WO2016041656A1 - Abwärmenutzungsanordnung einer brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer abwärmenutzungsanordnung - Google Patents

Abwärmenutzungsanordnung einer brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb einer abwärmenutzungsanordnung Download PDF

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WO2016041656A1
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WO
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working medium
expansion machine
pump
temperature
valve block
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Frank Heber
Manfred Schmitt
Mathias KURRAS
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Robert Bosch Gmbh
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    • F01K23/101—Regulating means specially adapted therefor

Definitions

  • Waste heat utilization arrangement wherein according to the invention sensors are arranged for determining temperatures and pressures of the working medium within the cycle of the waste heat recovery assembly and the thus determined
  • the exhaust heat utilization arrangements of internal combustion engines are known from the prior art, for example from the patent AT 512 921 Bl.
  • the known waste heat utilization arrangement comprises a working medium leading circuit, wherein in the circuit in the flow direction of the working medium, a pump, a distribution valve block, two evaporators, an expansion machine and a capacitor are arranged.
  • the two evaporators are in
  • the waste heat utilization arrangement comprises a circuit leading a working medium, wherein in the circuit in the flow direction of the working medium, a pump, a distribution valve block, at least two evaporators, a
  • the method comprises a circuit leading a working medium, wherein in the circuit in the flow direction of the working medium, a pump, at least one evaporator, an expansion machine and a condenser are arranged. Between the expansion machine and the condenser, an outlet temperature is determined from the expansion machine.
  • the method is characterized in that a control device regulates the pump in dependence on the outlet temperature from the expansion machine so that the
  • Expander for example, on the impeller of the expansion machine in the event that the expansion machine is a turbine, would result.
  • the optimized temperature difference in is for different operating states of the waste heat utilization arrangement
  • the respective operating state of the waste heat utilization arrangement is determined and the optimized temperature difference is regulated to those values which are stored in the characteristic field for the respective particular operating state. It should be noted that the use of multiple evaporators for each evaporator an associated exhaust gas temperature and an associated exhaust gas mass flow or an associated exhaust gas flow are stored in the map, which is then used in the operating state.
  • the optimized temperature difference is advantageously calculated as a function of the two exhaust gas state variables exhaust gas temperature and exhaust gas mass flow as follows:
  • Waste heat utilization arrangement and the robustness to condensation of the working medium in the expansion machine are thereby further increased.
  • control unit controls the distribution valve block and regulates the distribution of the mass flow of the working medium to the at least two evaporators by an extreme value control.
  • extreme value control can be in a comparatively simple way optimal distribution of
  • Mass flow of the working medium can be realized on the at least two evaporators.
  • a start signal is generated, the one
  • the response signal is the change of the
  • the control unit evaluates accordingly, as the response signal to the start signal behaves, so whether it is in phase or contrary to the phase.
  • Outlet temperature takes precedence over the secondary regulator, the regulator for the inlet pressure. So first, the priority for the efficiency and especially for the life of the waste heat recovery assembly size
  • a multi-variable regulator is used, the outlet temperature of the working medium from the expansion machine and the inlet pressure of the working medium in the
  • an inlet temperature of the vaporized before the expansion machine Simultaneously optimally regulates the expansion machine. This results in a very fast control of these two sizes.
  • Diverter valve block is then evaluated for the response signal, namely, the change in expander speed.
  • the bandpass allows the control unit from the response signal disturbances - such as changing acting on the output shaft loads - filter out.
  • the control of the pump and / or distribution valve block as a function of the expander speed is thus more robust compared to the disturbance variables.
  • Waste heat recovery arrangement each an exhaust gas temperature and a
  • Evaporator must exceed a certain limit temperature, if at a given exhaust gas mass flow and given exhaust gas temperature through this evaporator, a minimum temperature of the working medium is to be reached after the evaporator, which finally a minimum temperature of
  • Inlet temperature of the working medium in the pump also a kind of early indicator for the outlet temperature of the working medium from the expansion machine and can be used to advantage for driving the pump.
  • the Control of the outlet temperature of the working medium from the expansion machine is thereby faster in time.
  • Fig.l shows schematically a waste heat utilization arrangement according to the invention of an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 50 has at its output to an exhaust tract 52, through which the exhaust gas is discharged from the internal combustion engine.
  • the exhaust tract 52 branches off at an exhaust gas distributor valve 55 into a
  • a bandpass can be used to filter out any disturbances on the target value to be evaluated.
  • the start signal e.g. a small change in the control of the distribution valve block 7 such that the distribution of the working medium to the first evaporator 10 and the second evaporator 11 is slightly changed, provided with a fixed frequency.
  • This fixed frequency can be calculated from the response signal, e.g. the speed change of the output shaft of the expander are filtered out. This will be

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Abstract

Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (2), wobei in dem Kreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (6), einen Verteilventilblock (7), zwei Verdampfer (10, 11), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4), angeordnet sind. Die zwei Verdampfer (10, 11) sind in Parallelschaltung angeordnet und die Parallelschaltung beginnt am Verteilventilblock (7) und endet an einem Knotenpunkt (8). Zwischen der Expansionsmaschine (3) und dem Kondensator (4) ist ein Temperatursensor (21) zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums an der Expansionsmaschine (3) angeordnet.

Description

Titel
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanordnung einer
Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung, wobei erfindungsgemäß Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken des Arbeitsmediums innerhalb des Kreislaufs der Abwärmenutzungsanordnung angeordnet sind und die so ermittelten
Temperaturen und Drücke für die Regelung bzw. Steuerung des Durchflusses des Arbeitsmediums durch den Kreislauf verwendet werden.
Stand der Technik
Abwärmenutzungsanordnungen von Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise aus der Patentschrift AT 512 921 Bl. Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung umfasst einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei in dem Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, ein Verteilventilblock, zwei Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Die zwei Verdampfer sind in
Parallelschaltung angeordnet, und die Parallelschaltung beginnt am
Verteilventilblock und endet an einem Knotenpunkt vor der Expansionsmaschine.
Die bekannte Abwärmenutzungsanordnung arbeitet am effektivsten bei konstanten Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Wird die
Brennkraftmaschine jedoch unter sich zeitlich vergleichsweise schnell ändernden Betriebsbedingungen betrieben, muss die Expansionsmaschine mit einer relativ hohen durchschnittlichen Austrittstemperatur des Arbeitsmediums betrieben werden, um in kritischen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine ein
Kondensieren des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie bei beliebigen
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine im Optimum betrieben werden kann, ohne gleichzeitig dem Risiko der Kondensation des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine ausgesetzt zu sein. Dazu umfasst die Abwärmenutzungsanordnung einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei in dem Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, ein Verteilventilblock, mindestens zwei Verdampfer, eine
Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Die mindestens zwei Verdampfer sind in Parallelschaltung angeordnet, wobei die
Parallelschaltung am Verteilventilblock beginnt und an einem Knotenpunkt endet.
Zwischen der Expansionsmaschine und dem Kondensator ist ein
Temperatursensor zur Ermittlung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine angeordnet. Dadurch kann die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der
Expansionsmaschine ermittelt werden, welche eine wichtige Größe zur energetischen Optimierung, also zur Optimierung des Nutzungsgrads der Abwärmenutzungsanordnung, darstellt. Ein Temperaturunterschied zur
Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums kann damit überwacht und optimiert werden. Somit wird gleichzeitig ein Unterschreiten der
Kondensationstemperatur innerhalb der Expansionsmaschine verhindert, was eine deutliche Steigerung der Lebensdauer der Expansionsmaschine und damit der gesamten Abwärmenutzungsanordnung bedeutet. Je nach Gestaltung der Abgasanlage der Brennkraftmaschine sind in vorteilhaften Ausführungen auch mehr als zwei Verdampfer angeordnet. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Knotenpunkt und der Expansionsmaschine ein Drucksensor zur Ermittlung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine angebracht. Dadurch kann speziell der Verteilventilblock zur Aufteilung des Massenstroms des
Arbeitsmediums auf die beiden Verdampfer optimal angesteuert werden, um den Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsanordnung weiter zu verbessern.
Vorteilhafterweise ist zwischen dem Kondensator und der Pumpe ein
Sammelbehälter angeordnet, und zwischen dem Sammelbehälter und der Pumpe ist ein weiterer Drucksensor zur Ermittlung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Pumpe angebracht. Dadurch kann die Ansteuerung der Pumpe und/oder des Verteilventilblocks im Hinblick auf die Steigerung des Wirkungsgrads der Abwärmenutzungsanordnung weiter optimiert werden.
Weiterhin kann der Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Pumpe als
Frühindikator für den Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die
Expansionsmaschine verwendet werden, wodurch eine schnellere Regelung eben dieses Eintrittsdrucks in die Expansionsmaschine erfolgen kann.
Im Folgenden werden Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine beschrieben, die eine Optimierung des Wirkungsgrads der Abwärmenutzungsanordnung betreiben bzw. eine Leistungssteigerung der Abwärmenutzungsanordnung und gleichzeitig ein Kondensieren des
Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine verhindern:
Dazu umfasst das Verfahren einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf, wobei in dem Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe, mindestens ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine und ein Kondensator angeordnet sind. Zwischen der Expansionsmaschine und dem Kondensator wird eine Austrittstemperatur aus der Expansionsmaschine ermittelt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät die Pumpe in Abhängigkeit der Austrittstemperatur aus der Expansionsmaschine so regelt, dass die
Austrittstemperatur nur um einen optimierten Temperaturunterschied über der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums liegt, wobei der optimierte Temperaturunterschied kleiner als 25 K ist, vorzugsweise kleiner als 5 K. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Abwärmenutzungsanordnung optimiert, da im Kondensator nur noch der vergleichsweise geringe optimierte
Temperaturunterschied herabgekühlt werden muss. Gleichzeitig wird durch die Überwachung der Austrittstemperatur durch das Steuergerät ein Kondensieren des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine verhindert und so die
Lebensdauer der Expansionsmaschine - und damit auch der gesamten
Abwärmenutzungsanordnung - erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht das Steuergerät den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe, wenn die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine größer ist als die Summe aus der Kondensationstemperatur und dem optimierten Temperaturunterschied. Und das Steuergerät verringert den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe, wenn die Austrittstemperatur aus der
Expansionsmaschine kleiner ist als die Summe aus der
Kondensationstemperatur und dem optimierten Temperaturunterschied.
Dadurch wird auf einfache Weise der Massenstrom des Arbeitsmediums durch den mindestens einen Verdampfer erhöht, wenn die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine vergleichsweise hoch ist, also wenn der mindestens eine Verdampfer dazu in der Lage wäre noch mehr Arbeitsmedium auf eine erforderliche Eintrittstemperatur in die
Expansionsmaschine zu verdampfen. Auf der anderen Seite wird der
Massenstrom durch den mindestens einen Verdampfer verringert, wenn die Austrittstemperatur des entspannten Arbeitsmediums aus der
Expansionsmaschine zu gering wird und damit auch die Eintrittstemperatur des unter Druck stehenden Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine. Würde dies nicht geschehen, dann würde bei einem weiteren Abfall der Eintrittstemperatur - oder auch des Eintrittsdrucks - ein Kondensieren des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine eintreten, was einen hohen Verschleiß in der
Expansionsmaschine, beispielsweise am Laufrad der Expansionsmaschine für den Fall, dass die Expansionsmaschine eine Turbine ist, zur Folge hätte. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist für unterschiedliche Betriebszustände der Abwärmenutzungsanordnung der optimierte Temperaturunterschied in
Abhängigkeit von den Abgaszustandsgrößen der Brennkraftmaschine, nämlich mindestens eine Abgastemperatur und mindestens ein Abgasmassenstrom bzw. ein Abgasvolumenstrom, in einem Kennfeld abgelegt bzw. gespeichert.
Anschließend wird im Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung der jeweilige Betriebszustand der Abwärmenutzungsanordnung bestimmt und der optimierte Temperaturunterschied auf diejenigen Werte geregelt, die zum jeweils bestimmten Betriebszustand in dem Kennfeld gespeichert sind. Dabei ist zu beachten, dass beim Einsatz von mehreren Verdampfer für jeden Verdampfer eine zugehörige Abgastemperatur und ein zugehöriger Abgasmassenstrom bzw. ein zugehöriger Abgasvolumenstrom in dem Kennfeld abgelegt sind, auf die dann im Betriebszustand zurückgegriffen wird.
So können die Abgaszustandsgrößen Abgastemperatur und Abgasmassenstrom bzw. Abgasvolumenstrom für alle eingesetzten Verdampfer der
Abwärmenutzungsanordnung in einem Kennfeld hinterlegt werden. Im Betrieb wird dann auf dieses Kennfeld zugegriffen und der optimierte
Temperaturunterschied auf einen Wert geregelt, der in diesem Kennfeld für den jeweiligen Betriebszustand hinterlegt ist.
Wird im Folgenden von einem Abgasmassenstrom gesprochen, so kann anstelle dessen auch immer ein Abgasvolumenstrom verwendet werden.
Vorteilhafterweise wird für das erfindungsgemäße Verfahren der optimierte Temperaturunterschied in Abhängigkeit der beiden Abgaszustandsgrößen Abgastemperatur und Abgasmassenstrom folgendermaßen berechnet:
- bei steigender Abgastemperatur wird der optimierte Temperaturunterschied verringert,
- bei steigendem Abgasmassenstrom wird der optimierte Temperaturunterschied verringert,
- bei sinkender Abgastemperatur wird der optimierte Temperaturunterschied erhöht und
- bei sinkendem Abgasmassenstrom wird der optimierte Temperaturunterschied erhöht. Dadurch werden die Zustandsgrößen Abgastemperatur und Abgasmassenstrom, die wesentlich die thermische Energie beschreiben, welche dem mindestens einen Verdampfer zur Verfügung gestellt werden kann, für die Berechnung einer optimierten Austrittstemperatur des entspannten Arbeitsmediums aus der
Expansionsmaschine herangezogen. Der Wirkungsgrad der
Abwärmenutzungsanordnung bzw. die Leistung der
Abwärmenutzungsanordnung und die Robustheit gegenüber Kondensieren des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine werden dadurch weiter erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Abwärmenutzungsanordnung mindestens zwei Verdampfer in
Parallelschaltung zwischen einem Verteilventilblock und einem Knotenpunkt angeordnet. Zwischen dem Knotenpunkt und der Expansionsmaschine wird ein Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine ermittelt. Der
Verteilventilblock teilt den Massenstrom des Arbeitsmediums zu den mindestens zwei Verdampfern auf, wobei das Steuergerät den Verteilventilblock in
Abhängigkeit des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine so steuert, dass der Eintrittsdruck maximiert wird.
Durch die Maximierung des Eintrittsdrucks des verdampften Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine wird die Leistung der Expansionsmaschine und damit der gesamten Abwärmenutzungsanordnung gesteigert, da - betrachtet auf Teilchenbasis - sich der Impuls des Arbeitsmediums auf das Laufrad der Expansionsmaschine oder auf den Kolben der Expansionsmaschine mit zunehmendem Druck ebenfalls erhöht. Durch die Maximierung des
Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine wird weiterhin bei gleichbleibender Eintrittstemperatur das Risiko des Kondensierens des
Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine minimiert.
Ersatzweise für den Eintrittsdruck des verdampften Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine können dabei auch der Druck vor den beiden Verdampfern oder die Eintrittstemperatur in die Expansionsmaschine verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass kostengünstigere Sensoren verwendet werden können, während zur direkten Messung des Eintrittsdrucks ein vergleichsweise teurer hochtemperaturfester Sensor verwendet werden muss. Für die entsprechenden Regelungen sind dabei unterschiedliche Verhalten der zu regelnden Größen zu beachten:
- Der Eintrittsdruck in die Expansionsmaschine zeigt ein PTl-Verhalten.
- Der Eintrittsdruck in die beiden Verdampfer zeigt ein PTl-Verhalten.
- Die Eintrittstemperatur in die Expansionsmaschine zeigt ein PT2-Verhalten.
Vorteilhafterweise steuert das Steuergerät den Verteilventilblock an und regelt die Verteilung des Massenstroms des Arbeitsmediums auf die mindestens zwei Verdampfer durch eine Extremwertregelung. Mit Hilfe der Extremwertregelung kann auf vergleichsweise einfache Weise eine optimale Aufteilung des
Massenstroms des Arbeitsmediums auf die mindestens zwei Verdampfer realisiert werden. Dabei wird ein Anregesignal generiert, das einer
vergleichsweise kleinen Änderung der Aufteilung des Massenstroms im
Verteilventilblock entspricht. Als Antwortsignal wird die Änderung des
Eintrittsdrucks des verdampften Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine ausgewertet, mit dem Ziel diesen Eintrittsdruck zu maximieren. Das Steuergerät wertet entsprechend aus, wie sich das Antwortsignal zum Anregesignal verhält, also ob es in Phase oder entgegen der Phase liegt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Regelung der Austrittstemperatur des
Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine zeitlich schneller als die Regelung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine. Dadurch wird sichergestellt, dass der Hauptregler, nämlich der Regler für die
Austrittstemperatur, Vorrang hat vor dem Nebenregler, dem Regler für den Eintrittsdruck. So wird zunächst die für den Wirkungsgrad und vor allem für die Lebensdauer der Abwärmenutzungsanordnung vorrangige Größe
Austrittstemperatur geregelt und erst danach der Eintrittsdruck.
In einer vorteilhaften alternativen Ausführung wird ein Mehrgrößenregler verwendet wird, der die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine und den Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die
Expansionsmaschine gleichzeitig optimal regelt. Dadurch erfolgt eine sehr schnelle Regelung dieser beiden Größen. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Expansionsmaschine eine Eintrittstemperatur des verdampften
Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine bestimmt. Das Steuergerät berechnet einen Expanderwirkungsgrad mit Hilfe der Differenz aus der
Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums in die bzw. aus der Expansionsmaschine. In Abhängigkeit des Expanderwirkungsgrads steuert und regelt das Steuergerät den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe und/oder durch den Verteilventilblock. Durch die Berücksichtigung des Expanderwirkungsgrads bei der Ansteuerung von Pumpe und/oder Verteilventilblock wird der Wirkungsgrad der gesamten Abwärmenutzungsanordnung weiter optimiert. Das Ziel der Ansteuerung von Pumpe und/oder Verteilventilblock ist dabei, die Differenz zwischen
Eintrittstemperatur und Austrittstemperatur zu maximieren; selbstverständlich muss dabei jedoch die Austrittstemperatur immer noch um den optimierten
Temperaturunterschied über der Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums liegen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einer Ausgangswelle der Expansionsmaschine eine Expanderdrehzahl oder ein
Expanderdrehmoment bestimmt, wobei das Steuergerät die Pumpe und/oder den Verteilventilblock durch eine Extremwertregelung in Abhängigkeit der
Expanderdrehzahl oder in Abhängigkeit des Expanderdrehmoments regelt. In alternativen Ausführungsformen kann für diese Regelung zusätzlich noch der Expanderwirkungsgrad als Regelungsgröße verwendet werden.
Durch die Bestimmung der Expanderdrehzahl bzw. des Expanderdrehmoments werden eine bzw. zwei Größen ermittelt, die für die Bestimmung der
abgegebenen Leistung der Expansionsmaschine verwendet werden können. Durch die Ansteuerung der Pumpe und/oder des Verteilventilblocks in
Abhängigkeit der Leistung der Expansionsmaschine kann diese Leistung als eine wesentliche Zielgröße maximiert werden. Dabei ist zu beachten, dass das Expanderdrehmoment direkt zur Ermittlung der Leistung herangezogen werden kann und die Expanderdrehzahl nur indirekt, da sie alleine noch keine
Information über die an der Ausgangswelle anliegende Last beinhaltet. In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an einer Ausgangswelle der Expansionsmaschine eine Expanderdrehzahl bestimmt. Das Steuergerät variiert den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe und/oder durch den Verteilventilblock mit einem Anregesignal, das eine feste Frequenz aufweist. Das Steuergerät filtert dann diese Frequenz mit einem Bandpass aus der Expanderdrehzahl aus und wertet die Phasenlage im Vergleich zu dem Anregesignal aus. Damit berechnet das Steuergerät ein verändertes Ansteuersignal für die Pumpe und/oder für den Verteilventilblock.
Dadurch kann für die Expanderdrehzahl eine Extremwertregelung durchgeführt werden, mit dem Ziel die Expanderdrehzahl zu maximieren. Das Anregesignal, entweder die Änderung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe oder die Änderung der Aufteilung des Massenstroms durch den
Verteilventilblock wird dann bezüglich des Antwortsignals, nämlich der Änderung der Expanderdrehzahl bewertet. Der Bandpass ermöglicht es dem Steuergerät aus dem Antwortsignal Störgrößen - wie beispielsweise sich ändernde auf die Ausgangswelle wirkende Lasten - auszufiltern. Die Ansteuerung von Pumpe und/oder Verteilventilblock in Abhängigkeit der Expanderdrehzahl wird damit robuster gegenüber den Störgrößen.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind für jeden Betriebszustand und zu jedem Verdampfer der
Abwärmenutzungsanordnung jeweils eine Abgastemperatur und ein
Abgasmassenstrom in einem Kennfeld abgelegt. Im Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung wird der jeweilige Betriebszustand der
Abwärmenutzungsanordnung bestimmt. Das Steuergerät berechnet einen Anteil der Ansteuerung der Pumpe und/oder des Verteilventilblocks in Abhängigkeit von diesem Kennfeld und steuert und regelt die Pumpe und/oder den
Verteilventilblock in Abhängigkeit dieser Berechnung entsprechend. Dadurch kann für jeden Betriebszustand jedem Verdampfer ein möglichst optimaler Abgasmassenstrom bzw. Abgasvolumenstrom zugeführt werden.
In vorteilhaften Ausführungen erfolgt die Ansteuerung von Pumpe und/oder Verteilventilblock folgendermaßen: - bei steigender Abgastemperatur an einem Verdampfer wird der Massenstrom des Arbeitsmediums zu diesem Verdampfer erhöht,
- bei steigendem Abgasmassenstrom an einem Verdampfer wird der
Massenstrom des Arbeitsmediums zu diesem Verdampfer erhöht,
- bei sinkender Abgastemperatur an einem Verdampfer wird der Massenstrom des Arbeitsmediums zu diesem Verdampfer verringert und
- bei sinkendem Abgasmassenstrom an einem Verdampfer wird der
Massenstrom des Arbeitsmediums zu diesem Verdampfer verringert.
Die oben genannten Wirkweisen sind jeweils als einer von mehreren
Bestandteilen der Ansteuerungen von Pumpe und/oder Verteilventilblock zu sehen. Das heißt, dass bei Kombinationen von mehreren Größen - beispielsweise Abgastemperatur und Abgasmassenstrom - die einzelnen Wirkweisen summiert werden. Dadurch kann es beispielsweise auch
vorkommen, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums verringert wird obwohl die Abgastemperatur steigt, weil nämlich gleichzeitig der Abgasmassenstrom gesunken ist.
Durch diese Weiterbildung wird über die beiden Abgaszustandsgrößen
Abgastemperatur und Abgasmassenstrom der Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine für die Steuerung der Abwärmenutzungsanordnung berücksichtigt. Das Regeln der beiden Zielgrößen Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine und Eintrittsdruck des
Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine erfolgt dadurch schneller. Weiterhin kann damit auch der zukünftig erwartete Betriebspunkt der Brennkraftmaschine für die Ansteuerung von Pumpe und/oder Verteilventilblock berücksichtigt werden. Dies ist beispielsweise denkbar, wenn ein Höhenprofil einer
Routenplanung für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einer dazugehörigen erfindungsmäßen Abwärmenutzungsanordnung vorliegt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist in der Abwärmenutzungsanordnung zwischen dem Kondensator und der Pumpe ein Sammelbehälter angeordnet. Zwischen dem Sammelbehälter und der Pumpe werden eine Eintrittstemperatur und ein Eintrittsdruck des Arbeitsmediums in die Pumpe bestimmt. Für unterschiedliche Betriebszustände der Abwärmenutzungsanordnung wird eine Kavitationsgrenze in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur und des Eintrittsdrucks ermittelt und in einem Kennfeld hinterlegt. Im Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung regelt das Steuergerät in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur und des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Pumpe diese beiden Größen so, dass eine Kavitation in der Pumpe vermieden wird.
Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem bei Annäherung an die
Kavitationsgrenze die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Pumpe dadurch verringert wird, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe erhöht wird. Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung von Kavitation in der Pumpe ist die Erhöhung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die
Pumpe.
Durch die Verhinderung von Kavitation in der Pumpe wird die Lebensdauer der Pumpe und damit auch der gesamten Abwärmenutzungsanordnung deutlich erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird mit sinkender
Eintrittstemperatur auch der Durchfluss des Arbeitsmediums durch die Pumpe verringert. Entsprechend wird mit steigender Eintrittstemperatur der Durchfluss des Arbeitsmediums durch die Pumpe erhöht.
Dieses Verfahren berücksichtigt die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Pumpe und damit mittelbar auch in die beiden Verdampfer; ersatzweise können selbstverständlich auch die beiden Eintrittstemperaturen des
Arbeitsmediums in die beiden Verdampfer bestimmt werden. Die
Eintrittstemperatur eines Massenstroms des Arbeitsmediums in einen
Verdampfer muss eine bestimmte Grenztemperatur überschreiten, wenn bei gegebenem Abgasmassenstrom und gegebener Abgastemperatur durch diesen Verdampfer eine Mindesttemperatur des Arbeitsmediums nach dem Verdampfer erreicht werden soll, was schließlich einer Mindesttemperatur des
Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine entspricht. Damit ist die
Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Pumpe auch eine Art Frühindikator für die Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine und kann so vorteilhaft zur Ansteuerung der Pumpe verwendet werden. Die Regelung der Austrittstemperatur des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine erfolgt dadurch zeitlich noch schneller.
Zeichnungen
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine.
Fig.2 zeigt schematisch eine Regelung der erfindungsgemäßen
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, wie sie in Fig.l gezeigt wurde.
Fig.3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem zugehörigen Regelungsschema.
Beschreibung
Fig.l zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abwärmenutzungsanordnung 1 einer Brennkraftmaschine 50 mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf 2.
Die Brennkraftmaschine 50 weist an ihrem Ausgang einen Abgastrakt 52 auf, durch den das Abgas aus der Brennkraftmaschine ausgestoßen wird. Der Abgastrakt 52 verzweigt sich an einem Abgasverteilerventil 55 in einen
Abgaskanal 53 und einen Rückführungskanal 54. Im Abgaskanal 53 sind ein oder mehrere Abgasnachbehandlungssysteme 51 angeordnet, wie zum Beispiel Partikelfilter, und das Abgas wird nach Durchströmen des Abgaskanals 53 an die Umgebung 59 abgegeben. Der Rückführungskanal 54 mündet wieder in die Brennkraftmaschine 50, so dass für den Verbrennungsprozess Abgas mit frischer Luft vermischt wird; Ziel ist dabei die Minimierung des Stickstoffausstoßes der Brennkraftmaschine 50. Das Abgasverteilerventil 55 steuert die Aufteilung des Massenstroms des Abgases in den Abgaskanal 53 und in den Rückführungskanal 54. Üblicherweise ist es so, dass vorwiegend im Teillastbereich der Brennkraftmaschine 50 ein nennenswerter Anteil des Abgases in den Rückführungskanal 54 geleitet wird, während im Volllastbereich nahezu kein Abgas in den Rückführungskanal 54 geleitet wird.
Die Abwärmenutzungsanordnung 1 der Brennkraftmaschine 50 verwendet thermische Energie aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 50, indem in mindestens einem Verdampfer 10, 11, welcher in dem Kreislauf 2 angeordnet ist, das Abgas thermische Energie an das Arbeitsmedium des Kreislaufs 2 abgibt. Im in der Fig.l dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein erster Verdampfer 10 im Abgaskanal 53 und ein zweiter Verdampfer 11 im Rückführungskanal 54 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen ist es auch möglich weitere Verdampfer oder nur einen einzigen Verdampfer anzuordnen.
In dem Kreislauf 2 sind in Flussrichtung des Arbeitsmediums ein Sammelbehälter 5, eine Pumpe 6, der mindestens eine Verdampfer 10, 11, eine
Expansionsmaschine 3 und ein Kondensator 4 angeordnet. In
Ausführungsformen mit einer parallelen Anordnung mehrerer Verdampfer 10, 11 in dem Kreislauf 2 ist vor den Verdampfern 10, 11 ein Verteilventilblock 7 angeordnet; in diesen Ausführungsformen wird das Arbeitsmedium nach den Verdampfern 10, 11 in einem Knotenpunkt 8 wieder zusammengeführt. Sofern nicht anders beschrieben, wird im Folgenden immer davon ausgegangen, dass zwei Verdampfer 10, 11 in Parallelschaltung im Leitungskreis 2 angeordnet sind, wie in Fig.l dargestellt.
Parallel zur Expansionsmaschine 3 ist ein Bypasskanal 30 angeordnet, über den durch Ventilanordnungen das Arbeitsmedium an der Expansionsmaschine 3 vorbeigeführt werden kann, wenn beispielsweise die Temperatur des
Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine 3 zu niedrig ist. Der Bypasskanal 30 kann dabei auch für eine Vorwärmung der Expansionsmaschine 3 durch das Gehäuse der Expansionsmaschine verlaufen. Erfindungsgemäß sind mehrere Sensoren zur Ermittlung von Temperaturen und Drücken des Arbeitsmediums an verschiedenen Stellen im Kreislauf 2 angeordnet:
- Ein Temperatursensor 21 zwischen der Expansionsmaschine 3 und dem
Kondensator 4 zur Ermittlung der Austrittstemperatur T2i des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine 3.
- Ein Drucksensor 20 zwischen dem Knotenpunkt 8 und der
Expansionsmaschine 3 zur Ermittlung des Eintrittsdrucks p20 des
Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3.
- Ein weiterer Temperatursensor 23 zwischen dem Sammelbehälter 5 und der
Pumpe 6 zur Ermittlung der Eintrittstemperatur T23 des Arbeitsmediums in die Pumpe 6.
- Ein weiterer Drucksensor 22 zwischen der Pumpe 6 und dem Verteilventilblock 7 zur Ermittlung des Austrittsdrucks p22 des Arbeitsmediums aus der Pumpe 6. - Zwei zusätzliche Temperatursensoren 10a, IIa zur Ermittlung der beiden
Austrittstemperaturen Ti0a, T a des Arbeitsmediums aus den beiden
Verdampfern 10, 11. Der erste zusätzliche Temperatursensor 10a ist dabei zwischen dem ersten Verdampfer 10 und dem Knotenpunkt 8 angebracht und der zweite zusätzliche Temperatursensor IIa zwischen dem zweiten
Verdampfer 11 und dem Knotenpunkt 8.
- Ein Drehzahlsensor und/oder ein Drehmomentsensor an einer Ausgangswelle der Expansionsmaschine 3 zur Ermittlung der Drehzahl der
Expansionsmaschine, im Folgenden als Expanderdrehzahl rpm25 bezeichnet, bzw. zur Ermittlung der Drehmoments der Expansionsmaschine, im Folgenden als Expanderdrehmoment bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist es nicht zwangsweise erforderlich alle Sensoren so anzuordnen, wie es in Fig.l dargestellt ist. In alternativen Ausführungsformen kann sogar auf Sensoren verzichtet werden oder die Sensoren können anders angeordnet sein, da die zu ermittelnden Drücke und Temperaturen auch über
Ersatzgrößen bestimmt werden können. Speziell der Drucksensor 20 vor der Expansionsmaschine 3 ist hohen Belastungen ausgesetzt, er muss auch bei den hohen Temperaturen des verdampften Arbeitsmediums zuverlässig
funktionieren. Ersatzweise können daher alternative Drucksensoren vor den Verdampfern 10, 11 positioniert werden, die nur deutlich niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind. Aus den so ermittelten Drücken vor den
Verdampfern 10, 11 kann dann auch ein Eintrittsdruck des verdampften
Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine berechnet werden. Oder es kann sogar über eine Eintrittstemperatur des verdampften Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3 auf den Eintrittsdruck in die Expansionsmaschine 3 zurückgerechnet werden.
Der Drehzahlsensor und/oder Drehmomentsensor an der Ausgangswelle der Expansionsmaschine 3 ist nur erforderlich, wenn die Pumpe 6 und/oder der Verteilventilblock 7 in Abhängigkeit der Expanderdrehzahl rpm25 bzw. in
Abhängigkeit des Expanderdrehmoments gesteuert werden soll.
Weiterhin können selbstverständlich auch Sensoren verwendet werden, die gleichzeitig mehrere Größen (beispielsweise Druck und Temperatur) erfassen.
Fig.2 zeigt ein Regelungsschema zur erfindungsgemäßen
Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine, welche in Fig.l
beschrieben wurde. Fig.2 zeigt die Anordnung eines Steuergeräts 60 zur Erfassung und Verarbeitung der Daten, die von den in der
Abwärmenutzungsanordnung 1 angeordneten Sensoren geliefert werden. Das Ausführungsbeispiel der Fig.2 beschränkt sich dabei zunächst auf die Daten, die von dem Drucksensor 20, von dem Temperatursensor 21 und von dem weiteren Temperatursensor 23 erfasst werden, sowie von Daten, die von der
Brennkraftmaschine 50 an das Steuergerät 60 übermittelt werden.
Das Steuergerät 60 wird zur Unterteilung der verschiedenen Regelungen bzw. Steuerungen in eine Steuerung 61, einen Fluidmassenstromregler 62 und einen Fluidmassenstromverteilregler 63 unterteilt, wobei sich dies Unterteilung nur auf die Software, aber nicht auf die Hardware des Steuergeräts 60 bezieht. Dabei ist der Fluidmassenstromregler 62 der Hauptregler, und der
Fluidmassenstromverteilregler 63 ist der Nebenregler.
Das Steuergerät 60, genauer der Fluidmassenstromregler 62, erfasst die Austrittstemperatur T2i des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine 3, vergleicht die Austrittstemperatur T2i mit einer von der Steuerung 61 vorgegebenen Solltemperatur und berechnet so einen Stellwert für die
Ansteuerung der Pumpe 6. Die Solltemperatur kann dabei von anderen Größen innerhalb der Abwärmenutzungsanordnung 1 aber auch von Größen der
Brennkraftmaschine 50 abhängig sein.
Ziel der Regelung ist es, dass die Austrittstemperatur T2i nur um einen optimierten Temperaturunterschied ΔΤ über der Kondensationstemperatur TK des Arbeitsmediums liegt. In Abhängigkeit von verschiedenen Daten, beispielsweise vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 50, von erwarteten zukünftigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 50 und von Temperaturen und Drücken des Arbeitsmediums an verschiedenen Stellen der Abwärmenutzungsanordnung 1, kann der optimierte Temperaturunterschied ΔΤ variieren und somit auch die Solltemperatur für die Austrittstemperatur T2i. In typischen Betriebszuständen der Abwärmenutzungsanordnung 1 ist der optimierte Temperaturunterschied ΔΤ kleiner als 25 K, vorzugsweise kleiner als 5 K.
Das Steuergerät 60 regelt den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6 in Abhängigkeit der Austrittstemperatur T2i des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine 3 folgendermaßen:
- Falls die Austrittstemperatur T2i größer ist als die Summe aus der
Kondensationstemperatur TK und dem optimierten Temperaturunterschied ΔΤ erfolgt eine Erhöhung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6.
- Falls die Austrittstemperatur T2i kleiner ist als die Summe aus der
Kondensationstemperatur TK und dem optimierten Temperaturunterschied ΔΤ erfolgt eine Verringerung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6.
- Falls die Austrittstemperatur T2i gleich der Summe aus der
Kondensationstemperatur TK und dem optimierten Temperaturunterschied ΔΤ ist erfolgt keine Veränderung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6.
Bei den Regelungen muss beachtet werden, dass der optimierte
Temperaturunterschied ΔΤ nicht nur ein konkreter Wert, sondern auch ein Temperaturbereich sein kann. Vorteilhafterweise würde für diesen Fall der Temperaturbereich maximal eine Temperaturspanne von 10°C umfassen, da andernfalls die Regelung der Pumpe 6 nicht mehr optimiert wäre.
Die Regelung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6 kann auch unter Berücksichtigung der beiden Abgaszustandsgrößen der
Brennkraftmaschine 50 Abgastemperatur und Abgasmassenstrom erfolgen, nämlich indem der optimierte Temperaturunterschied ΔΤ in Abhängigkeit dieser beiden Größen folgendermaßen verändert wird:
- Bei steigender Abgastemperatur erfolgt eine Verringerung des optimierten Temperaturunterschieds ΔΤ.
- Bei steigendem Abgasmassenstrom erfolgt eine Verringerung des optimierten Temperaturunterschieds ΔΤ.
- Bei sinkender Abgastemperatur erfolgt eine Erhöhung des optimierten Temperaturunterschieds ΔΤ.
- Bei sinkendem Abgasmassenstrom erfolgt eine Erhöhung des optimierten Temperaturunterschieds ΔΤ.
Die Änderung des optimierten Temperaturunterschieds ΔΤ führt zu einer Änderung des Soll-Wertes für die Austrittstemperatur T2i, und somit verändert der Fluidmassentromregler 62 auch den Stellwert für den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6. Üblicherweise wird dazu die Drehzahl und somit die Förderleistung der Pumpe 6 verändert.
Weiterhin kann die Regelung des Massenstroms des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6 auch unter Berücksichtigung der Eintrittstemperatur T23 des
Arbeitsmediums in die Pumpe 6 erfolgen, wie nachfolgend beschrieben:
- Bei steigender Eintrittstemperatur T23 erfolgt eine Erhöhung des Durchflusses des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6.
- Bei sinkender Eintrittstemperatur T23 erfolgt eine Verringerung des
Durchflusses des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6.
Für den Fachmann ist dabei ersichtlich, dass Kombinationen der oben beschriebenen Regelungen und Ansteuerungen für die Pumpe 6 verwendet werden können. Die Aufgabe des Fluidmassenstromverteilreglers 63, also des Nebenreglers, ist es, den Verteilventilblock 7 so anzusteuern und damit den Massenstrom des Arbeitsmediums auf die beiden Verdampfer 10, 11 so aufzuteilen, dass der Eintrittsdruck p20 des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3 maximiert wird. Dazu ermittelt der Drucksensor 20 den Eintrittsdruck p20 möglichst vor der
Expansionsmaschine 3, ersatzweise auch vor den beiden Verdampfern 10, 11, und übermittelt diesen an das Steuergerät 60, genauer an den
Fluidmassentromverteilregler 63. Die Ansteuerung des Verteilventilblocks 7 durch das Steuergerät erfolgt dazu vorzugsweise durch eine Extremwertregelung. Das heißt, dass der
Verteilventilblock 7 die Aufteilung des Massenstroms des Arbeitsmediums zu den beiden Verdampfern 10, 11 in geringem Maße ändert und diese Änderung dann mit einer nachfolgenden Änderung des Eintrittsdrucks p20 vergleicht:
- Erhöht sich der Eintrittsdruck p20 durch diese Maßnahme, so führt der
Verteilventilblock 7 die Änderung der Aufteilung des Massenstroms in der gleichen Weise fort. Die Zielgröße Eintrittsdruck p20 ist dann in Phase mit dem Anregesignal.
- Verringert sich hingegen der Eintrittsdruck p20 durch diese Maßnahme, so ändert der Verteilventilblock 7 die Aufteilung des Massenstroms in der entgegengesetzten Richtung. Die Zielgröße Eintrittsdruck p20 war dann zunächst entgegengesetzt zur Phase des Anregesignals und wurde daraufhin durch einen Phasensprung des Anregesignals mit diesem in Phase gebracht. Beispiel: Der Verteilventilblock 7 ändert die Aufteilung des Massenstroms so, dass der Massenstrom durch den ersten Verdampfer 10 erhöht und durch den zweiten Verdampfer 11 reduziert wird. Reduziert sich dadurch der Eintrittsdruck p20, also ist die Zielgröße Eintrittsdruck p20 entgegengesetzt zur Phase der Änderung der Aufteilung des Massenstroms, dann wird die Ansteuerung des Verteilventilblocks 7 entgegengesetzt geändert, also ein Phasensprung herbeigeführt; das heißt der Massenstrom durch den ersten Verdampfer 10 wird verringert und der Massenstrom durch den zweiten Verdampfer 11 erhöht, so dass sich die Zielgröße Eintrittsdruck p20 erhöht, also in Phase mit der Änderung der Aufteilung des Massenstroms befindet. Dies wird solange fortgeführt, bis sich der Eintrittsdruck p20 wieder verringert, also ein erneuter Phasensprung erfolgt. Dann ist der maximale Eintrittsdruck p20 erreicht.
In weiterführenden Regelungen kann die Änderung der Aufteilung des
Massenstroms durch den Verteilventilblock 7 auch in Abhängigkeit vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 50 erfolgen. Beispielsweise wird unter Volllast der Brennkraftmaschine 50 der im Rückführungskanal 54 angeordnete zweite Verdampfer 54 mit nur vergleichsweise wenig Abgas durchströmt, so dass mit Beginn des Volllastzustandes auch das Verteilventilblock 7 so angesteuert werden kann, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums in den zweiten
Verdampfer 11 reduziert und dementsprechend der Massenstrom in den ersten Verdampfer 10 erhöht wird.
Das Regelungsschema sieht vor, dass die Austrittstemperatur T2i des
Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine 3 zeitlich schneller geregelt wird als der Eintrittsdrucks p20 des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3.
Dass heißt: vorrangig steuert der Fluidmassenstromregler 62, also der
Hauptregler, die Pumpe 6 an, und nachrangig steuert der
Fluidmassenstromverteilregler 63, also der Nebenregler, den Verteilventilblock 7 an.
Fig.3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem zugehörigen Regelungsschema. Der einzige Unterschied zur Abwärmenutzungsanordnung der Fig.l bzw. Fig.2 ist dabei, dass zwischen dem Knotenpunkt 8 und der
Expansionsmaschine 3 ein ergänzender Temperatursensor 24 angeordnet ist, um die Eintrittstemperatur T24 des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3 zu ermitteln. Das Steuergerät 60 kann so einen Expanderwirkungsgrad mit Hilfe der Differenz aus der Eintrittstemperatur T24 und der Austrittstemperatur T2i des Arbeitsmediums in die bzw. aus der Expansionsmaschine 3 berechnen. In
Abhängigkeit des Expanderwirkungsgrads wird der Massenstrom des
Arbeitsmediums durch die Pumpe 6 und/oder den Verteilventilblock 7 gesteuert. Beispielsweise wird bei niedrigem Expanderwirkungsgrad der Massenstrom durch die Pumpe 6 verringert und bei hohem Expanderwirkungsgrad der Massenstrom durch die Pumpe 6 erhöht. Die Ansteuerung des Verteilventilblocks 7 erfolgt vorteilhafterweise unter Berücksichtigung des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine 50. Zum Beispiel wird bei Volllast der Brennkraftmaschine 50 und niedrigem Expanderwirkungsgrad der Verteilventilblock 7 so angesteuert, dass nahezu der gesamte Massenstrom des Arbeitsmediums durch den im Abgaskanal 53 angeordneten ersten Verdampfer 10 geleitet wird und nahezu kein Massenstrom durch den zweiten Verdampfer 11.
Als eine Weiterführung des eben erläuterten Regelungsschemas unter
Berücksichtigung des Expanderwirkungsgrads wird die Expanderdrehzahl rpm25 und/oder das Expanderdrehmoment bestimmt und die Regelungs- bzw.
Steuerungsalgorithmen für die Pumpe 6 und den Verteilventilblock 7 werden um diese Größen erweitert. Auch hier kann das vorangehend schon dargestellte Prinzip der Extremwertregelung verwendet werden, mit dem Ziel eine
Kombination aus Expanderdrehzahl rpm25 und Expanderwirkungsgrad zu maximieren bzw. eine Kombination aus Expanderdrehmoment und
Expanderwirkungsgrad zu maximieren.
Für die vorangehend beschriebenen Extremwertregelungen kann
vorteilhafterweise ein Bandpass verwendet werden, um etwaige Störgrößen auf die auszuwertende Zielgröße auszufiltern. Dabei ist das Anregesignal, z.B. eine kleine Änderung der Ansteuerung des Verteilventilblocks 7 derart, dass die Aufteilung des Arbeitsmediums auf den ersten Verdampfer 10 und den zweiten Verdampfer 11 leicht verändert wird, mit einer festen Frequenz versehen. Diese feste Frequenz kann aus dem Antwortsignal, z.B. der Drehzahländerung der Ausgangswelle der Expansionsmaschine ausgefiltert werden. Dadurch werden
Störgrößen, z.B. andere Lasten auf die Ausgangswelle, ausgefiltert, und es kann überprüft werden, ob das Antwortsignal in Phase zum Anregesignal oder entgegen der Phase des Anregesignals liegt. In weiter optimierten Ausführungen der Software für das Steuergerät 60 werden auch Zustandsgrößen des Abgases der Brennkraftmaschine 50, beispielsweise Abgastemperatur und Abgasmassenstrom, für die Generierung eines
Anregesignals herangezogen. Zum Beispiel kann bei einer Erhöhung der Abgastemperatur auch der Durchfluss des Arbeitsmediums durch die Pumpe 6 als Anregesignal für die Extremwertregelung erhöht werden, da man davon ausgehen kann, dass ein Antwortsignal - z.B. der Expanderwirkungsgrad - mit dem Anregesignal in Phase liegt.
Ebenso können auch erwartete Zustandsgrößen, beispielsweise eine anstehende Volllastfahrt aufgrund der Routenplanung, in die Software für das Steuergerät 60 aufgenommen werden.
Für diverse zu regelnde Größen, beispielsweise den optimierten
Temperaturunterschied ΔΤ, den Eintrittsdruck p20 des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine 3 oder die Eintrittstemperatur T23 des Arbeitsmediums in die Pumpe 6, können Kennfelder vorab vermessen werden. In diesen
Kennfeldern werden für bestimmte Betriebszustände der
Abwärmenutzungsanordnung 1 optimierte Werte für die zu regelnden Größen hinterlegt. Die Betriebszustände werden durch verschiedene andere
Zustandsgrößen, beispielsweise die beiden Abgaszustandsgrößen der Brennkraftmaschine 50 Abgastemperatur und Abgasmassenstrom, oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine, charakterisiert. Im Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung 1 wird der Betriebszustand anhand dieser Zustandsgrößen ermittelt und dementsprechend ein optimaler Wert für die zu regelnden Größen ausgelesen. Durch Regelungsalgorithmen wird die zu regelnde Größe anschließend auf diesen optimalen Wert eingestellt.

Claims

Ansprüche
1. Abwärmenutzungsanordnung (1) einer Brennkraftmaschine (50) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (2), wobei in dem Kreislauf (2) in
Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (6), ein Verteilventilblock (7), mindestens zwei Verdampfer (10, 11), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei die mindestens zwei Verdampfer (10, 11) in Parallelschaltung angeordnet sind und die Parallelschaltung am
Verteilventilblock (7) beginnt und an einem Knotenpunkt (8) endet,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Expansionsmaschine (3) und dem Kondensator (4) ein
Temperatursensor (21) zur Ermittlung der Austrittstemperatur des
Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine (3) angeordnet ist.
2. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Knotenpunkt (8) und der Expansionsmaschine (3) ein Drucksensor (20) zur Ermittlung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) angebracht ist.
3. Abwärmenutzungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (4) und der Pumpe (6) ein Sammelbehälter (5) angeordnet ist und zwischen dem Sammelbehälter (5) und der Pumpe (6) ein weiterer Drucksensor zur Ermittlung des Eintrittsdrucks des Arbeitsmediums in die Pumpe (6) angebracht ist.
4. Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsanordnung (1) einer
Brennkraftmaschine (50) mit einem ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (2), wobei in dem Kreislauf (2) in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Pumpe (6), mindestens ein Verdampfer (10, 11), eine Expansionsmaschine (3) und ein Kondensator (4) angeordnet sind, wobei zwischen der Expansionsmaschine (3) und dem Kondensator (4) eine Austrittstemperatur (T2i) aus der
Expansionsmaschine (3) ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Steuergerät (60) die Pumpe (6) in Abhängigkeit der Austrittstemperatur (T2i) aus der Expansionsmaschine (3) so regelt, dass die Austrittstemperatur (T2i) nur um einen optimierten Temperaturunterschied (ΔΤ) über der
Kondensationstemperatur (Τκ) des Arbeitsmediums liegt, wobei der optimierte Temperaturunterschied (ΔΤ) kleiner als 25 K ist, vorzugsweise kleiner als 5 K.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät
(60) den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe (6) erhöht, wenn die Austrittstemperatur (T2i) aus der Expansionsmaschine (3) größer ist als die Summe aus der Kondensationstemperatur (TK) und dem optimierten
Temperaturunterschied (ΔΤ), und dass das Steuergerät (60) den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe (6) verringert, wenn die
Austrittstemperatur (T2i) aus der Expansionsmaschine (3) kleiner ist als die Summe aus der Kondensationstemperatur (TK) und dem optimierten
Temperaturunterschied (ΔΤ).
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebszustände der Abwärmenutzungsanordnung (1) der optimierte Temperaturunterschied (ΔΤ) in Abhängigkeit von den
Abgaszustandsgrößen der Brennkraftmaschine (50), nämlich mindestens eine Abgastemperatur und mindestens ein Abgasmassenstrom bzw. mindestens ein Abgasvolumenstrom, in einem Kennfeld abgelegt ist und dass im Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung (1) der jeweilige Betriebszustand der
Abwärmenutzungsanordnung (1) bestimmt wird und der optimierte
Temperaturunterschied (ΔΤ) auf diejenigen Werte geregelt wird, die für den jeweils bestimmten Betriebszustand in dem Kennfeld abgelegt sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei mindestens zwei Verdampfer (10, 11) in Parallelschaltung zwischen einem Verteilventilblock (7) und einem Knotenpunkt (8) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Knotenpunkt (8) und der Expansionsmaschine (3) ein
Eintrittsdruck (p20) des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) oder zwischen der Pumpe (6) und den mindestens zwei Verdampfern (10, 11) ein Eintrittsdruck (P22) des Arbeitsmediums in die mindestens zwei Verdampfer (10, 11) ermittelt wird, wobei der Verteilventilblock (7) den Massenstrom des
Arbeitsmediums zu den mindestens zwei Verdampfern (10, 11) aufteilt und wobei das Steuergerät (60) den Verteilventilblock (7) in Abhängigkeit des Eintrittsdrucks (P20) des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) bzw. in Abhängigkeit des Eintrittsdrucks (P22) des Arbeitsmediums in die mindestens zwei Verdampfer (10, 11) so steuert und regelt, dass der Eintrittsdruck (p2o, P22) maximiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei mindestens zwei Verdampfer (10, 11) in Parallelschaltung zwischen einem Verteilventilblock (7) und einem Knotenpunkt (8) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei Verdampfern (10, 11) und der
Expansionsmaschine (3) eine Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) ermittelt wird, wobei der Verteilventilblock (7) den Massenstrom des Arbeitsmediums zu den mindestens zwei Verdampfern (10, 11) aufteilt und wobei das Steuergerät (60) den Verteilventilblock (7) in
Abhängigkeit der Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die
Expansionsmaschine (3) so steuert und regelt, dass die Eintrittstemperatur maximiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsdruck (p2o) des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) dadurch ermittelt wird, dass als Ersatzgröße der Druck vor den mindestens zwei Verdampfern (10, 11) oder eine Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Steuergerät (60) den Verteilventilblock (7) ansteuert und die Verteilung des Massenstroms des Arbeitsmediums auf die mindestens zwei Verdampfer (10 ,11) durch eine Extremwertregelung regelt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Austrittstemperatur (T2i) des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine (3) zeitlich schneller erfolgt als die Regelung des
Eintrittsdrucks (p2o) des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3), oder dass ein Mehrgrößenregler verwendet wird, der die Austrittstemperatur (T2i) des Arbeitsmediums aus der Expansionsmaschine (3) und den Eintrittsdrucks (p2o) des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) gleichzeitig optimal regelt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Expansionsmaschine (3) eine Eintrittstemperatur (T24) des
Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine (3) bestimmt wird, wobei das Steuergerät (60) einen Expanderwirkungsgrad mit Hilfe der Differenz aus der Eintrittstemperatur (T24) und der Austrittstemperatur (T2i) des Arbeitsmediums in die bzw. aus der Expansionsmaschine (3) berechnet und in Abhängigkeit des Expanderwirkungsgrads den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe (6) und/oder den Verteilventilblock (7) steuert und regelt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Ausgangswelle der Expansionsmaschine (3) eine
Expanderdrehzahl (rpm25) oder ein Expanderdrehmoment bestimmt wird, wobei das Steuergerät (60) die Pumpe (6) und/oder den Verteilventilblock (7) durch eine Extremwertregelung in Abhängigkeit der Expanderdrehzahl (rpm25) oder in Abhängigkeit des Expanderdrehmoments regelt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Ausgangswelle der Expansionsmaschine (3) eine
Expanderdrehzahl (rpm25) bestimmt wird und dass das Steuergerät (60) den Massenstrom des Arbeitsmediums durch die Pumpe (6) und/oder durch den Verteilventilblock (7) mit einem Anregesignal, das eine feste Frequenz aufweist, variiert, diese Frequenz mit einem Bandpass aus der Expanderdrehzahl (rpm25) ausfiltert und die Phasenlage im Vergleich zu dem Anregesignal auswertet und so ein verändertes Ansteuersignal für die Pumpe (6) und/oder den
Verteilventilblock (7) berechnet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebszustände für jeden Verdampfer (10, 11) eine Abgastemperatur und ein Abgasmassenstrom bzw. Abgasvolumenstrom in einem Kennfeld abgelegt ist und dass im Betrieb der
Abwärmenutzungsanordnung (1) der jeweilige Betriebszustand der
Abwärmenutzungsanordnung (1) bestimmt wird und das Steuergerät (60) einen Anteil der Ansteuerung der Pumpe (6) und/oder des Verteilventilblocks (7) in Abhängigkeit von diesem Kennfeld berechnet und die Pumpe (6) und/oder den Verteilventilblock (7) in Abhängigkeit dieser Berechnung steuert und regelt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 14, wobei zwischen dem
Kondensator (4) und der Pumpe (6) ein Sammelbehälter (5) angeordnet ist und zwischen dem Sammelbehälter (5) und der Pumpe (6) eine Eintrittstemperatur (T23) und ein Eintrittsdruck (P23) des Arbeitsmediums in die Pumpe (6) bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebszustände der Abwärmenutzungsanordnung (1) eine Kavitationsgrenze in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur (T23) und des Eintrittsdrucks (P23) in einem Kennfeld hinterlegt wird und dass im Betrieb der Abwärmenutzungsanordnung (1) bei Annäherung an die Kavitationsgrenze die Eintrittstemperatur (T23) und/oder der Eintrittsdruck (P23) so geregelt werden, dass Kavitation in der Pumpe (6) vermieden wird.
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