WO2014117914A1 - Verfahren zum betreiben einer abwärmenutzungsvorrichtung - Google Patents

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WO2014117914A1
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waste heat
heat recovery
working medium
recovery circuit
cooling
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PCT/EP2014/000067
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Andreas Franke
Jan GÄRTNER
Thomas Koch
Dominik Mall
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Daimler Ag
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Waste heat utilization device for an internal combustion engine of a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an associated waste heat utilization device according to the preamble of claim 4.
  • Waste heat recovery circuit in which a working medium circulates.
  • Waste heat recovery circuit is a carrier for conveying the liquid
  • Waste heat recovery circuit downstream of the carrier an evaporator arranged to evaporate the liquid working medium.
  • the evaporator withdraws the
  • an expansion machine for expanding the gaseous working medium to a low pressure is arranged downstream of the evaporator. Downstream of the expansion machine, a condenser for condensing the gaseous working medium is arranged in the waste heat recovery circuit.
  • the heat dissipation from the waste heat recovery circuit takes place in the condenser.
  • a cooling device which comprises a cooling circuit in which a coolant circulates and which is coupled in a heat-transmitting manner to the condenser.
  • Operating state of the Rankine cycle can be provided, which is configured so that it adjusts the amount of circulating in the Clausius-Rankine cycle working fluid by changing the condensation capacity of the capacitor device, in particular by changing the amount of the heat exchanger flowing through the cooling fluid.
  • a collector for storing the liquid working medium is arranged in the waste heat recovery circuit upstream of the carrier.
  • Waste heat recovery device is further provided to integrate the collector in the condenser.
  • a regulation of the waste heat recovery cycle in accordance with the current operating point of the waste heat recovery circuit by changing the
  • Capacitor power provided by means of a control valve in the cooling circuit.
  • Control causes a change in the working medium mass distribution in
  • Capacitor power based on the current operating point of the
  • Waste heat recovery circuit is slow and limited, e.g. in terms of high power output, optimized.
  • the working medium mass distribution is decisive for an optimized high pressure in the waste heat recovery circuit and thus for the gradient between high and low pressure on the expansion machine, in which it comes to the expansion machine for optimized power output.
  • the internal combustion engine as a heat source for operating the
  • Waste heat recovery device namely used for heat supply to the evaporator is often operated unsteadily or many different stationary
  • the present invention is concerned with the task of providing a waste heat utilization device or an associated operating method
  • the inventive method is characterized in that a basic control of the waste heat recovery circuit is provided which adjusts the mass flow of the carrier and / or the relationship between high pressure and low pressure on the expansion machine depending on a heat input into the working medium, and that a feedforward control is provided in addition that a change of
  • Operating point of the internal combustion engine detects and at a change of
  • Operating point of the internal combustion engine controls the condensation capacity of the condenser in accordance with an optimized to the new operating point mass distribution of the working fluid in the waste heat recovery circuit.
  • the waste heat utilization device is characterized by a basic control device with a control device which is connected to the carrier and / or the expansion machine for controlling or regulating the waste heat recovery device and by a pilot control device for the precontrol of
  • the invention is based on the general idea of combining a slow basic control with a fast-acting load change control or load change pilot control.
  • a pump and / or an expander control is provided as a basic regulation.
  • the carrier is a
  • volumetric pump characterized by the fact that its flow rate is independent of the back pressure and in particular depends only on their speed.
  • the high pressure in the waste heat recovery circuit is determined in this case by the expansion machine.
  • it is provided during a transient operating state of
  • the condensation power of the capacitor can be temporarily changed so that a distribution of the mass of the liquid working medium and the mass of the gaseous working fluid in the waste heat recovery circuit of an old operating point associated with the old
  • the operating points of the internal combustion engine can be, for example, by the
  • association between the operating point of the internal combustion engine and the mass distribution value is carried out by means of at least one characteristic curve or at least one characteristic map. Maps or
  • Characteristics are proven in practice and can in particular be determined empirically in order to obtain reliable associations between the mass distribution values and the operating points.
  • To change the condensation capacity of the capacitor can be provided according to an advantageous embodiment, to change the cooling capacity of a cooling device, which is heat-transmitting coupled to the capacitor.
  • Embodiment of the method the control of the condensation power of the capacitor by means of a change in a mass flow of a coolant in the condenser takes place.
  • A due to an operating point change of the internal combustion engine, expected change in the heat supply to the waste heat recovery circuit causes the Vorêtung to a change in heat dissipation from the
  • Waste heat recovery circuit Ie.
  • the pilot control adjusts the external influences of the waste heat recovery cycle early on. Therefore, the basic control of the waste heat recovery circuit can work without fast and big change.
  • the mass flow of a coolant can be changed, which circulates in a cooling circuit coupled in a heat-transmitting manner to the condenser.
  • it can be optionally provided to change the flow rate of the coolant, in particular the rotational speed, of a conveying device which is arranged in the cooling circuit and drives the coolant.
  • the cooling capacity control device is designed as a controllable cooling circuit pump. This is typically already present in the cooling circuit, so that no additional component is needed.
  • Cooling capacity control device designed as a controllable bypass of the condenser cooling circuit.
  • Cooling medium quantity to be regulated Cooling medium quantity to be regulated.
  • the change in the mass distribution of the working medium is detected by means of a fill level measuring device arranged in the collector.
  • a fill level measuring device arranged in the collector.
  • Level measuring device provided. This provides an easy way to determine the success of the process and the achievement of a target value. Alternatively, a theoretical level determination via a map or by calculation is possible.
  • a temperature measuring device for measuring at least one temperature of a coolant which is provided in a cooling circuit for discharging heat from the condenser
  • Cooling device circulates and is the control device with the
  • Temperature measuring device coupled and for changing the cooling capacity of
  • Cooling device designed and / or programmed. This allows the temperature of the Coolant can be detected to determine the required cooling capacity per unit time coolant mass.
  • the cooling capacity of the coolant can be adjusted so that the average value of flow temperature and return temperature of the coolant on
  • Condenser in particular by a predetermined value, below the dew point of the working medium is located.
  • the device therefore has the
  • Temperature measuring device a flow temperature sensor for detecting the
  • the inventive waste heat utilization device is equipped with a control device which is coupled to a control unit, in particular with an engine control unit, the internal combustion engine and for controlling and / or regulating a
  • the control device is programmed or configured so that they are at a change of an old
  • the condensation power of the capacitor temporarily changed so that a distribution of the mass of the liquid working medium and the mass of the gaseous working fluid in the waste heat recovery circuit of the old operating point associated old mass distribution value to a new
  • a cooling device for removing heat from the condenser may be provided, in which case the control device for controlling and / or regulating a cooling capacity of the cooling device is configured or programmed depending on the level of the liquid working medium in the collector.
  • a particularly compact design for the waste heat utilization device can be achieved if a collector, which is provided in the waste heat recovery circuit upstream of the carrier for storing the liquid working medium, is formed in a housing of the condenser. Collector and condenser are then integrated into each other.
  • the sole FIGURE 1 shows a circuit diagram-like schematic representation of a waste heat utilization device.
  • a waste heat utilization device 1 has a waste heat recovery circuit 2, in which a working medium 3 circulates.
  • a carrier 4, an evaporator 5, an expansion machine 6 and a condenser 7 are arranged one behind the other in the circulation direction.
  • a collector 8 is arranged, which is integrated in the example of FIG. 1 in the capacitor 7.
  • the collector 8 and the capacitor 7 are arranged in a common housing 9.
  • the carrier 4 serves to convey the liquid working medium against a high pressure.
  • the carrier 4 is, for example, drive-connected to a motor 10.
  • the evaporator 5 serves to evaporate the liquid working medium.
  • the heat input into the waste heat recovery circuit 2 is indicated by an arrow 12.
  • the expansion machine 6 serves to expand the gaseous working medium to a low pressure.
  • the expansion machine 6 is controllable, so that with their help, the high pressure, the low pressure and / or the delta between high pressure and low pressure are adjustable.
  • the expansion machine 6 provides mechanical work that can be used, for example, to drive a generator 13.
  • the condenser 7 serves to condense the gaseous working medium.
  • the working medium or the waste heat recovery circuit 2 heat heat is withdrawn. This heat removal from the waste heat recovery circle 2 is indicated by an arrow 14.
  • the collector 8 is used for storing the liquid working medium. 3
  • waste heat of the internal combustion engine 1 1 can be used, for example, to drive the generator 13 or an accessory of the engine or to support the engine in their drive power.
  • the evaporator 5 is heat-transmitting coupled to an exhaust system 15, which dissipates the exhaust gases during operation of the internal combustion engine 11.
  • the evaporator 5 is coupled in the example with an exhaust manifold 16 of the exhaust system 15 heat transfer, which absorbs the coming of the internal combustion engine 1 1 exhaust gas and quasi forms the inlet region of the exhaust system 15.
  • the proposed solution is particularly advantageous for this exhaust heat utilization, since here the heat supply varies greatly depending on the operating point of the internal combustion engine.
  • the waste heat utilization device 1 uses several or other heat sources of the internal combustion engine.
  • the evaporator 5 may be arranged in the exhaust line after the catalyst or in an exhaust gas recirculation or the evaporator may use the waste heat of the cooling water.
  • the internal combustion engine 11 is equipped with a fresh air system 17, which is connected via a fresh air manifold 18 to the internal combustion engine 11. A fresh air flow is indicated by an arrow 19. An exhaust gas flow is indicated by an arrow 20.
  • the internal combustion engine 11 is, for example, a piston engine, which is indicated by cylinder 21.
  • the waste heat utilization device 1 can optionally be equipped with a fill level measuring device 22, with the aid of which a level or fill level 23 can be measured which the liquid working medium 3 has in the collector 8.
  • Such a level measuring device 22 can, for example, as a float,
  • Vibration sensor Vibration sensor, rotary vane switch, electromagnetic system,
  • Pressure measuring device hydrostatic measuring device, differential pressure measuring device, conductivity measuring device, capacitive measuring device, optical measuring device, ultrasonic device, microwave device, radar device or radiometric device may be formed.
  • the waste heat utilization device 1 is equipped with a control device 24, the input side via a corresponding signal line 25 may be coupled to the level measuring device 22, for example.
  • the control device 24 is also coupled to a control unit 43, which provides parameters that correlate with the current operating point of the internal combustion engine 11. For example, a speed of the internal combustion engine and / or a load of the internal combustion engine can be used to describe the current operating point of the internal combustion engine. Such parameters can be retrieved, for example, in an engine control unit, which is used for operating the internal combustion engine.
  • the control unit 43 is thus preferably such an engine control unit.
  • the control device 24 is now designed or programmed so that it changes the condensation power of the capacitor 7 in such a way that changes a distribution of the mass of the liquid working medium 3 and the.
  • Mass of the gaseous working medium 3 in the waste heat recovery circuit 2 shifts from a old mass distribution value assigned to the old operating point to a new mass distribution value assigned to the new operating point.
  • this change in condensation performance is not permanent but for a temporary period until the new mass distribution value associated with the new operating point is reached. If the operating point shifts again, the control device changes the condensation power again in accordance with the requirements of the new operating point. It can the
  • Condensation during operating point change a fixed value or a variable value, such as beispeweise a condensation performance curve, be assigned.
  • the control device 24 can influence or change the condensation capacity of the condenser 7, which has a direct effect on the mass distribution of the liquid working medium 3 and the gaseous working medium 3 within the waste heat recovery circuit 2 and thus also on the fill level 23.
  • the waste heat utilization device 1 is equipped with a cooling device 26, which is heat-transmitting coupled to the condenser 7 to allow the heat extraction 14.
  • the heat extraction 14 correlates with the cooling capacity of the cooling device 26 on the heat exchanger 28. Consequently, the control device 24 for changing the condensation capacity of the condenser 7 can change the cooling capacity of the cooling device 26 on the heat exchanger 28.
  • the cooling device 26 has a cooling circuit 27 in which a coolant circulates.
  • the cooling circuit 27 is coupled heat-transmitting to the condenser 7, for example via a heat exchanger 28.
  • a coolant delivery device for driving the coolant in the cooling circuit 27 is typically arranged.
  • the coolant delivery device is designed as a cooling capacity control device 29.
  • the cooling circuit 27 also contains a cooler 30, which can typically be acted upon by an air flow 31 indicated by arrows in order to extract heat from the coolant.
  • the control device 24 may now be coupled to the cooling power control device 29 via a corresponding control line 32.
  • the control device 24 can control the cooling power control device 29 via the control line 32.
  • the cooling capacity control device 29 is designed as a controllable coolant delivery device.
  • the control device 24 can vary the delivery rate of the coolant delivery device, for example its rotational speed, via the control line 32.
  • the cooling capacity control device 29 is formed as a controllable coolant bypass.
  • the coolant bypass 29 connects a leading to the capacitor 7 leading 36 of the cooling circuit 27 with a leading away from the condenser 7 return 37 of the cooling circuit 27 and bypasses the heat exchanger 28.
  • the flow rate of the coolant bypass 29 By changing the flow rate of the coolant bypass 29, the distribution of the mass flow of the coolant between the Flow 36 and coolant bypass 39 are changed in the cooling circuit 27, which changes the cooling capacity of the cooling device 26 on the heat exchanger 28 and thus on the capacitor 7.
  • a temperature measuring device 33 is provided in the embodiment shown here.
  • the temperature measuring device 33 includes two temperature sensors, namely a flow temperature sensor 34 and a return temperature sensor 35.
  • the flow temperature sensor 34 is arranged in a flow 36 of the cooling circuit 27 leading to the condenser 7.
  • the return temperature sensor 35 is arranged in a leading away from the condenser 7 return 37 of the cooling circuit 27.
  • the control device 24 is coupled to the temperature sensors 34, 35 or to the temperature measuring device 33.
  • the tax Form 24 an average value of flow temperature and return temperature and use this average value as the coolant temperature.
  • This coolant temperature correlates with the cooling capacity of the cooling circuit 27.
  • the cooling circuit 27 can be designed, for example, as a partial circuit of the cooling circuit of the internal combustion engine, as an internal combustion engine cooling circuit or as a separate condenser cooling circuit.
  • a pressure sensor 39 is indicated in the example, which can measure the pressure in the gaseous working medium between the expansion machine 6 and capacitor 7. Via a corresponding signal line 40, the pressure sensor 39 is connected to the control device 24 in connection. This makes it possible for the control device to more accurately determine the pressure-dependent condensation power required.
  • the illustrated waste heat utilization device 1 combines a basic control with an (independently operating) active feedforward control.
  • a regulation of the basic setting of the waste heat recovery circuit 2 via the controllable expansion machine 6 is provided.
  • a regulation of the basic setting of the waste heat recovery circuit 2 can be provided via a controllable carrier 4.
  • This basic control is optimized for the current operating point of the waste heat recovery circuit 2.
  • the basic setting is carried out with the aim of the highest possible efficiency of the waste heat recovery circuit 2 (as well as a scheme under optimization of other features is conceivable).
  • This basic regulation reacts relatively slowly. At a load change of the internal combustion engine 1 1 and an associated changed heat input into the waste heat recovery circuit 2, this scheme can only relatively slowly adapt to the new operating point. In the transition phase, the performance of the waste heat recovery circuit 2 is not optimal.
  • an active pilot control of the waste heat recovery circuit 2 in response to operating parameters of the internal combustion engine 1 1 is provided, which is intended to compensate in advance or compensate for a, caused by an operating point change of the internal combustion engine 1 1 detuning the waste heat recovery circuit 2.
  • the mass distribution of the working medium in the waste heat recovery circuit 2 is changed and adjusted to the new operating point of the internal combustion engine 1 before the changed heat input into the waste heat recovery circuit 2 detunes it. This is achieved by changing the condensation capacity of the capacitor 7.
  • the condensation power of the capacitor 7 can be controlled or regulated with the goal that when changing from an old operating point of the internal combustion engine 11 to a new operating point of the internal combustion engine 11, the condensation capacity of the capacitor 7 variable (eg temporarily for a predetermined Period, permanent or variable) is changed, such that a distribution of the mass of the liquid working medium 3 and the mass of the gaseous working medium 3 in the waste heat recovery circuit 2 shifts from an old operating point associated with the old mass distribution value to the new operating point associated with new mass distribution value.
  • the condensation capacity of the capacitor 7 variable eg temporarily for a predetermined Period, permanent or variable
  • the control device 24 receives from the control unit 43 over time changing data of the current operating point of the internal combustion engine. With the aid of at least one characteristic curve 44 or by means of at least one characteristic map 44, the control device 24 can determine a corresponding mass distribution value for the respective operating point and adjust the cooling capacity of the cooling device 26 or the condensation capacity of the condenser 7 depending on this.
  • the control device 24 now actively counteracts this by already increasing the cooling capacity of the cooling device 26 when the operating point of the internal combustion engine 1 changes and before the associated changed heat input reaches the waste heat recovery circuit 2 so as to increase the condensation capacity of the condenser 7. As a result, more liquid working fluid can be generated, which compensates for the mass shift or anticipates the required balance.
  • the consideration presented here of a change in the operating points of the internal combustion engine 11 causes a pre-control for shifting the mass distribution within the waste heat recovery circuit 2 in order to reduce the expected negative effects of the changed operating point on the high pressure and thus on the vote of the system, so that the control effort of the basic control which is actually required can be reduced and the time required for the adaptation of the waste heat utilization device 1 to the new operating point is considerably reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (11) eines Kraftfahrzeugs. Dabei beinhaltet die Abwärmenutzungsvorrichtung (1) einen Abwärmenutzungskreis (2), in dem ein Arbeitsmedium (3) zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis (2) sind eine Fördermaschine (4) ein Verdampfer (5), eine Expansionsmaschine (6) zur Erzeugung mechanischer Energie und ein Kondensator (7) angeordnet. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad bzw. durch eine rasche Adaption an Schwankungen der dem Verdampfer zur Verfügung stehenden Wärmemenge auszeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Grundregelung des Abwärmenutzungskreises (2) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit eines Wärmeeintrags (12) in das Arbeitsmedium (3) den Massenstrom an der Fördermaschine (4) und/oder das Verhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck an der Expansionsmaschine (6) einstellt, und dass ergänzend dazu eine Vorsteuerung vorgesehen ist, die einen Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (11) erkennt und bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (11) die Kondensationsleistung des Kondensators (7) nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis (2) steuert.

Description

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

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine
Brennkraftmaschine (11) eines Kraftfahrzeugs,
wobei die Abwärmenutzungsvorrichtung (1) beinhaltet:
- einen Abwärmenutzungskreis (2), in dem ein Arbeitsmedium (3) zirkuliert,
- eine im Abwärmenutzungskreis (2) angeordnete Fördermaschine (4) zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (2) stromab der Fördermaschine (4)
angeordneten Verdampfer (5) zum Verdampfen des Arbeitsmediums,
- eine im Abwärmenutzungskreis (2) stromab des Verdampfers (5) angeordnete Expansionsmaschine (6) zur Erzeugung mechanischer Energie durch
Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (2) stromab der Expansionsmaschine (6) angeordneten Kondensator (7) zum Kondensieren des gasförmigen
Arbeitsmediums,
dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Grundregelung des Abwärmenutzungskreises (2) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit eines Wärmeeintrags in das Arbeitsmedium (3) den Massenstrom an der Fördermaschine (4) und/oder das Verhältnis zwischen Hochdruck und
Niederdruck an der Expansionsmaschine (6) einstellt,
und dass ergänzend dazu
- eine Vorsteuerung vorgesehen ist, die einen Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (11) erkennt und bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (11) die Kondensationsleistung des Kondensators (7) nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis (2) steuert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung der Kondensationsleistung des Kondensators (7) mittels einer Veränderung eines Massenstroms eines Kühlmittels im Kondensator (7) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Veränderung der Massenverteilung des Arbeitsmediums mittels einer im Sammler angeordneten Füllstandsmesseinrichtung (22) erfasst wird.
4. Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine (11) eines
Kraftfahrzeugs, beinhaltend:
- einen Abwärmenutzungskreis (2), in dem ein Arbeitsmedium (3) zirkuliert,
- eine im Abwärmenutzungskreis (2) angeordnete Fördermaschine (4) zum Fördern des flüssigen Arbeitsmediums gegen einen Hochdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (2) stromab der Fördermaschine (4)
angeordneten Verdampfer (5) zum Verdampfen des Arbeitsmediums,
- eine im Abwärmenutzungskreis (2) stromab des Verdampfers (5) angeordnete Expansionsmaschine (6) zur Erzeugung mechanischer Energie durch
Expandieren des gasförmigen Arbeitsmediums auf einen Niederdruck,
- einen im Abwärmenutzungskreis (2) stromab der Expansionsmaschine (6) angeordneten Kondensator (7) zum Kondensieren des gasförmigen
Arbeitsmediums,
- einen Sammler (8) zum Bevorraten des kondensierten Arbeitsmediums,
- einen Kühlkreis (26) zum Kühlen des Kondensators (7),
- wobei die Fördermaschine (4) und/oder die Expansionsmaschine (6) regelbar · ausgebildet ist,
gekennzeichnet durch
- eine Grundregeleinrichtung mit einer Steuereinrichtung, die mit der
Fördermaschine (4) und/oder der Expansionsmaschine (6) zur Steuerung oder Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung (1) verbunden ist und durch
- eine Vorsteuereinrichtung zur Vorsteuerung der Kondensationsleistung des Kondensators (7), mit einer Steuereinrichtung (24), die auf eine
Kühlleistungsregeleinrichtung (29) wirkt und bei einem Wechsel des
Betriebspunktes der Brennkraftmaschine (11) die Kondensationsleistung des Kondensators (7) nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis (2) steuert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Sammler (8) eine Füllstandsmesseinrichtung (22) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlleistungsregeleinrichtung (29) als regelbarer Bypass des
Kondensatorkühlkreises ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
die Kühlleistungsregeleinrichtung (29) als regelbare Kühlkreispumpe ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Temperaturmesseinrichtung (33) zum Messen wenigstens einer Temperatur eines Kühlmittels vorgesehen ist, das in einem Kühlkreis (27) einer zum Abführen von Wärme vom Kondensator (7) vorgesehenen Kühleinrichtung (26) zirkuliert,
- dass die Steuereinrichtung (24) mit der Temperaturmesseinrichtung (33) gekoppelt und zum Verändern der Kühlleistung der Kühleinrichtung (26) ausgestaltet und/oder programmiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperaturmesseinrichtung (33) einen Vorlauftemperatursensor (34) zur Erfassung der Temperatur des Kühlmittels vor dem Kondensator (7) und einen Rücklauftemperatursensor (35) zur Erfassung der Temperatur des Kühlmittels nach dem Kondensator (7) aufweist.
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