EP2693001A1 - Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

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EP2693001A1
EP2693001A1 EP13001382.4A EP13001382A EP2693001A1 EP 2693001 A1 EP2693001 A1 EP 2693001A1 EP 13001382 A EP13001382 A EP 13001382A EP 2693001 A1 EP2693001 A1 EP 2693001A1
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EP
European Patent Office
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working medium
mass flow
temperature
heat exchanger
controller
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EP13001382.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2693001B1 (de
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André Kreuzriegler
Gottfried Raab
Josef Klammer
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MAN Truck and Bus Osterreich AG
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MAN Truck and Bus Osterreich AG
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Publication date
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    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/101—Regulating means specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a heat recovery system (WRG system) in a motor vehicle with an internal combustion engine, in particular in a commercial vehicle.
  • WRG system heat recovery system
  • a well-known heat recovery system has a heat recovery circuit (WRG circuit) as a working circuit containing a storage tank with a working fluid, which is connected via a feed pump with at least one control valve, each associated with a heat exchanger as an evaporator is.
  • the working cycle further includes a, at least one heat exchanger downstream expansion machine to which a capacitor with a connection via a condenser suction pump to the storage tank follows.
  • the heat exchanger is flowed through in the vehicle operation both by a working medium mass flow and by a heating medium mass flow of a vehicle heat source in countercurrent.
  • various heat sources can be used on the internal combustion engine to vaporize a working medium.
  • the engine coolant, the charge air or preferably the exhaust gas can be used as heat sources or heating media.
  • the energy contained in the working medium vapor is converted into mechanical energy in the expansion machine and fed back to the internal combustion engine, so that the overall efficiency can be increased.
  • the object of the invention is to propose a method for controlling such a heat recovery system, with the efficiency optimal and safe operation of such a system is feasible.
  • This object is achieved in that at predetermined by the vehicle operation Kirmedium mass flow and predetermined heating medium temperature to a predetermined temperature setpoint and / or phase state for the working fluid by varying the working medium mass flow through the at least one heat exchanger / evaporator by means of adjustment of the control valve passage is regulated.
  • the temperature and, in particular in the evaporation process, the phase state of the working medium is regulated here by regulation of the working medium mass flow.
  • a control valve is preferably used as a proportional control valve, which is controlled via a pulse-width-modulated signal (PWM signal).
  • PWM signal pulse-width-modulated signal
  • the heat recovery cycle has the following function: the feed pump removes the working fluid from the storage tank, which is routed via the proportional control valve to the heat exchanger and evaporated in it.
  • the working fluid from the feed pump is distributed to two associated proportional control valves.
  • the heat exchanger draws its heat from the likewise conducted mass flow of heating medium, in particular from the exhaust gas of an internal combustion engine, preferably a recirculated exhaust gas and an exhaust gas which is supplied to the environment after exhaust aftertreatment, respectively a heat exchanger / evaporator with associated control valve and associated control is supplied ,
  • a direct flow path to the expansion machine or a flow path via a throttle valve can be switched by means of a switching valve. Is in front of the expansion machine while warming up yet no steam and In the subsequent evaporation process, only steam together with liquid is available, the working medium is passed through the throttle valve flow path. Only when reaching a certain superheat temperature above the saturated steam temperature, the working medium is passed by switching to the expander operation directly to the expansion machine. In the condenser, the remaining working medium vapor is then returned to the liquid state and further transported via the condenser suction pump and a filter back to the storage tank.
  • a pure temperature control to an optimum steam temperature setpoint of the working medium would be possible. Since, however, under changing conditions, for example, a speed change of the expansion machine, the working medium-steam mass flow through the expander and thus the temperature and pressure conditions vary, a working medium temperature control with a subordinate working medium mass flow controller is advantageous because it faster than changes can be reacted with a pure, relatively sluggish temperature control.
  • a further improvement of the control quality with respect to the response and transient response is achieved in that the working medium mass flow setpoint is additionally corrected by a pilot control, which responds to changes in the heating medium side, wherein as a correction parameter in particular the heating medium mass flow and / or the Heating medium inlet temperature at the heat exchanger and / or the working medium pressure are evaluated before the expansion machine in such a feedforward control for a correction.
  • a pilot control which responds to changes in the heating medium side, wherein as a correction parameter in particular the heating medium mass flow and / or the Heating medium inlet temperature at the heat exchanger and / or the working medium pressure are evaluated before the expansion machine in such a feedforward control for a correction.
  • the above temperature control must be carried out separately for each heat exchanger with a lower-level working medium mass flow controller and if necessary the pilot control.
  • PI controller proportional-integral controller
  • PID controller proportional-integral-derivative controller
  • Another rapid intervention in the control can optionally be achieved in that wall temperatures are measured at the heat exchanger evaporator, if necessary to quickly determine a liquid / vapor limit, so that a decrease in the working fluid outlet temperature below the saturated steam temperature can be counteracted quickly.
  • Such an intervention may be advantageous if, for example, the evaporator outlet temperature drops at a very high gradient, whereby, without this intervention, the relatively slow temperature control is no longer able to maintain the temperature above the saturated steam temperature.
  • the wall temperature in the vicinity of the media inlet, in the middle between medium inlet and medium outlet and in the vicinity of the medium outlet can be measured, so that premature reaction to a decrease in the outlet temperature. This assumes that the wall temperature can be concluded with the least possible delay on the internal temperature conditions.
  • the heating medium is both an exhaust gas after treatment of the environment supplied exhaust (AG) from a vehicle internal combustion engine and a recirculated exhaust gas (EGR), both types of exhaust gas is assigned a separate heat exchanger with upstream control valves and each acting thereon control.
  • AG environment supplied exhaust
  • EGR recirculated exhaust gas
  • both types of exhaust gas is assigned a separate heat exchanger with upstream control valves and each acting thereon control.
  • other heating media such as an engine coolant and / or a charge air
  • a heat recovery circuit 1 is shown as a block diagram, being used as the working medium water / steam and as a heating medium recirculated exhaust gas AGR and after exhaust aftertreatment of the environment supplied exhaust gas AG.
  • To the left of the dotted line (arrow 2) is the liquid area of the circuit and to the right of the dotted line (arrow 3) is the vaporous area of the circuit.
  • EGR-WT EGR heat exchanger
  • AG-WT parallel AG heat exchanger
  • the pressure P0 after the feed pump and the pressures P1 and P2 are respectively detected after the proportional control valves V1 and V2 and the pressure P6 in front of a switching valve V3.
  • the measurement of the pressure P1 and / or P2 is sufficient.
  • the working medium vapor is supplied in the retracted state with the valve V3 in the expander operation of an expansion machine E and from there into a condenser K, in which the steam to the liquid cools and by means of a condenser suction pump KP and a filter F back to the storage tank VR is supplied. If steam is not yet sufficiently available for operation of the expansion engine E, particularly in a starting state, a line is passed via a throttle valve V4.
  • the heat recovery circuit 1 is controlled and / or controlled by varying the working medium passage through the proportional control valves V1, V2.
  • a temperature controller 4 with a lower-level mass flow controller (dm controller) 5 for the working medium is shown as a vapor medium.
  • the control is shown here for the EGR-WT, wherein the same rule is also required for the AG branch.
  • the comparison is made between the steam temperature setpoint in the EGR branch and the corresponding steam temperature actual value, wherein a control deviation is output as a control signal in accordance with the applicable controller behavior.
  • This control signal is used in the lower-level mass flow controller 5 as a mass flow setpoint for the steam medium (dm soll ) for comparison with the corresponding mass flow actual value (dm is ), wherein according to the set controller behavior (PI controller) of the dm controller. 5 sends a control signal to the EGR proportional control valve V1.
  • the mass flow setpoint value is also influenced and corrected here by a feedforward control 6, wherein the feedforward control 6 reacts in particular to changes in the heating medium side (EGR).
  • the precontrol in addition to the steam temperature setpoint is the EGR inlet temperature T AGR corresponding to T1 as a correction parameter Fig. 1 fed.
  • Further correction parameters are the pressure before the expansion machine P vapor (corresponding to P6 off Fig. 1 or additionally measured directly in front of the expansion engine E), as well as the EGR mass flow dm AGR , which is calculated for example by means of values from the engine control (EDC).
  • Fig. 3 is the mass flow controller 5 (dm controller) off Fig. 2 detailed with further details.
  • mass flow controller 5 a proportional-integral controller is used.
  • the input of the integrator I regulator
  • the mass flow adaptation unit 9 the gas-side AG inlet temperature T AG and the setpoint and actual value of the working medium for the AG-WT outlet temperature are supplied. Furthermore, in the mass flow adaptation 9, the mass flow actual value for the vapor medium dm is taken into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, mit einem Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf (1) als Arbeitskreislauf, der einen Vorratstank (VR) mit einem Arbeitsmedium aufweist, der über eine Speisepumpe (SP) mit wenigstens einem Regelventil (V1, V2) verbunden ist, dem jeweils ein Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) als Verdampfer zugeordnet ist. Der Arbeitskreislauf weist weiter eine dem wenigstens einen Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) nachgeschaltete Expansionsmaschine (E) auf, auf die ein Kondensator (K) mit einer Verbindung über eine Kondensatorabsaugpumpe (KP) zum Vorratstank (VR) folgt. Der wenigstens eine Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) wird sowohl von einem Arbeitsmedium-Massenstrom als auch von einem Heizmedium-Massenstrom einer Wärmequelle durchströmt. Erfindungsgemäß wird bei durch den Fahrzeugbetrieb vorgegebenem Heizmedium-Massenstrom und vorgegebener Heizmedium-Temperatur auf einen vorbestimmten Dampftemperatur-Sollwert und/oder Phasenzustand für das Arbeitsmedium durch Variation des Arbeitsmedium-Massenstroms durch den wenigstens einen Wärmetauscher/Verdampfer mittels Verstellung des Regelventildurchgangs (V1, V2) geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems (WRG-System) in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Nutzfahrzeug.
  • Ein allgemein bekanntes Wärme-Rückgewinnungs-System weist einen Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf (WRG-Kreislauf) als Arbeitskreislauf auf, der einen Vorratstank mit einem Arbeitsmedium enthält, der über eine Speisepumpe mit wenigstens einem Regelventil verbunden ist, dem jeweils ein Wärmetauscher als Verdampfer zugeordnet ist. Der Arbeitskreislauf enthält weiter eine, dem wenigstens einen Wärmetauscher nachgeschaltete Expansionsmaschine, auf die ein Kondensator mit einer Verbindung über eine Kondensator-absaugpumpe zum Vorratstank folgt. Der Wärmetauscher wird im Fahrzeugbetrieb sowohl von einem Arbeitsmedium-Massenstrom als auch von einem Heizmedium-Massenstrom einer Fahrzeug-Wärmequelle im Gegenstrom durchströmt. Nach einem Aufwärmvorgang (flüssiger Zustand des Arbeitsmediums) und einem anschließenden Verdampfungsprozess (Arbeitsmedium teilweise flüssig und teilweise dampfförmig) folgt ein Überhitzungsprozess (Arbeitsmedium dampfförmig über Sattdampftemperatur), wobei nach einer Umschaltung auf Expanderbetrieb der Arbeitsmedium-Dampf der Expansionsmaschine zu deren Antrieb zugeführt wird.
  • In bekannten Wärme-Rückgewinnungs-Systemen können verschiedene Wärmequellen am Verbrennungsmotor genutzt werden, um ein Arbeitsmedium zu verdampfen. Als Wärmequellen beziehungsweise Heizmedien können insbesondere das Motorkühlmittel, die Ladeluft oder vorzugsweise das Abgas verwendet werden. Die im Arbeitsmedium-Dampf enthaltene Energie wird in der Expansionsmaschine in mechanische Energie umgewandelt und wieder dem Verbrennungsmotor zugeführt, so dass der Gesamtwirkungsgrad gesteigert werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines solchen Wärme-Rückgewinnungs-Systems vorzuschlagen, mit dem ein wirkungsgradoptimaler und sicherer Betrieb eines solchen Systems durchführbar ist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei durch den Fahrzeugbetrieb vorgegebenem Heizmedium-Massenstrom und vorgegebener Heizmedium-Temperatur auf einen vorbestimmten Temperatur-Sollwert und/oder Phasenzustand für das Arbeitsmedium durch Variation des Arbeitsmedium-Massenstroms durch den wenigstens einen Wärmetauscher/Verdampfer mittels Verstellung des Regelventildurchgangs geregelt wird.
  • Um die voll von den Wärmequellen am Verbrennungsmotor im Heizmedium-Massenstrom zur Verfügung stehende Heizenergie auszunützen wird hier durch Regelung des Arbeitsmedien-Massenstroms die Temperatur und insbesondere im Verdampfungsprozess der Phasenzustand des Arbeitsmediums geregelt.
  • Für eine definierte Beaufschlagung des wenigstens einen Wärmetauschers/Verdampfers mit einem definierten Arbeitsmedium-Massenstrom wird vorzugsweise ein Regelventil als proportional-Regelventil verwendet, welches über ein pulsweiten-moduliertes Signal (PWM-Signal) angesteuert wird. Eine genaue Zuordnung des Arbeitsmedien-Massenstrom-Istwerts zur Regelventilstellung beziehungsweise zum PWM-Signal ist wegen des variierenden Druckgefälles über dem Regelventil nicht unmittelbar möglich. Es wird daher vorgeschlagen, den genauen Arbeitsmedium-Massenstrom-Istwert durch das wenigstens eine Regelventil mit Hilfe des Ventilkennfeldes unter Berücksichtigung der aktuellen Ventilstellung beziehungsweise des PWM-Signals, des aktuellen (gemessenen) Druckabfalls über das Regelventil und der aktuellen Arbeitsmedium-Temperatur am Regelventil zu berechnen.
  • Der Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf hat folgende Funktion: die Speisepumpe entnimmt dem Vorratstank das Arbeitsmedium, welches über das Proportional-Regelventil zum Wärmetauscher geleitet und in diesem verdampft wird. Bei der Verwendung von zwei Wärmetauschern wird das Arbeitsmedium von der Speisepumpe auf zwei zugeordnete ProportionalRegelventile verteilt. Der Wärmetauscher bezieht seine Wärme aus dem ebenfalls durchgeleiteten Heizmedium-Massenstrom, insbesondere aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei vorzugsweise ein rückgeführtes Abgas und ein Abgas welches nach einer Abgasnachbehandlung der Umgebung zugeführt wird, jeweils einem Wärmetauscher/Verdampfer mit zugeordnetem Regelventil und zugeordneter Regelung zugeführt wird.
  • Nach dem wenigstens einem Wärmetauscher ist mittels eines Umschaltventils ein direkter Strömungsweg zur Expansionsmaschine oder ein Strömungsweg über ein Drosselventil schaltbar. Steht vor der Expansionsmaschine beim Aufwärmvorgang noch kein Dampf und im anschließenden Verdampfungsprozess nur Dampf zusammen mit Flüssigkeit zur Verfügung wird das Arbeitsmedium über den Drosselventil-Strömungsweg geleitet. Erst beim Erreichen einer bestimmten Überhitzungstemperatur über der Sattdampftemperatur wird das Arbeitsmedium durch Umschalten auf den Expanderbetrieb direkt zur Expansionsmaschine geleitet. Im Kondensator wird dann der übrige Arbeitsmedium-Dampf wieder in den flüssigen Zustand versetzt und weiter über die Kondensator-Absaugpumpe und einen Filter zurück zum Vorratstank transportiert.
  • Insbesondere im Expanderbetrieb wäre grundsätzlich eine reine Temperaturregelung auf einen optimalen Dampftemperatur-Sollwert des Arbeitsmediums möglich. Da aber, bei sich ändernden Bedingungen, zum Beispiel einer Drehzahländerung der Expansionsmaschine der Arbeitsmedium-Dampfmassenstrom durch den Expander und damit auch die Temperatur- und Druckverhältnisse variieren, ist eine Arbeitsmedium-Temperaturregelung mit einem unterlagerten Arbeitsmedium-Massenstromregler vorteilhaft, da damit schneller auf Veränderungen als mit einer reinen, relativ trägen Temperaturregelung reagiert werden kann.
  • Eine weitere Verbesserung der Regelungsqualität bezüglich des Ansprech- und Einschwingverhaltens wird dadurch erreicht, dass der Arbeitsmedium-Massenstrom-Sollwert zusätzlich durch eine Vorsteuerung korrigiert wird, die auf Änderungen der Heizmedium-Seite reagiert, wobei als Korrekturparameter insbesondere der Heizmedium-Massenstrom und/oder die Heizmedium-Eintrittstemperatur am Wärmetauscher und/oder der Arbeitsmedium-Druck vor der Expansionsmaschine in einer solchen Vorsteuerung für eine Korrektur ausgewertet werden. Bei mehreren Wärmetauscher/Verdampfern ist die vorstehende Temperaturregelung mit unterlagertem Arbeitsmedium-Massenstromregler und gegebenenfalls der Vorsteuerung jeweils für jeden Wärmetauscher separat durchzuführen.
  • Eine weitere Steigerung der Effektivität wird erreicht, wenn als Arbeitsmedium-Massenstrom-Regler ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differenzial-Regler (PID-Regler) verwendet wird und der dortige Integrator je nach den Gegebenheiten mit einem zusätzlichen Manipulationswert beaufschlagt wird, wodurch eine Arbeitsmedium-Massenstrom-Maximierung möglich ist.
  • Dies wird im Folgenden an einem Beispiel erläutert, wenn als Heizmedium Abgas verwendet wird: da die Abgastemperatur dann am Abgas-Wärmetauscher in jedem möglichen Betriebszustand kleiner als die maximale Bauteiltemperatur ist, wird praktisch immer eine möglichst hohe Dampftemperatur eingeregelt. Da in diesem Fall der benötigte Massenstrom, um die entsprechende Dampftemperatur darstellen zu können, aufgrund eines Sättigungsverhaltens nicht eindeutig ist, wird vor dem Integrator mit dem Manipulationswert eingegriffen, so dass wirklich der maximale Massenstrom mit der geforderten Temperatur eingeregelt wird. Dieser Manipulationswert ist abhängig von der Abgastemperatur am Verdampfereintritt, der aktuellen Dampftemperatur nach dem Verdampfer und vom aktuellen Massenstrom des Dampfmediums. Ist eine nahe an der Gaseintrittstemperatur geforderte Dampftemperatur erreicht, der Massenstrom durch den Wärmetauscher/Verdampfer aber relativ klein, wird der Verdampfer in Sättigung betrieben und es ist ein höherer Massendurchsatz bei gleicher Dampftemperatur möglich. Daher soll ein additiver, positiver Wert am Integratoreingang den Massenstrom erhöhen, wobei dieser Manipulationswert mit steigendem Massenstrom wieder sinken soll. Wenn die Dampftemperatur unter die Solltemperatur fällt, wird der Manipulationswert auf Null gesetzt, wobei nun der übergeordnete Temperaturregler die geforderte Dampftemperatur einregelt und ein maximaler Massenstrom bei dieser Temperatur mit der größtmöglichen erzielbaren Dampfmenge erreicht wird. Sinkt (zum Beispiel aus numerischen Gründen) der Massenstromsollwert und somit der aktuelle Massenstrom, so wird der Manipulationswert wieder aktiv und der Massenstrom steigt wieder an. Es muss aber darauf geachtet werden, dass der Manipulationswert klein genug gewählt wird, damit der Temperaturregler den Sollwert einregeln kann.
  • Ein weiterer schneller Eingriff in die Regelung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, dass Wandtemperaturen am Wärmetauscherverdampfer gemessen werden, um gegebenenfalls schnell eine Flüssigkeits-/Dampfgrenze zu ermitteln, so dass einem Absinken der Arbeitsmedien-Austrittstemperatur unter die Sattdampftemperatur schnell entgegengewirkt werden kann. Ein solcher Eingriff kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise die Verdampferaustrittstemperatur mit sehr hohem Gradienten abfällt, wodurch ohne diesen Eingriff die relativ träge Temperaturregelung nicht mehr in der Lage ist, die Temperatur über der Sattdampftemperatur zu halten. Für die Ermittlung der Flüssigkeits-/Dampfgrenze kann die Wandtemperatur in der Nähe des Medieneintritts, in der Mitte zwischen Mediumeintritt und Mediumaustritt sowie in der Nähe des Mediumaustritts gemessen werden, damit vorzeitig auf ein Absinken der Austrittstemperatur reagiert werden kann. Dies setzt voraus, dass mit der Wandtemperatur mit möglichst geringer Verzögerung auf die internen Temperaturverhältnisse geschlossen werden kann.
  • Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich im Wesentlichen auf einen eingeregelten Expanderbetrieb mit einer über der Sattdampftemperatur geregelten Solldampftemperatur. Um diesen angestrebten Zustand in einem Anfahrprozess möglichst schnell und effizient zu erreichen werden folgende Verfahrensschritte vorgeschlagen:
    1. a) Aufwärmvorgang (Arbeitsmedium flüssig)
      Der Aufwärmvorgang erfolgt temperaturbasiert und temperaturgeregelt, indem die Arbeitsmedium-Solltemperatur stufenweise oder kontinuierlich je nach der Heizmedium-Eintritttemperatur am Wärmetauscher und dem Heizmedium-Massenstrom bis zur Sattdampftemperatur erhöht wird.
    2. b) Verdampfungsprozess
      Im Verdampfungsprozess ist das Arbeitsmedium (nach dem Wärmetauscher) teilweise gasförmig und teilweise flüssig bei jeweils gleicher Sattdampftemperatur, so dass hier keine temperaturbasierte Regelung eingesetzt werden kann. Die Sattdampftemperatur ist grundsätzlich eine Funktion des Drucks und kann leicht ermittelt werden. Der Verdampfungsprozess wird daher nur durch eine Arbeitsmedium-Massenstrom-Regelung geführt. Der Verdampfungszustand wird durch den vorhergehenden, temperaturgeregelten Aufwärmvorgang erreicht, wobei der Arbeitsmedium-Massenstrom der Temperaturregelung zum Zeitpunkt des Umschaltens auf die reine Massenstromregelung als Sollwert übernommen wird. Durch Anpassung an die sich ständig verändernden Betriebsparameter, beispielsweise von Abgaseintrittstemperaturen und eines Abgasmassenstroms, soll über Kennfelder sichergestellt werden, dass der Arbeitsmedium-Kreislauf nicht wieder in den einphasigen, flüssigen Zustand zurückfällt. Dann wird durch zeitlich gesteuertes, stufenweises Absenken des Arbeitsmedium-Massenstroms die Überhitzungsphase eingeleitet und der Überhitzungsprozess erreicht. Fällt aber die Temperatur wieder unter die Sattdampftemperatur, so wird wieder auf die Temperaturregelung des Aufwärmvorgangs umgeschaltet, wobei der Temperaturregler so initialisiert wird, dass der zum Zeitpunkt des Umschaltens vorherrschende Massenstrom eingestellt wird.
    3. c) Überhitzungsprozess
      Die Arbeitsmedien-Dampftemperatur wird über die Sattdampftemperatur temperaturgeregelt bis zu der für den Expanderbetrieb vorgegebenen Arbeitsmedium-Dampftemperatur erhöht.
    4. d) Expanderbetrieb
      Es erfolgt eine Umschaltung auf den Expanderbetrieb in Verbindung mit einer Regelung, wie sie vorstehend in Verbindung mit dem Expanderbetrieb erläutert wurde.
  • Bei einem besonders bevorzugten Verfahren ist das Heizmedium sowohl ein nach einer Abgasnachbehandlung der Umgebung zugeführtes Abgas (AG) aus einer Fahrzeugbrennkraftmaschine als auch ein rückgeführtes Abgas (AGR), wobei beiden Abgasarten ein eigener Wärmetauscher mit vorgeschalteten Regelventilen und einer jeweils darauf wirkenden Regelung zugeordnet ist. Werden alternativ oder zusätzlich andere Heizmedien, wie beispielsweise ein Motorkühlmittel und/oder ein eine Ladeluft in einem Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf verwendet, sind die vorstehenden Verfahren zur Regelung entsprechend und dem jeweiligen Heizmedium angepasst zu verwenden.
  • Wenn aus Kostengründen der Massenstrom für das rückgeführte Abgas nicht durch eine entsprechende Massenstrommessung ermittelt werden kann, besteht folgende kostengünstige Berechnungsmöglich unter Verwendung eines Motorsteuergeräts: Das Motorsteuergerät berechnet, basierend auf einer Kombination des Liefergrads mit völlig geschlossener beziehungsweise völlig geöffneter Abgasrückführ-Klappe (AGR-Klappe) den Ansaugluftmassenstrom. Aus den Motorsteuergerät-Werten für den theoretischen Luftmassenstrom und den berechneten Luftmassenstrom (dmair) kann wie folgt der AGR-Massenstrom dargestellt werden: dm AGR = dm air , th ⁢ sf NP - dm air
    Figure imgb0001
    • dmair, th...
    theoretischer Luftmassenstrom
    SfNP...
    Liefergrad bei geschlossener AGR-Klappe
    dmAGR...
    AGR-Massenstrom
  • Anhand einer Zeichnung wird ein Verfahren zur Regelung mit Abgas als Heizmedium weiter erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Wärme-Rückgewinnungs-Kreislaufs,
    Fig. 2
    eine Temperaturregelung mit Vorsteuerung und unterlagertem Massenstromregler, und
    Fig. 3
    eine Anpassung des Massenstromreglers zur Massenstrommaximierung.
  • In Fig. 1 ist ein Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf 1 als Blockschaltbild dargestellt, wobei als Arbeitsmedium Wasser/Dampf und als Heizmedium rückgeführtes Abgas AGR und nach einer Abgasnachbehandlung der Umgebung zugeführtes Abgas AG verwendet wird. Links von der strichlierten Linie (Pfeil 2) ist der flüssige Bereich des Kreislaufs und rechts von der strichlierten Linie (Pfeil 3) ist der dampfförmige Bereich des Kreislaufs dargestellt.
  • Von einem Vorratstank VR wird mit einer Speisepumpe SP das Arbeitsmedium über einen Verteiler VT mit zwei Strömungsleitungen über zugeordnete proportional Regelventile V1 und V2 durch einen AGR-Wärmetauscher (AGR-WT) und einen parallelen AG-Wärmetauscher (AG-WT) geleitet. Durch den AGR-Wärmetauscher wird im Gegenstrom AGR-Abgas und durch den AG-Wärmetauscher entsprechend AG-Abgas geleitet. Am Eintritt werden sowohl die AGR-Eintrittstemperatur T1 des AGR-Abgases als auch die AG-Eintrittstemperatur T3 des AG-Abgases gemessen. Der AGR-WT und der AG-WT werden im eingefahrenen Betrieb als Verdampfer betrieben, wobei die die Dampfaustrittstemperaturen T2 und T4 sowie nach einer Zusammenführung die Dampftemperatur T5 erfasst werden. Zudem werden der Druck P0 nach der Speisepumpe sowie die Drücke P1 und P2 jeweils nach den Proportionalregelventilen V1 und V2 sowie der Druck P6 vor einem Umschaltventil V3 erfasst. Bei geringem Druckverlust Δp über die Verdampfer (AGR-WT, AG-WT) reicht auch die Messung des Druckes P1 und/oder P2. Der Arbeitsmediumdampf wird im eingefahrenen Zustand mit dem Ventil V3 im Expanderbetrieb einer Expansionsmaschine E zugeführt und gelangt von dort in einen Kondensator K, in dem der Dampf zur Flüssigkeit abkühlt und mittels einer Kondensator-Absaugpumpe KP und einem Filter F wieder dem Vorratstank VR zugeführt wird. Wenn für einen Betrieb der Expansionsmaschine E insbesondere in einem Anfahrzustand noch nicht ausreichend Dampf vorliegt erfolgt eine Leitung über ein Drosselventil V4.
  • Der Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf 1 wird durch Variation des Arbeitsmediumdurchgangs durch die Proportionalregelventile V1, V2 geregelt und/oder gesteuert.
  • In Fig. 2 ist dazu ein Temperaturregler 4 mit unterlagertem Massenstrom-Regler (dm-Regler) 5 für das Arbeitsmedium als Dampfmedium dargestellt. Die Regelung ist hier für den AGR-WT dargestellt, wobei die gleiche Regelung auch für den AG-Zweig erforderlich ist. Am Eingang des Temperaturreglers erfolgt der Vergleich zwischen dem Dampftemperatur-Sollwert im AGR-Zweig und dem entsprechenden Dampftemperatur-Istwert, wobei eine Regelabweichung entsprechend dem geltenden Reglerverhalten als Stellsignal abgegeben wird. Dieses Stellsignal wird im unterlagerten Massenstrom-Regler 5 als Massenstrom-Sollwert für das Dampfmedium (dmsoll) verwendet für den Vergleich mit dem entsprechenden Massenstrom-Istwert (dmist), wobei entsprechend dem eingestellten Reglerverhalten (PI-Regler) der dm-Regler 5 ein Stellsignal an das AGR-Proportionalregelventil V1 abgibt.
  • Zur Verbesserung der Regelungsqualität wird hier zudem mit einer Vorsteuerung 6 der Massenstrom-Sollwert beeinflusst und korrigiert, wobei die Vorsteuerung 6 insbesondere auf Änderungen der Heizmedium-Seite (AGR) reagiert. Als Korrekturparameter sind dabei hier der Vorsteuerung neben dem Dampftemperatur-Sollwert die AGR-Eintrittstemperatur TAGR entsprechend T1 aus Fig. 1 zugeführt. Weitere Korrekturparameter sind der Druck vor der Expansionsmaschine Pdampf (entsprechend P6 aus Fig. 1 oder zusätzlich unmittelbar vor der Expansionsmaschine E gemessen), sowie der AGR-Massenstrom dmAGR, welcher beispielsweise mittels Werten aus der Motorsteuerung (EDC) berechnet wird.
  • In Fig. 3 ist der Massenstrom-Regler 5 (dm-Regler) aus Fig. 2 mit weiteren Einzelheiten detailliert dargestellt. Als Massenstrom-Regler 5 wird ein Proportional-Integral-Regler verwendet. Zur Maximierung des Dampfmedium-Massenstroms wird hier der Eingang des Integrators (I-Regler) mit einem Manipulationswert aus einer Massenstrom-Anpassungseinheit 9 beaufschlagt.
  • In Fig. 3 wird speziell die Massenstrom-Anpassung in der Regelung für den AG-Zweig mit dem AG-Wärmetauscher betrachtet (die Regelung im parallelen AGR-Zweig soll entsprechend ausgeführt werden).
  • Der Massenstrom-Anpassungseinheit 9 werden die gasseitige AG-Eintrittstemperatur TAG sowie der Sollwert und Istwert des Arbeitsmediums für die AG-WT-Austrittstemperatur zugeführt. Weiter wird bei der Massenstromanpassung 9 der Massenstrom-Istwert für das Dampfmedium dmist berücksichtigt.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Regelung eines Wärme-Rückgewinnungs-Systems (WRG-Systems) in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Nutzfahrzeug,
    mit einem Wärme-Rückgewinnungs-Kreislauf (1) als Arbeitskreislauf, der einen Vorratstank (VR) mit einem Arbeitsmedium aufweist, der über eine Speisepumpe (SP) mit wenigstens einem Regelventil (V1, V2) verbunden ist, dem jeweils ein Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) als Verdampfer zugeordnet ist, und der Arbeitskreislauf weiter eine dem wenigstens einen Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) nachgeschaltete Expansionsmaschine (E) aufweist, auf die ein Kondensator (K) mit einer Verbindung über eine Kondensatorabsaugpumpe (KP) zum Vorratstank (VR) folgt, wobei der wenigstens eine Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) sowohl von einem Arbeitsmedium-Massenstrom als auch von einem Heizmedium-Massenstrom einer Wärmequelle durchströmt wird, dergestalt dass nach einem Aufwärmvorgang (flüssiger Zustand des Arbeitsmediums) und einem anschließenden Verdampfungsprozess (Arbeitsmedium teilweise flüssig und teilweise dampfförmig) in einem Überhitzungsprozess (Arbeitsmedium dampfförmig über der Sattdampftemperatur) Arbeitsmedium-Dampf nach einer Umschaltung auf Expanderbetrieb der Expansionsmaschine (E) zu deren Antrieb zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei durch den Fahrzeugbetrieb vorgegebenem Heizmedium-Massenstrom und vorgegebener Heizmedium-Temperatur auf einen vorbestimmten Dampftemperatur-Sollwert und/oder Phasenzustand für das Arbeitsmedium durch Variation des Arbeitsmedium-Massenstroms durch den wenigstens einen Wärmetauscher/Verdampfer (AGR-WT, AG-WT) mittels Verstellung des Regelventildurchgangs (V1, V2) geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmedium-Massenstrom-Istwert durch das wenigstens eine Regelventil (V1, V2) mit Hilfe des Ventilkennfelds unter Berücksichtigung der aktuellen Ventilstellung, des aktuellen Druckabfalls über dem Regelventil (V1, V2) und der aktuellen Arbeitsmedium-Temperatur am Regelventil (V1, V2) berechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Regelventil (V1, V2) ein Proportional-Regelventil ist, welches über ein pulsweiten-moduliertes Signal (PWM-Signal) angesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem wenigstens einen Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) mittels eines Umschaltventils (V3) ein direkter Strömungsweg zur Expansionsmaschine (E) oder ein Strömungsweg über ein Drosselventil (V4) schaltbar ist, wobei das Arbeitsmedium beim Aufwärmvorgang und anschließenden Verdampfungsprozess mit teilweise flüssigem und gasförmigem Arbeitsmedium über den Drosselventil-Strömungsweg und erst beim Erreichen einer bestimmten Überhitzungstemperatur über der Sattdampftemperatur durch Umschalten auf den Expanderbetrieb direkt zur Expansionsmaschine (E) geleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Expanderbetrieb dem auf einen optimalen Dampftemperatur-Sollwert des Arbeitsmediums regelnden Arbeitsmedium-Temperaturregler (4) ein Arbeitsmedium-Massenstromregler (dm-Regler 5) unterlagert ist, wobei der Arbeitsmedium-Temperaturregler-Ausgangswert als Arbeitsmedium-Massenstrom-Sollwert (dmsoll) am Eingang des unterlagerten Arbeitsmedium-Massenstrom-Reglers (dm-Regler 5) anliegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmedium-Massenstrom-Sollwert (dmsoll) zusätzlich durch eine Vorsteuerung (6) korrigiert wird, die auf Änderungen der Heizmediumseite reagiert, wobei als Korrekturparameter insbesondere der Heizmedium-Massenstrom (dmAGR) und/oder die Heizmedium-Eintrittstemperatur (TAGR) am Wärmetauscher (AGR-WT) und/oder der Arbeitsmedium-Druck (PDampf) vor der Expansionsmaschine (E) in der Vorsteuerung (6) für eine Korrektur ausgewertet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    dass als Arbeitsmedium-Massenstrom-Regler (5) ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) oder Proportional-Integral-Differential-Regler (PID)-Regler verwendet ist, und
    dass zur Arbeitsmedium-Massenstrom-Maximierung der Eingang des Integrators (8) des PI-Reglers oder PID-Reglers zusätzlich mit einem Manipulationswert beaufschlagt wird, der abhängig von der Heizmedium-Temperatur (TAG) am Wärmetauschereingang, der aktuellen Arbeitsmedium-Dampftemperatur (TpG-Medium,ist) nach dem Wärmeauscher (AG-WT) und vom aktuellen Arbeitsmediumdampf-Massenstrom (dmist) gesteuert wird, dergestalt
    dass beim Erreichen einer optimalen Arbeitsmedium-Dampftemperatur nahe an der Heizmedium-Temperatur am Wärmetauschereingang und bei einem relativ kleinen Arbeitsmedium-Massenstrom ein positiver Manipulationswert generiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandtemperaturen am wenigstens einen WärmetauscherNerdampfer (AGR-WT, AG-WT) gemessen werden, um gegebenenfalls schnell eine Flüssigkeits-/Dampfgrenze zu ermitteln und einem Absinken der Arbeitsmedium-Austrittstemperatur unter die Sattdampftemperatur schnell entgegenwirken zu können.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    dass zum Erreichen eines eingeregelten Expanderbetriebs folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:
    a) Aufwärmvorgang
    Der Aufwärmvorgang erfolgt temperaturbasiert und temperaturgeregelt, indem die Arbeitsmedium-Solltemperatur stufenweise oder kontinuierlich je nach der Heizmedium-Eintritttemperatur am Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) und dem Heizmedium-Massenstrom bis zur Sattdampftemperatur erhöht wird.
    b) Verdampfuncisprozess
    Im Verdampfungsprozess ist das Arbeitsmedium nach dem Wärmetauscher (AGR-WT, AG-WT) gasförmig und flüssig mit der Sattdampftemperatur und beim Erreichen der Sattdampftemperatur wird auf eine Arbeitsmedium-Massenstrom-Regelung umgeschaltet, wobei durch Absenken des Arbeitsmedium-Massenstroms mittels des Regelventils (V1, V2) eine Temperaturerhöhung erfolgt, der 2-phasen Zustand verlassen wird und der Überhitzungsprozess erreicht wird.
    c) Überhitzungsprozess
    Die Arbeitsmedium-Dampftemperatur wird temperaturgeregelt über die Sattdampftemperatur bis zu der für den Expanderbetrieb vorgegebenen Arbeitsmedium-Dampftemperatur erhöht.
    d) Expanderbetrieb
    Es erfolgt eine Umschaltung auf den Expanderbetrieb in Verbindung mit einer Regelung entsprechend der Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium ein nach einer Abgasnachbehandlung der Umgebung zugeführtes Abgas (AG) und rückgeführtes Abgas (AGR) aus einer Fahrzeugbrennkraftmaschine ist, wobei beiden Abgasarten (AG und AGR) jeweils ein eigener Wärmetauscher (AG-WT und AGR-WT) mit jeweils vorgeschalteten Regelventilen (V1 und V2) und einer jeweils darauf wirkenden Regelung zugeordnet ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,'dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom für das rückgeführte Abgas (AGR-Massenstrom) aus dem vom Motorsteuergerät (EDC) berechneten Ansaugluft-Massenstrom abgeleitet wird.
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