vorrichtung 100 umfasst einen nichtflüchtigen Speicher 120, eine Datenverarbeitungseinheit 110 und einen Schreib/Lese-Speicher 150. Der nichtflüchtige Speicher 120 weist ein erstes Speicherelement 130 auf, in dem ein Computerprogramm, beispielsweise ein Betriebssystem, zum Steuern der Funktion der Vorrichtung 100 gespeichert ist. Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Buscontroller, einen seriellen Kommunikationsanschluss, E/A-Mittel, einen A/D-Wandler, eine Eingabe- und Übertragungseinheit für Datum und Uhrzeit, einen Ereigniszähler und eine Unterbrechungssteuerung (nicht dargestellt). Der nichtflüchtige Speicher 120 weist ebenfalls ein zweites Speicherelement 140 auf.
Es wird ein Computerprogramm P bereitgestellt, das Routinen zum Steuern des Betriebs eines Abwärmerückgewinnungssystems eines Verbrennungsmotors umfasst. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Routinen zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums eines Abwärmerückgewinnungssystems im Kreis als Reaktion auf die Informationen in Bezug auf die Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors. Das Computerprogramm umfasst Routinen zum Empfangen von Informationen eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Parameters des Arbeitsmediums des Abwärmerückgewinnungssystems. Der Computer umfasst ferner Routinen zum Empfangen von Informationen in Bezug auf eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Routinen zum Wählen eines vorgegebenen ersten Sollwerts des Parameters des Arbeitsmediums, wobei sich der erste Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz unterscheidet. Das Computerprogramm umfasst ebenfalls Routinen zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des ersten Sollwerts. Ferner umfasst das Computerprogramm P Routinen zum Empfangen von Informationen einer erwarteten bevorstehenden schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Routinen zum Wählen eines zweiten Sollwerts des Parameters des Arbeitsmediums, wobei sich der zweite Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine zweite Sicherheitstoleranz unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz. Das Computerprogramm umfasst ferner Routinen zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des zweiten Sollwerts. Das Computerprogramm umfasst vorzugsweise ebenfalls Routinen zum Empfangen von Informationen, dass eine schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors beendet wurde, und zum Wählen eines neuen Sollwerts des Parameters des Arbeitsmediums als Reaktion hierauf, wobei der neue Sollwert eine niedrigere Sicherheitstoleranz liefert als die zweite Sicherheitstoleranz.
Das Programm P kann in einer ausführbaren Form oder in einer komprimierten Form in einem Speicher 160 und/oder einem Schreib/Lese-Speicher 150 gespeichert werden.
Wenn die Datenverarbeitungseinheit 110 als eine bestimmte Funktion ausführend beschrieben wird, bedeutet dies, dass die Datenverarbeitungseinheit 110 einen bestimmten Teil des im Speicher 160 gespeicherten Programms oder einen bestimmten Teil des im Schreib/Lese-Speicher 150 gespeicherten Programms ausführt.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 110 kann über einen Datenbus 115 mit einem Datenanschluss 199 kommunizieren. Der nichtflüchtige Speicher 120 dient zur Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit 110 über einen Datenbus 112. Der separate Speicher 160 dient zur Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit 110 über einen Datenbus 111. Der Schreib/Lese-Speicher 150 ist zur Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit 110 über einen Datenbus 114 ausgebildet. Wenn Daten am Datenanschluss 199 empfangen werden, werden sie vorübergehend im zweiten Speicherelement 140 gespeichert. Wenn empfangene Eingabedaten vorübergehend gespeichert sind, ist die Datenverarbeitungseinheit 110 zum Durchführen der Codeausführung wie zuvor beschrieben vorbereitet.
Teile der hier beschriebenen Verfahren können von der Vorrichtung 100 mit der Datenverarbeitungseinheit 110 ausgeführt werden, die das im Speicher 160 oder Schreib/Lese-Speicher 150 gespeicherte Programm ausführt. Wenn die Vorrichtung 100 das Programm ausführt, werden die hier beschriebenen Verfahren ausgeführt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Abwärmerückgewinnungssystems (4) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (4) umfasst: einen Kreis (10), in dem ein Arbeitsmedium (WM) zirkuliert; wobei der Kreis (10) ferner einen zum Verdampfen des Arbeitsmediums zum Bilden eines Dampfs aus diesem ausgebildeten Wärmetauscher (11), eine zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie durch Expandieren des vom Wärmetauscher erzeugten Dampfs ausgebildete Expansionsvorrichtung (12), einen stromabwärts der Expansionsvorrichtung angeordneten und zum Kondensieren des Dampfs in einen flüssigen Zustand des Arbeitsmediums ausgebildeten Kondensator (13), und einen zum Umwälzen des Arbeitsmediums im Kreis ausgebildeten Arbeitsmittelförderer (14) umfasst; wobei das Abwärmerückgewinnungssystem ferner eine zum Empfangen von Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis als Reaktion auf die Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildete Steuereinheit (24) umfasst; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Liefern eines vorgegebenen Schwellenwerts eines Parameters des Arbeitsmediums (S1); b) wenn die Steuereinheit (24) Informationen in Bezug auf eine erste stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) empfängt, wählt die Steuereinheit einen vorgegebenen ersten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums und steuert den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so, dass der erste Sollwert (S3) erreicht wird, wobei sich der erste Sollwert vom Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁ unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Steuereinheit (24) Informationen in Bezug auf eine erwartete bevorstehende schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) empfängt, die Steuereinheit einen zweiten Sollwert des Parameters des Arbeitsmediums wählt, wobei sich der zweite Sollwert vom Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁, und die Steuereinheit den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis so steuert, dass der zweite Sollwert (S4) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: d) wenn die Steuereinheit (24) Informationen empfängt, dass die schwankende Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) beendet ist und die erste oder eine zweite stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erreicht wurde, Wählen eines dritten Sollwerts des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis mittels der Steuereinheit zum Erreichen des dritten Sollwerts (S6).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) den Massenstrom des Arbeitsmediums im Kreis durch Anpassen des Massendurchflusses des Förderers (14) steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Parameter die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis ist und der Schwellenwert einer Temperatur entspricht, bei der das Arbeitsmedium Schaden nehmen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Parameter die Höchsttemperatur des Arbeitsmediums im Kreis ist, und der Schwellenwert einer Höchsttemperatur entspricht, bei der das Arbeitsmedium keinen Schaden an Bestandteilen des Abwärmerückgewinnungssystems verursachen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (24) zum Empfangen von Informationen bezüglich einer bevorstehenden schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von wenigstens einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors, einem Getriebemanagementsystem, einem Navigationssystem, einem Geschwindigkeitsregelsystem und/oder einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ wenigstens 25 % größer, vorzugsweise wenigstens 50 % größer, als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁ ist.
Abwärmerückgewinnungssystem (4) für einen Verbrennungsmotor (2), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst einen Kreis (10), in dem ein Arbeitsmedium (WM) zirkuliert; wobei der Kreis (10) ferner einen zum Verdampfen des Arbeitsmediums zum Bilden eines Dampfs aus diesem ausgebildeten Wärmetauscher (11), eine zum Erzeugen von mechanischer oder elektrischer Energie durch Expandieren des vom Wärmetauscher erzeugten Dampfs ausgebildete Expansionsvorrichtung (12), einen stromabwärts der Expansionsvorrichtung angeordneten und zum Kondensieren des Dampfs zu einem flüssigen Zustand des Arbeitsmediums ausgebildeten Kondensator (13), und einen zum Umwälzen des Arbeitsmediums im Kreis ausgebildeten Förderer (14) umfasst; wobei das Abwärmerückgewinnungssystem ferner eine zum Empfangen von Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors (2) und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis als Reaktion auf die Informationen bezüglich einer Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors ausgebildete Steuereinheit (24) umfasst; und wobei die Steuereinheit zum Empfangen von Informationen bezüglich einer stabilen Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und als Reaktion darauf Wählen eines ersten vorgegebenen Sollwerts eines Parameters des Arbeitsmediums, der sich von einem vorgegebenen Schwellenwert des Parameters durch eine erste Sicherheitstoleranz Δ₁ unterscheidet, und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des ersten Sollwerts ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ferner zum Empfangen von Informationen bezüglich einer erwarteten bevorstehenden schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors und als Reaktion darauf Wählen eines zweiten Sollwerts des Parameters des Arbeitsmediums und Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des zweiten Sollwerts ausgebildet ist, wobei sich der zweite Sollwert vom vorgegebenen Schwellenwert durch eine zweite Sicherheitstoleranz Δ₂ unterscheidet, die größer ist als die erste Sicherheitstoleranz Δ₁.
Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (24) ferner zum Empfangen von Informationen, dass die schwankende Betriebsbedingung beendet ist und dass eine stabile Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors erreicht wurde, und als Reaktion darauf zum Wählen eines dritten Sollwerts des Parameters entsprechend einer Sicherheitstoleranz, die niedriger ist als die zweite Sicherheitstoleranz Δ₂, und zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis zum Erreichen des dritten Sollwerts ausgebildet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinheit (24) mit dem Förderer (14) verbunden ist und zum Steuern des Massenstroms des Arbeitsmediums im Kreis durch Anpassen des Massendurchflusses des Förderers ausgebildet ist.
Abwärmerückgewinnungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Steuereinheit (24) zum Empfangen von Informationen bezüglich einer bevorstehenden schwankenden Betriebsbedingung des Verbrennungsmotors auf der Basis von Informationen von wenigstens einem Motormanagementsystem des Verbrennungsmotors, einem Getriebemanagementsystem, einem Navigationssystem, einem Geschwindigkeitsregelsystem und/oder einem zum Ermitteln von Verkehrsverhältnissen ausgebildeten Radarsystem des Fahrzeugs ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) umfassend einen Verbrennungsmotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Abwärmerückgewinnungssystem (4) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 umfasst.