WO2019007622A1 - Power optimizer for waste-heat recovery system - Google Patents

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WO2019007622A1
WO2019007622A1 PCT/EP2018/064855 EP2018064855W WO2019007622A1 WO 2019007622 A1 WO2019007622 A1 WO 2019007622A1 EP 2018064855 W EP2018064855 W EP 2018064855W WO 2019007622 A1 WO2019007622 A1 WO 2019007622A1
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WO
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evaporator
working medium
power optimizer
recovery system
waste heat
Prior art date
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PCT/EP2018/064855
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German (de)
French (fr)
Inventor
Adrian Trachte
Thomas Specker
Derya LINDENMEIER
Wolfgang Kemmetmueller
Christian Fleck
Carolina Passenberg
Andreas Kugi
Herwig KOPPAUER
Matthias Bitzer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle

Definitions

  • the present invention relates to a power optimizer with which the efficiency of a waste heat recovery system for vehicles can be improved.
  • waste heat In a motor vehicle, most of the energy supplied to the internal combustion engine is currently lost via waste heat. Most of this waste heat is removed from the vehicle via the cooling circuit and with the exhaust gas. Various systems are known with which a part of this waste heat can be converted into a usable form of energy.
  • WO 2016/089 285 AI discloses a system which removes the waste heat from the exhaust gas via a thermoelectric generator and converts it into electrical energy, as well as an optimization method for the associated overall efficiency.
  • DE 10 2014 019 684 AI discloses an alternative system which removes waste heat from the cooling circuit of the internal combustion engine and transfers it to a working medium, which then performs mechanical work in an expansion machine.
  • Operating condition of the vehicle will be either only one of two available Heat exchangers or both heat exchangers used, so that the efficiency of the energy conversion is always optimal.
  • the waste heat recovery system comprises at least one evaporator for transferring waste heat from the exhaust gas generated by the vehicle into a
  • Expansion machine at least one condenser for condensing the relaxed in the expansion machine vaporous working medium in the liquid state, with the release of heat to the vehicle cooling system.
  • At least one conveying device is provided for increasing the pressure of the condensed working medium and conveying into the evaporator.
  • the working medium is guided in a closed circuit and can absorb waste heat again in the evaporator.
  • the expansion machine may in particular be a turbine or a scroll expander.
  • a control circuit acts at least on the delivery rate mw of the delivery device as a manipulated variable and regulates at least the temperature Tw of the working medium emerging from the evaporator to a desired value T w , s.
  • Power optimizer as a set of sizes from which at least the temperature TA and the mass flow ⁇ of the exhaust gas emerge at the location of the evaporator as input and assigns each value vector of these sizes to a setpoint Tw, s for the temperature of the effluent from the evaporator working fluid.
  • Power optimizer is designed to deliver this setpoint Tw, s to the control loop.
  • the power optimizer can in particular directly receive the temperature TA and the mass flow ⁇ of the exhaust gas as input. From the temperature TA and the mass flow ⁇ of the exhaust gas results in the
  • the control loop does not have to act exclusively on the delivery rate mw of the conveyor which conveys the working medium.
  • the control loop can also act on further manipulated variables. For example, if the condenser flows through a cooling medium, then the mass flow of the
  • Cooling medium serve as a manipulated variable.
  • switch positions for valves that redirect the flow of the exhaust gas or of the working medium can also serve as manipulated variables.
  • the evaporator connected in the exhaust gas flow can be bridged with an exhaust gas bypass line, which can be activated via an exhaust gas bypass valve.
  • the expansion machine connected in the flow of the working medium can be bridged with a working bypass line, which can be activated via a working bypass valve.
  • a possibly existing reservoir for the working medium can over
  • Tank valves to be connected to the circuit of the working fluid whose switching positions can also serve as manipulated variables. If that
  • Waste heat recovery system is an e-WHR system in which the turbine is coupled to a generator and the turbine related mechanical power is further converted into electrical power, the set by the turbine-generator unit speed can serve as another control variable.
  • the optimization goal may be that received as input
  • the power optimizer is advantageously designed to be in the
  • This state variable can be applied in particular to the
  • Waste heat recovery system refer to the vehicle or to the environment. In this way, it is advantageously avoided that the
  • State variables which may be subject to boundary conditions are, in particular, thermodynamic state variables of the circuit for the working medium, such as, for example, pressures and temperatures.
  • state variables of the exhaust gas or of the cooling system of the vehicle may also be limited by boundary conditions. These boundary conditions may differ in particular from vehicle to vehicle.
  • Optimizer takes into account such boundary conditions, thus its universal suitability for use in various vehicles is improved.
  • such boundary conditions can be established, with which it is ensured that the working medium of the expansion machine is supplied as drip-free steam, ie as steam, which is not wet steam. Since drops have a much higher density than steam, they can
  • boundary conditions for example, to a maximum temperature behind the evaporator, to a minimum overheating before Expansion machine, to a minimum subcooling behind the condenser, to a maximum high pressure, to a minimum and maximum
  • the power optimizer additionally receives at least one disturbance which has an influence on the operation of the waste heat recovery system, without itself being directly influenceable, as input.
  • the accuracy of the assignment made in the performance optimizer, which set point Tw, s for the temperature of the working medium leaving the evaporator is quantitatively improved to what operating state of the waste heat recovery system (for example, at which net power delivered by this system).
  • the optimum operating point of the waste heat recovery system is more accurately met.
  • Such disturbances can, for example, the temperature of the exhaust gas upstream of the evaporator, the total mass flow of accumulating exhaust gas, the
  • the values of the state variables, and / or the disturbances can be obtained in any manner and fed to the power optimizer, and / or the control loop. For example, they can be measured directly with sensors, but can also be derived from other variables, for example with the aid of models and / or characteristic diagrams. The values can also be obtained, for example, from other control devices in the vehicle.
  • the power optimizer may, for example, the engine speed, the
  • Exhaust gas recirculation and accordingly an exhaust gas recirculation valve, is mandatory in all modern vehicles.
  • the temperature TA and the mass flow mA of the exhaust gas at the location of the evaporator can be determined.
  • the temperature TA of the exhaust gas passes through maps or models from the
  • the switching position of the exhaust gas recirculation valve determines how much exhaust gas arrives at which evaporator.
  • the power optimizer may additionally include the
  • thermodynamic cycle of the working fluid becomes quantitative
  • the control loop of the waste heat recovery system may additionally be adapted to the pressure pw of the exiting from the evaporator
  • the power optimizer can then additionally be designed to also assign to each value vector of the quantities received as input a desired value pw, s for the pressure pw.
  • a desired value pw, s for the pressure pw is assigned to each value vector of the quantities received as input.
  • Power Optimizer is a model of the waste heat recovery system and is designed to use this model as input
  • the model may refer to the stationary state of the waste heat recovery system and be executed on a computing unit, such as a controller. This requires a corresponding entrained in the vehicle
  • model can be flexibly updated changes maximum.
  • components or supplies such as engine oil
  • Flow resistance of a particulate filter in the exhaust aftertreatment may increase with increasing filling of the filter to then abruptly drop after the burning of the filter.
  • a numerical optimization calculation can be carried out, at the end of which each value vector of the input variables is assigned a setpoint value Tw, s for the temperature Tw.
  • the model can, for example
  • balance equation for an energy derived from the principle of energy conservation can be used to calculate the balance equation for a mass flow.
  • the working fluid in the liquid state is incompressible and can not be generated or destroyed in a closed circuit.
  • the model can be used as state variables, for example, the specific enthalpy and fluid and wall temperatures of the evaporator (or the evaporator, if there are several) and the capacitor, and the pressure, the specific enthalpy and the temperatures of the high and
  • High-pressure piping is the piping from the conveyor via the evaporator or to the
  • Low-pressure piping is understood to mean the piping from the outlet of the expansion machine via the condenser to the inlet of the conveyor.
  • the model can, for example, as input by the
  • the model may include, for example, temperatures and mass flows of the exhaust gas and the ambient temperature as additional acting variables.
  • the power optimizer may include at least one map that associates a value Tw.s for the temperature of the working fluid exiting the evaporator with the value vector obtained as input.
  • a map can be calculated in advance, so that less computing capacity is required in the vehicle itself. It can also be sold, for example, as an update.
  • the power optimizer additionally assigns to the value vector obtained as input a desired value P, S for the low pressure P of the working medium after expansion in the expansion machine, and / or a desired value ns for the stationary speed n of the expansion machine.
  • the input additionally has at least one value for the
  • Cooling water temperature at the location of the capacitor include. After the above, the invention also relates to a
  • Waste heat recovery system comprises at least one evaporator for transferring waste heat from the exhaust gas generated by the vehicle into a working medium, at least one expansion machine drivable by the working medium, at least one condenser for
  • a control loop which acts at least on the delivery rate mw of the conveyor as a control variable and at least the temperature Tw of the emerging from the evaporator working fluid to a target value Tw, s controls.
  • the system is characterized in that a power optimizer according to the invention is provided and supplies the desired value Tw, s to the control loop.
  • the evaporator is in the exhaust gas flow between the outlet of a
  • Exhaust aftertreatment system and an exhaust of the vehicle switched. Then the waste heat after the exhaust aftertreatment system can still be used as process heat.
  • a second evaporator is connected in the exhaust gas flow of an exhaust gas recirculation in the engine of the vehicle.
  • Such an evaporator in addition to its actual function of energy recovery at the same time support the exhaust gas recirculation, among other things, intended cooling of the exhaust gas.
  • the waste heat recovery can then synergistically interact with the exhaust gas recirculation.
  • both evaporators feed a common expansion machine with the
  • the power optimizer according to the invention may be in a separate
  • Control unit implemented, but also for example as pure
  • a computer program product having machine readable instructions which, when executed on a computer and / or on a controller, upgrade the computer and / or the controller to a power optimizer according to the invention. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
  • FIG. 2 detailed view of the stationary optimization module 12
  • FIG. 3 Integration of the waste heat recovery system 2 into the vehicle 3.
  • control circuit 27 acts via the delivery rate mw of FIG. 1
  • Conveyor 26 as here exemplified control variable to the waste heat recovery system 2 a.
  • a temperature Tw of the working medium 23 sets.
  • This temperature Tw is fed back into the control loop 27 and there regulated by action on the manipulated variable mw to a desired value Tw, s.
  • the temperature Tw of the working medium 23 is shown by way of example only as one of the variables that change as a manipulated variable when exposed to the delivery rate mw.
  • An online parameter and state estimation 27a receives the delivery rate mw and the temperature Tw, and optionally also other, not in FIG.
  • Waste heat recovery system 2 From this state variables 27 b are determined and forwarded to both the control circuit 27 and the power optimizer 1.
  • the power optimizer 1 obtains quantities from which the temperature TA and the mass flow mA of the exhaust gas 31 at the location of the evaporator 21, 22 emerge, as input 11, wherein at any time the respective input values are combined in a value vector.
  • This value vector is first supplied to a stationary optimization module 12, which contains a stationary model 2a of the waste heat recovery system 2.
  • a desired value Tw, s for the temperature Tw is determined.
  • This setpoint value Tw, s is fed to the control loop 27.
  • FIG. 2 shows a detailed view of the stationary optimization module 12.
  • the optimization module 12 contains a quality measure module 12 a and a
  • the quality M of a candidate Tw, s * is embodied on the basis of the current engine operating point, which is embodied by the temperature TA and the mass flow ⁇ of the exhaust gas 31 obtained as input 11, in conjunction with the further state variables and measures 27b. for the setpoint Tw, s rated.
  • the model 2a is used here.
  • Essential criteria for the quality assessment is the quality criterion 14, that of the
  • Waste heat recovery system 2 net power is maximized, as well as the boundary condition 15, and that the permissible operating range is maintained.
  • the optimization algorithm 12b contains the strategy according to which candidates Tw, s * are selected and tested with the quality measure module 12a. This strategy governs that the final setpoint Tw, s, which maximizes net performance, is found much faster than the real-time impracticability of all possible numerical values.
  • the model 2a assumes that the input variables 11 are combined in a vector u and additional, not directly influenceable disturbances in a vector d.
  • the stationary states 27b are combined in a vector x, these states 27b in turn depending on the vector u of the input variables 11 and the vector d of the disturbance variables.
  • the quality criterion 14 for the net output of the waste heat recovery system to be minimized in the context of optimization can be, for example, the form -P E (x (u,), u) + P F (x (u,), u) + P K (u)
  • PE is the power output from the expansion machine 24.
  • PF is the power to be spent on the conveyor 26, and
  • ⁇ is the power to spend on coolant pumps.
  • FIG. 3 shows how the waste heat recovery system 2 can be integrated into a vehicle 3 by way of example.
  • Combustion air 30 is sucked in via a turbocharger 30b and cooled in a charge air cooler 30a, the arrows on
  • Intercooler 30a indicate the flow of the coolant.
  • the combustion air is mixed with recirculated exhaust gas 31 from the exhaust gas recirculation 33 and fed into the engine 36.
  • the exhaust gas 31 generated by the engine 36 is controlled by the
  • Exhaust gas recirculation valve 32 partially passed back into the exhaust gas recirculation 33.
  • the remaining exhaust gas 31a first drives the turbocharger 30b and is rendered harmless in the exhaust aftertreatment 34, before it in the first
  • Evaporator 21 waste heat is removed.
  • the cooled exhaust 31b is supplied to the exhaust 35.
  • an exhaust gas bypass valve 21a the evaporator 21 can be bridged and thus temporarily deactivated.
  • the working medium 23 is converted into superheated steam 23c and supplied to the expansion machine 24.
  • Working medium 23a is condensed in the condenser 25 into liquid working medium 23b, the flow of the coolant in turn being indicated by the arrows on the condenser 25.
  • the condensed working medium 23b is compressed again in the conveying device 26 and fed back into the evaporator 21.
  • a further evaporator 22 is connected in the exhaust gas flow of the exhaust gas recirculation line 33.
  • This evaporator 22 is from the same conveyor 26 with Working medium 23 supplies as the first evaporator 21, and he fed together with the evaporator 21, the same expansion machine 24th

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Abstract

The invention relates to a power optimizer (1) for a waste-heat recovery system (2) for a vehicle (3), the waste-heat recovery system (2) comprising: at least one evaporator (21, 22) for transferring waste heat from the exhaust gas (31) produced by the vehicle into a working medium (23); at least one expansion machine (24), which can be driven by the working medium (23); at least one condenser (25) for condensing the working medium (23) expanded in the expansion machine (24) into the liquid state; at least one conveying device (26) for increasing the pressure of the condensed working medium (23a) and conveying the same into the evaporator (21, 22); and a control circuit (27), which affects at least the conveying rate mw of the conveying device (26) as a manipulated variable and controls at least the temperature Tw of the working medium exiting the evaporator to a target value Tw,s. The power optimizer (1) receives a set of variables, from which at least the temperature TA and the mass flow rate mA of the exhaust gas (31) at the location of the evaporator (21, 22) result, as an input (11), assigns each value vector of said variables a target value Tw,s for the temperature Tw of the working medium (23) exiting the evaporator (21, 22), and is designed to provide said target value Tw,s to the control circuit (27). The invention further relates to an associated waste-heat recovery system and to a computer program product.

Description

Beschreibung  description
Titel: Title:
Leistungsoptimierer für Abwärmerückgewinnungssystem  Power optimizer for waste heat recovery system
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Leistungsoptimierer, mit dem der Wirkungsgrad eines Abwärmerückgewinnungssystems für Fahrzeuge verbessert werden kann. The present invention relates to a power optimizer with which the efficiency of a waste heat recovery system for vehicles can be improved.
Stand der Technik State of the art
In einem Kraftfahrzeug geht ein Großteil der dem Verbrennungsmotor zugeführten Energie derzeit über Abwärme verloren. Der größte Teil dieser Abwärme wird über den Kühlkreislauf und mit dem Abgas aus dem Fahrzeug abgeführt. Es sind verschiedene Systeme bekannt, mit denen ein Teil dieser Abwärme in eine nutzbare Energieform umgewandelt werden kann. In a motor vehicle, most of the energy supplied to the internal combustion engine is currently lost via waste heat. Most of this waste heat is removed from the vehicle via the cooling circuit and with the exhaust gas. Various systems are known with which a part of this waste heat can be converted into a usable form of energy.
Die WO 2016/089 285 AI offenbart ein System, das die Abwärme über einen thermoelektrischen Generator aus dem Abgas entnimmt und in elektrische Energie umwandelt, sowie ein Optimierungsverfahren für den zugehörigen Gesamtwirkungsgrad. WO 2016/089 285 AI discloses a system which removes the waste heat from the exhaust gas via a thermoelectric generator and converts it into electrical energy, as well as an optimization method for the associated overall efficiency.
Die DE 10 2014 019 684 AI offenbart ein alternatives System, das Abwärme aus dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors entnimmt und auf ein Arbeitsmedium überträgt, welches anschließend in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit verrichtet. DE 10 2014 019 684 AI discloses an alternative system which removes waste heat from the cooling circuit of the internal combustion engine and transfers it to a working medium, which then performs mechanical work in an expansion machine.
Von ähnlicher Bauart ist auch das in der US 2017/016 356 AI offenbarte System. Hier wird die Abwärme aus dem Abgas entnommen, und abhängig vom Of similar design is also disclosed in US 2017/016 356 AI system. Here, the waste heat is taken from the exhaust gas, and depending on
Betriebszustand des Fahrzeugs werden entweder nur einer von zwei verfügbaren Wärmetauschern oder beide Wärmetauscher eingesetzt, damit der Wirkungsgrad der Energieumwandlung stets optimal ist. Operating condition of the vehicle will be either only one of two available Heat exchangers or both heat exchangers used, so that the efficiency of the energy conversion is always optimal.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Leistungsoptimierer für ein Within the scope of the invention, a power optimizer for a
Abwärmerückgewinnungssystem für ein Fahrzeug entwickelt. Developed waste heat recovery system for a vehicle.
Das Abwärmerückgewinnungssystem umfasst mindestens einen Verdampfer zur Überführung von Abwärme aus dem von dem Fahrzeug erzeugten Abgas in einThe waste heat recovery system comprises at least one evaporator for transferring waste heat from the exhaust gas generated by the vehicle into a
Arbeitsmedium, mindestens eine von dem Arbeitsmedium antreibbare Working medium, at least one of the working medium drivable
Expansionsmaschine, mindestens einen Kondensator zur Kondensation des in der Expansionsmaschine entspannten dampfförmigen Arbeitsmediums in den flüssigen Zustand, unter Abgabe von Wärme an das Fahrzeugkühlsystem. Expansion machine, at least one condenser for condensing the relaxed in the expansion machine vaporous working medium in the liquid state, with the release of heat to the vehicle cooling system.
Weiterhin ist mindestens eine Fördereinrichtung zur Druckerhöhung des kondensierten Arbeitsmediums und Förderung in den Verdampfer vorgesehen. Somit wird das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt und kann im Verdampfer erneut Abwärme aufnehmen. Die Expansionsmaschine kann insbesondere eine Turbine oder ein Scroll Expander sein. Furthermore, at least one conveying device is provided for increasing the pressure of the condensed working medium and conveying into the evaporator. Thus, the working medium is guided in a closed circuit and can absorb waste heat again in the evaporator. The expansion machine may in particular be a turbine or a scroll expander.
Es ist weiterhin ein Regelkreis vorgesehen, der mindestens auf die Förderrate mw der Fördereinrichtung als Stellgröße einwirkt und mindestens die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums auf einen Sollwert Tw,s regelt. Furthermore, a control circuit is provided which acts at least on the delivery rate mw of the delivery device as a manipulated variable and regulates at least the temperature Tw of the working medium emerging from the evaporator to a desired value T w , s.
Erfindungsgemäß erhält der mit einem derartigen System verbindbare According to the invention obtains connectable with such a system
Leistungsoptimierer einen Satz Größen, aus dem mindestens die Temperatur TA und der Massenstrom ΠΓΙΑ des Abgases am Ort des Verdampfers hervorgehen, als Eingabe und ordnet jedem Wertevektor dieser Größen einen Sollwert Tw,s für die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums zu. DerPower optimizer as a set of sizes from which at least the temperature TA and the mass flow ΠΓΙΑ of the exhaust gas emerge at the location of the evaporator as input and assigns each value vector of these sizes to a setpoint Tw, s for the temperature of the effluent from the evaporator working fluid. The
Leistungsoptimierer ist dazu ausgebildet, diesen Sollwert Tw,s an den Regelkreis zu liefern. Der Leistungsoptimierer kann insbesondere die Temperatur TA und den Massenstrom ΠΓΙΑ des Abgases unmittelbar als Eingabe erhalten. Aus der Temperatur TA und dem Massenstrom ΠΓΙΑ des Abgases ergibt sich der Power optimizer is designed to deliver this setpoint Tw, s to the control loop. The power optimizer can in particular directly receive the temperature TA and the mass flow ΠΓΙΑ of the exhaust gas as input. From the temperature TA and the mass flow ΠΓΙΑ of the exhaust gas results in the
Enthalpiestrom des Abgases am Ort des Verdampfers. Auf diese Weise kann mit dem Leistungsoptimierer ein beliebiges Enthalpy flow of the exhaust gas at the location of the evaporator. In this way, with the power optimizer any
Optimierungsziel verfolgt werden, ohne dass die bereits vorhandene aktive Regelung des Abwärmerückgewinnungssystems komplett zu überarbeiten wäre. Stattdessen kann die vorhandene aktive Regelung in vollem Umfang Be pursued without the existing active control of the waste heat recovery system would be completely revised. Instead, the existing active scheme in full
weitergenutzt werden. Dies ist gerade beim Einsatz in Fahrzeugen vorteilhaft, wo Änderungen, die sich auf die Umwelteigenschaften auswirken, einer Zulassung bedürfen. continue to be used. This is particularly advantageous for use in vehicles, where changes that affect the environmental properties, a permit.
Der Regelkreis muss nicht ausschließlich auf die Förderrate mw derjenigen Fördereinrichtung einwirken, die das Arbeitsmedium fördert. Der Regelkreis kann auch auf weitere Stellgrößen einwirken. Ist beispielsweise der Kondensator von einem Kühlmedium durchströmt, so kann auch der Massenstrom des The control loop does not have to act exclusively on the delivery rate mw of the conveyor which conveys the working medium. The control loop can also act on further manipulated variables. For example, if the condenser flows through a cooling medium, then the mass flow of the
Kühlmediums als Stellgröße dienen. Weiterhin können auch Schaltstellungen für Ventile, die den Strom des Abgases oder des Arbeitsmediums umleiten, als Stellgrößen dienen. Beispielsweise kann der in den Abgasstrom geschaltete Verdampfer mit einer Abgas-Bypassleitung überbrückt sein, die über ein Abgas- Bypassventil aktivierbar ist. Alternativ oder auch in Kombination kann die in den Strom des Arbeitsmediums geschaltete Expansionsmaschine mit einer Arbeits- Bypassleitung überbrückt sein, die über ein Arbeits- Bypassventil aktivierbar ist. Ein eventuell vorhandenes Reservoir für das Arbeitsmedium kann über Cooling medium serve as a manipulated variable. Furthermore, switch positions for valves that redirect the flow of the exhaust gas or of the working medium can also serve as manipulated variables. For example, the evaporator connected in the exhaust gas flow can be bridged with an exhaust gas bypass line, which can be activated via an exhaust gas bypass valve. Alternatively or in combination, the expansion machine connected in the flow of the working medium can be bridged with a working bypass line, which can be activated via a working bypass valve. A possibly existing reservoir for the working medium can over
Tankventile an den Kreislauf des Arbeitsmediums angebunden sein, deren Schaltstellungen ebenfalls als Stellgrößen dienen können. Wenn das Tank valves to be connected to the circuit of the working fluid whose switching positions can also serve as manipulated variables. If that
Abwärmerückgewinnungssystem ein e-WHR-System ist, in dem die Turbine an einen Generator gekoppelt ist und die aus der Turbine bezogene mechanische Leistung weiter in elektrische Leistung umgewandelt wird, kann auch die durch die Turbine-Generator-Einheit eingestellte Drehzahl als weitere Stellgröße dienen. Das Optimierungsziel kann beispielsweise sein, dem als Eingabe erhaltenenWaste heat recovery system is an e-WHR system in which the turbine is coupled to a generator and the turbine related mechanical power is further converted into electrical power, the set by the turbine-generator unit speed can serve as another control variable. For example, the optimization goal may be that received as input
Wertevektor denjenigen Sollwert Tw,s für die Temperatur des aus dem Value vector that setpoint Tw, s for the temperature of the out of the
Verdampfer austretenden Arbeitsmediums zuzuordnen, bei dem die von dem Abwärmerückgewinnungssystem abgegebene Nettoleistung maximal ist. Diese Nettoleistung ist nicht identisch mit der Leistung, die in die Expansionsmaschine eingebracht wird. Vielmehr ist von dieser Leistung diejenige Leistung abzuziehen, die für den Betrieb der Fördereinrichtung vonnöten ist. Der Assign evaporator escaping working fluid in which the output from the waste heat recovery system net power is maximum. This net power is not identical to the power put into the expansion machine. Rather, of that power is that power deduct, which is necessary for the operation of the conveyor. The
Gesamtwirkungsgrad kann also beispielsweise verbessert werden, wenn es gelingt, mit weniger Energieeinsatz an der Fördereinrichtung die gleiche Leistung in die Expansionsmaschine einzubringen. Overall efficiency can thus be improved, for example, if it is possible to introduce the same power into the expansion machine with less energy input at the conveyor.
Dabei ist der Leistungsoptimierer vorteilhaft dazu ausgebildet, bei der In this case, the power optimizer is advantageously designed to be in the
Bestimmung des Sollwerts Tw,s mindestens eine Randbedingung für mindestens eine Zustandsgröße, und/oder für mindestens eine Stellgröße, zu Determining the setpoint value Tw, s at least one boundary condition for at least one state variable, and / or for at least one manipulated variable, too
berücksichtigen. Diese Zustandsgröße kann sich insbesondere auf das account. This state variable can be applied in particular to the
Abwärmerückgewinnungssystem, auf das Fahrzeug oder auf die Umgebung beziehen. Auf diese Weise wird vorteilhaft vermieden, dass die Waste heat recovery system, refer to the vehicle or to the environment. In this way, it is advantageously avoided that the
Leistungsoptimierung auf einen de facto unerreichbaren Sollwert führt und der nachgeschaltete Regelkreis in dem Bestreben, den nächsten erreichbaren Sollwert anzusteuern, die durch den Leistungsoptimierer vorgenommene Optimierung ganz oder teilweise wieder zunichtemacht, oder sogar Optimizing performance to a de facto unattainable setpoint and the downstream loop in an effort to control the next achievable setpoint, which wholly or partially canceled out the optimization made by the power optimizer, or even
überkompensiert. overcompensated.
Zustandsgrößen, die Randbedingungen unterliegen können, sind insbesondere thermodynamische Zustandsgrößen des Kreislaufs für das Arbeitsmedium, wie beispielsweise Drücke und Temperaturen. Es können aber beispielsweise auch Zustandsgrößen des Abgases oder des Kühlsystems des Fahrzeugs durch Randbedingungen beschränkt sein. Diese Randbedingungen können sich insbesondere von Fahrzeug zu Fahrzeug unterscheiden. Indem der State variables which may be subject to boundary conditions are, in particular, thermodynamic state variables of the circuit for the working medium, such as, for example, pressures and temperatures. However, for example, state variables of the exhaust gas or of the cooling system of the vehicle may also be limited by boundary conditions. These boundary conditions may differ in particular from vehicle to vehicle. By the
Leistungsoptimierer derartige Randbedingungen berücksichtigt, wird somit seine Universaltauglichkeit für den Einsatz in verschiedensten Fahrzeugen verbessert. Optimizer takes into account such boundary conditions, thus its universal suitability for use in various vehicles is improved.
Beispielsweise können solche Randbedingungen aufgestellt werden, mit denen gewährleistet ist, dass das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine als tropfenfreier Dampf zugeführt wird, also als Dampf, der kein Nassdampf ist. Da Tropfen eine wesentlich höhere Dichte haben als Dampf, können sie For example, such boundary conditions can be established, with which it is ensured that the working medium of the expansion machine is supplied as drip-free steam, ie as steam, which is not wet steam. Since drops have a much higher density than steam, they can
beispielsweise in einer als Expansionsmaschine verwendeten Turbine erhöhten Verschleiß verursachen. for example, cause increased wear in a turbine used as an expansion machine.
Weiterhin können sich Randbedingungen beispielsweise auf eine maximale Temperatur hinter dem Verdampfer, auf eine minimale Überhitzung vor der Expansionsmaschine, auf eine minimale Unterkühlung hinter dem Kondensator, auf einen maximalen Hochdruck, auf einen minimalen und maximalen Furthermore, boundary conditions, for example, to a maximum temperature behind the evaporator, to a minimum overheating before Expansion machine, to a minimum subcooling behind the condenser, to a maximum high pressure, to a minimum and maximum
Niederdruck und/oder auf eine maximale Kühlwassertemperatur hinter dem Kondensator beziehen. Low pressure and / or refer to a maximum cooling water temperature behind the condenser.
Vorteilhaft erhält der Leistungsoptimierer zusätzlich mindestens eine Störgröße, die Einfluss auf den Betrieb des Abwärmerückgewinnungssystems hat, ohne selbst direkt beeinflussbar zu sein, als Eingabe. Damit wird die Genauigkeit der im Leistungsoptimierer vorgenommenen Zuordnung, welcher Sollwert Tw,s für die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums quantitativ zu welchem Betriebszustand des Abwärmerückgewinnungssystems führt (etwa zu welcher von diesem System abgegebenen Nettoleistung), verbessert. Somit wird der optimale Arbeitspunkt des Abwärmerückgewinnungssystems genauer getroffen. Advantageously, the power optimizer additionally receives at least one disturbance which has an influence on the operation of the waste heat recovery system, without itself being directly influenceable, as input. Thus, the accuracy of the assignment made in the performance optimizer, which set point Tw, s for the temperature of the working medium leaving the evaporator, is quantitatively improved to what operating state of the waste heat recovery system (for example, at which net power delivered by this system). Thus, the optimum operating point of the waste heat recovery system is more accurately met.
Derartige Störgrößen können beispielsweise die Temperatur des Abgases vor dem Verdampfer, der gesamte Massenstrom an anfallendem Abgas, die Such disturbances can, for example, the temperature of the exhaust gas upstream of the evaporator, the total mass flow of accumulating exhaust gas, the
Kühlwassertemperatur am Eintritt des Kondensators oder die Cooling water temperature at the inlet of the condenser or the
Umgebungstemperatur sein. Be ambient temperature.
Die Werte der Zustandsgrößen, und/oder der Störgrößen, können auf beliebige Weise erhalten und dem Leistungsoptimierer, und/oder dem Regelkreis, zugeführt werden. Sie können beispielsweise direkt mit Sensoren gemessen, aber auch beispielsweise mit Hilfe von Modellen und/oder Kennfeldern aus weiteren Größen abgeleitet werden. Die Werte können auch beispielsweise von anderen Steuergeräten im Fahrzeug bezogen werden. The values of the state variables, and / or the disturbances, can be obtained in any manner and fed to the power optimizer, and / or the control loop. For example, they can be measured directly with sensors, but can also be derived from other variables, for example with the aid of models and / or characteristic diagrams. The values can also be obtained, for example, from other control devices in the vehicle.
Der Leistungsoptimierer kann beispielsweise die Motordrehzahl, das The power optimizer may, for example, the engine speed, the
Motordrehmoment und den Schaltzustand des Abgasrückführventils des Engine torque and the switching state of the exhaust gas recirculation valve of
Fahrzeugs als Eingabe erhalten. Eine Abgasrückführung, und dementsprechend ein Abgasrückführventil, ist bei allen modernen Fahrzeugen vorgeschrieben. Aus den genannten Größen lassen sich die Temperatur TA und der Massenstrom mA des Abgases am Ort des Verdampfers ermitteln. So geht beispielsweise die Temperatur TA des Abgases über Kennfelder oder Modelle aus der Vehicle received as input. Exhaust gas recirculation, and accordingly an exhaust gas recirculation valve, is mandatory in all modern vehicles. From the variables mentioned, the temperature TA and the mass flow mA of the exhaust gas at the location of the evaporator can be determined. For example, the temperature TA of the exhaust gas passes through maps or models from the
Motordrehzahl und dem Motordrehmoment hervor. Ebenso bestimmt dieser Arbeitspunkt des Motors, wieviel Massenstrom an Abgas insgesamt anfällt. Der Schaltzustand des Abgasrückführventils entscheidet wiederum darüber, welcher Anteil des Abgases in den Motor zurückgeführt wird und welcher Anteil über den Turbolader und die Abgasnachbehandlung zum Auspuff geleitet wird. Ein Verdampfer zur Entnahme von Abwärme aus dem Abgas kann nun Engine speed and the engine torque. Likewise, this determines Operating point of the engine, how much mass flow of exhaust gas accumulates in total. The switching state of the exhaust gas recirculation valve in turn decides which portion of the exhaust gas is returned to the engine and which portion is passed via the turbocharger and the exhaust aftertreatment to the exhaust. An evaporator for removing waste heat from the exhaust gas can now
beispielsweise zwischen Abgasnachbehandlung und Auspuff angeordnet sein, er kann alternativ oder in Kombination hierzu jedoch auch in die For example, be arranged between the exhaust aftertreatment and exhaust, but it can alternatively or in combination thereto but also in the
Abgasrückführleitung geschaltet sein. Insbesondere bei einer Kombination aus zwei Verdampfern entscheidet die Schaltstellung des Abgasrückführventils darüber, wieviel Abgas bei welchem Verdampfer ankommt. Be connected exhaust gas recirculation line. In particular, in a combination of two evaporators, the switching position of the exhaust gas recirculation valve determines how much exhaust gas arrives at which evaporator.
Zur weiteren Verfeinerung kann der Leistungsoptimierer zusätzlich die For further refinement, the power optimizer may additionally include the
Umgebungstemperatur am Ort des Verdampfers als Eingabe erhalten. Der thermodynamische Kreisprozess des Arbeitsmediums wird quantitativ Ambient temperature at the location of the evaporator received as input. The thermodynamic cycle of the working fluid becomes quantitative
hauptsächlich durch Temperaturdifferenzen zwischen Wärmereservoirs, beispielsweise zwischen Abgas und Umgebung, bestimmt. mainly determined by temperature differences between heat reservoirs, for example between the exhaust gas and the environment.
Der Regelkreis des Abwärmerückgewinnungssystems kann zusätzlich dazu ausgebildet sein, den Druck pw des aus dem Verdampfer austretenden The control loop of the waste heat recovery system may additionally be adapted to the pressure pw of the exiting from the evaporator
Arbeitsmediums auf einen Sollwert pw,s zu regeln. Dementsprechend kann dann der Leistungsoptimierer zusätzlich dazu ausgebildet sein, jedem Wertevektor der als Eingabe erhaltenen Größen auch einen Sollwert pw,s für den Druck pw zuzuordnen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der Working medium to a setpoint pw, s to regulate. Accordingly, the power optimizer can then additionally be designed to also assign to each value vector of the quantities received as input a desired value pw, s for the pressure pw. In a particularly advantageous embodiment of the invention contains the
Leistungsoptimierer ein Modell des Abwärmerückgewinnungssystems und ist dazu ausgebildet, anhand dieses Modells dem als Eingabe erhaltenen  Power Optimizer is a model of the waste heat recovery system and is designed to use this model as input
Wertevektor den Sollwert Tw,s für die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums zuzuordnen. Das Modell kann sich beispielsweise auf den stationären Zustand des Abwärmerückgewinnungssystems beziehen und auf einer Recheneinheit, wie beispielsweise einem Steuergerät, ausgeführt werden. Dies erfordert eine entsprechende im Fahrzeug mitzuführende Value vector to assign the setpoint Tw, s for the temperature of the effluent from the evaporator working fluid. For example, the model may refer to the stationary state of the waste heat recovery system and be executed on a computing unit, such as a controller. This requires a corresponding entrained in the vehicle
Rechenkapazität, bringt dafür jedoch den Vorteil, dass das Modell maximal flexibel Veränderungen nachgeführt werden kann. Beispielsweise können Komponenten oder Betriebsstoffe (etwa Motoröl) im System altern, oder der Strömungswiderstand eines Partikelfilters in der Abgasnachbehandlung kann sich mit zunehmender Füllung des Filters erhöhen, um nach dem Freibrennen des Filters anschließend schlagartig abzusinken. Computing capacity, but has the advantage that the model can be flexibly updated changes maximum. For example, components or supplies (such as engine oil) may age in the system, or the Flow resistance of a particulate filter in the exhaust aftertreatment may increase with increasing filling of the filter to then abruptly drop after the burning of the filter.
Ausgehend von physikalischen, stationären und verteilt-parametrischen Starting from physical, stationary and distributed parametric
Gleichungen für die Beschreibung des Abwärmerückgewinnungssystems kann beispielsweise eine numerische Optimierungsrechnung durchgeführt werden, an deren Ende jedem Wertevektor der Eingangsgrößen ein Sollwert Tw,s für die Temperatur Tw zugeordnet wird. Das Modell kann beispielsweise For example, for the description of the waste heat recovery system, a numerical optimization calculation can be carried out, at the end of which each value vector of the input variables is assigned a setpoint value Tw, s for the temperature Tw. The model can, for example
Bilanzgleichungen für Massenströme und Energien unter Berücksichtigung aller notwendigen Stoffzusammenhänge umfassen. Beispielsweise kann eine Balance-sheet equations for mass flows and energies, taking into account all necessary substance relationships. For example, a
Bilanzgleichung für eine Energie aus dem Grundsatz der Energieerhaltung abgeleitet werden. Eine Bilanzgleichung für einen Massenstrom kann Balance equation for an energy derived from the principle of energy conservation. A balance equation for a mass flow can
beispielsweise daraus abgeleitet werden, dass das Arbeitsmedium im flüssigen Aggregatzustand inkompressibel ist und im geschlossenen Kreislauf weder erzeugt noch vernichtet werden kann. For example, be derived from the fact that the working fluid in the liquid state is incompressible and can not be generated or destroyed in a closed circuit.
In dem Modell können als Zustandsgrößen beispielsweise die spezifische Enthalpie und Fluid- und Wandtemperaturen des Verdampfers (bzw. der Verdampfer, wenn mehrere vorhanden sind) und des Kondensators, sowie der Druck, die spezifische Enthalpie und die Temperaturen der Hoch- und In the model can be used as state variables, for example, the specific enthalpy and fluid and wall temperatures of the evaporator (or the evaporator, if there are several) and the capacitor, and the pressure, the specific enthalpy and the temperatures of the high and
Niederdruckverrohrung auftreten. Als Hochdruckverrohrung wird die Verrohrung von der Fördereinrichtung über den oder die Verdampfer bis zur Low pressure piping occur. As high-pressure piping is the piping from the conveyor via the evaporator or to the
Expansionsmaschine bezeichnet. Als Niederdruckverrohrung wird die Verrohrung vom Ausgang der Expansionsmaschine über den Kondensator bis zum Eingang der Fördereinrichtung verstanden. Expansion machine called. Low-pressure piping is understood to mean the piping from the outlet of the expansion machine via the condenser to the inlet of the conveyor.
Das Modell kann beispielsweise als Eingangsgröße den durch die The model can, for example, as input by the
Fördereinrichtung und durch die zugehörigen Ventile eingestellten Massenstrom an Arbeitsmedium durch den oder die Verdampfer enthalten. Zusätzlich können beispielsweise ein Kühlwasser-Massenstrom, eine Abgasklappenstellung, die Drehzahl der Expansionsmaschine sowie die Schaltstellungen von Ventilen, wie beispielsweise Tankventile, Abgas-Bypassventil oder Arbeits-Bypassventil, als Eingangsgrößen in das Modell eingehen. Das Modell kann beispielsweise Temperaturen und Massenströme des Abgases sowie die Umgebungstemperatur als zusätzlich wirkende Größen enthalten. Conveyor and adjusted by the associated valves mass flow of working fluid contained by the evaporator or the. In addition, for example, a cooling water mass flow, an exhaust valve position, the speed of the expansion engine and the switching positions of valves, such as tank valves, exhaust bypass valve or working bypass valve, as input variables in the model. The model may include, for example, temperatures and mass flows of the exhaust gas and the ambient temperature as additional acting variables.
Alternativ oder in Kombination kann der Leistungsoptimierer mindestens ein Kennfeld enthalten, das dem als Eingabe erhaltenen Wertevektor einen Sollwert Tw.sfür die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums zuordnet. Ein solches Kennfeld lässt sich vorausberechnen, so dass im Fahrzeug selbst weniger Rechenkapazität erforderlich ist. Es lässt sich auch beispielsweise als Update vertreiben. Alternatively or in combination, the power optimizer may include at least one map that associates a value Tw.s for the temperature of the working fluid exiting the evaporator with the value vector obtained as input. Such a map can be calculated in advance, so that less computing capacity is required in the vehicle itself. It can also be sold, for example, as an update.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ordnet der Leistungsoptimierer dem als Eingabe erhaltenen Wertevektor zusätzlich einen Sollwert P ,S für den Niederdruck P des Arbeitsmediums nach Entspannung in der Expansionsmaschine, und/oder einen Sollwert ns für die stationäre Drehzahl n der Expansionsmaschine, zu. Auf diese Weise stehen mehr Freiheitsgrade für die Erfüllung eines Gütekriteriums zur Verfügung. Dabei kann insbesondere vorteilhaft die Eingabe zusätzlich mindestens einen Wert für die In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the power optimizer additionally assigns to the value vector obtained as input a desired value P, S for the low pressure P of the working medium after expansion in the expansion machine, and / or a desired value ns for the stationary speed n of the expansion machine. In this way, more degrees of freedom are available for the fulfillment of a quality criterion. In this case, in particular advantageously, the input additionally has at least one value for the
Kühlwassertemperatur am Ort des Kondensators umfassen. Nach dem zuvor Beschriebenen bezieht sich die Erfindung auch auf ein Cooling water temperature at the location of the capacitor include. After the above, the invention also relates to a
Abwärmerückgewinnungssystem. Dieses System umfasst mindestens einen Verdampfer zur Überführung von Abwärme aus von dem Fahrzeug erzeugtem Abgas in ein Arbeitsmedium, mindestens eine von dem Arbeitsmedium antreibbare Expansionsmaschine, mindestens einen Kondensator zur  Waste heat recovery system. This system comprises at least one evaporator for transferring waste heat from the exhaust gas generated by the vehicle into a working medium, at least one expansion machine drivable by the working medium, at least one condenser for
Kondensation des in der Expansionsmaschine entspannten Arbeitsmediums in den flüssigen Zustand sowie mindestens eine Fördereinrichtung zur Condensation of the expanded in the expansion machine working fluid in the liquid state and at least one conveyor for
Druckerhöhung des kondensierten Arbeitsmediums und Förderung in den Verdampfer. Weiterhin ist ein Regelkreis vorgesehen, der mindestens auf die Förderrate mw der Fördereinrichtung als Stellgröße einwirkt und mindestens die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums auf einen Sollwert Tw,s regelt. Das System zeichnet sich dadurch aus, dass ein Leistungsoptimierer gemäß der Erfindung vorgesehen ist und den Sollwert Tw,s an den Regelkreis liefert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdampfer in den Abgasstrom zwischen dem Austritt aus einem Pressure increase of the condensed working medium and promotion in the evaporator. Furthermore, a control loop is provided, which acts at least on the delivery rate mw of the conveyor as a control variable and at least the temperature Tw of the emerging from the evaporator working fluid to a target value Tw, s controls. The system is characterized in that a power optimizer according to the invention is provided and supplies the desired value Tw, s to the control loop. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the evaporator is in the exhaust gas flow between the outlet of a
Abgasnachbehandlungssystem und einem Auspuff des Fahrzeugs geschaltet. Dann kann die Abwärme nach dem Abgasnachbehandlungssystem noch als Prozesswärme genutzt werden.  Exhaust aftertreatment system and an exhaust of the vehicle switched. Then the waste heat after the exhaust aftertreatment system can still be used as process heat.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweiter Verdampfer in den Abgasstrom einer Abgasrückführung in den Motor des Fahrzeugs geschaltet. Ein solcher Verdampfer kann neben seiner eigentlichen Funktion der Energierückgewinnung gleichzeitig die mit der Abgasrückführung unter anderem bezweckte Abkühlung des Abgases unterstützen. Somit kann dann die Abwärmerückgewinnung synergistisch mit der Abgasrückführung zusammenwirken. In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a second evaporator is connected in the exhaust gas flow of an exhaust gas recirculation in the engine of the vehicle. Such an evaporator, in addition to its actual function of energy recovery at the same time support the exhaust gas recirculation, among other things, intended cooling of the exhaust gas. Thus, the waste heat recovery can then synergistically interact with the exhaust gas recirculation.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung speisen beide Verdampfer eine gemeinsame Expansionsmaschine mit dem In a further particularly advantageous embodiment of the invention, both evaporators feed a common expansion machine with the
Arbeitsmedium. Gegenüber einem System mit getrennten Working medium. Compared to a system with separate
Expansionsmaschinen, die den jeweiligen Verdampfern zugeordnet sind, werden erhebliche Kosten eingespart. Dafür können die aus beiden Verdampfern austretenden Ströme des Arbeitsmediums miteinander wechselwirken. Mit dem Leistungsoptimierer gemäß der Erfindung ist in dieser Konstellation Expansion machines, which are associated with the respective evaporators, are saved considerable costs. For the emerging from both evaporators streams of the working medium can interact with each other. With the power optimizer according to the invention is in this constellation
gewährleistet, dass ein Maximum an Energie zurückgewonnen werden kann, während gleichzeitig alle Zustandsbeschränkungen eingehalten werden. Ensures that maximum energy can be recovered while meeting all conditional constraints.
Der Leistungsoptimierer gemäß der Erfindung kann in einem separaten The power optimizer according to the invention may be in a separate
Steuergerät implementiert sein, aber auch beispielsweise als reine Control unit implemented, but also for example as pure
Softwarelösung in ein bestehendes Steuergerät implementiert sein. Eine solche Software kann beispielsweise als Update verkauft werden und ist insofern ein eigenständiges Produkt. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Software solution to be implemented in an existing controller. Such software can be sold, for example, as an update and is thus an independent product. Therefore, the invention also relates to a
Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, zu einem Leistungsoptimierer gemäß der Erfindung aufwerten. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. A computer program product having machine readable instructions which, when executed on a computer and / or on a controller, upgrade the computer and / or the controller to a power optimizer according to the invention. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Integration der Leistungsoptimierung 1 in den Regelkreis 27 für das Abwärmerückgewinnungssystem 2; Figure 1 integration of the power optimization 1 in the control loop 27 for the waste heat recovery system 2;
Figur 2 Detailansicht des stationären Optimierungsmoduls 12; FIG. 2 detailed view of the stationary optimization module 12;
Figur 3 Integration des Abwärmerückgewinnungssystems 2 in das Fahrzeug 3. FIG. 3 Integration of the waste heat recovery system 2 into the vehicle 3.
Nach Figur 1 wirkt der Regelkreis 27 über die Förderrate mw der According to FIG. 1, the control circuit 27 acts via the delivery rate mw of FIG
Fördereinrichtung 26 als hier beispielhaft eingezeichnete Stellgröße auf das Abwärmerückgewinnungssystem 2 ein. Daraufhin stellt sich ausgangsseitig des Verdampfers 21, 22 eine Temperatur Tw des Arbeitsmediums 23 ein. Diese Temperatur Tw wird in den Regelkreis 27 zurückgekoppelt und dort durch Einwirkung auf die Stellgröße mw auf einen Sollwert Tw,s geregelt. Dabei ist die Temperatur Tw des Arbeitsmediums 23 lediglich beispielhaft als eine der Größen eingezeichnet, die sich bei Einwirkung auf die Förderrate mw als Stellgröße ändern. Conveyor 26 as here exemplified control variable to the waste heat recovery system 2 a. Thereupon, on the output side of the evaporator 21, 22, a temperature Tw of the working medium 23 sets. This temperature Tw is fed back into the control loop 27 and there regulated by action on the manipulated variable mw to a desired value Tw, s. In this case, the temperature Tw of the working medium 23 is shown by way of example only as one of the variables that change as a manipulated variable when exposed to the delivery rate mw.
Eine Online-Parameter- und Zustandsschätzung 27a erhält die Förderrate mw und die Temperatur Tw, sowie optional auch weitere, in Figur 1 nicht An online parameter and state estimation 27a receives the delivery rate mw and the temperature Tw, and optionally also other, not in FIG
eingezeichnete, Stellgrößen oder auch Ausgangsgrößen des drawn, manipulated variables or output variables of
Abwärmerückgewinnungssystems 2. Daraus werden die Zustandsgrößen 27b bestimmt und sowohl an den Regelkreis 27 als auch an den Leistungsoptimierer 1 weitergeleitet. Waste heat recovery system 2. From this state variables 27 b are determined and forwarded to both the control circuit 27 and the power optimizer 1.
Der Leistungsoptimierer 1 erhält Größen, aus denen die Temperatur TA und der Massenstrom mA des Abgases 31 am Ort des Verdampfers 21, 22 hervorgehen, als Eingabe 11, wobei zu jedem Zeitpunkt die jeweiligen Eingabewerte in einem Wertevektor zusammengefasst sind. Dieser Wertevektor wird zunächst einem stationären Optimierungsmodul 12 zugeführt, welches ein stationäres Modell 2a des Abwärmerückgewinnungssystems 2 enthält. In einem nachgeschalteten Trajektoriengenerator 13 wird ein Sollwert Tw,s für die Temperatur Tw ermittelt. Dieser Sollwert Tw,s wird dem Regelkreis 27 zugeführt. The power optimizer 1 obtains quantities from which the temperature TA and the mass flow mA of the exhaust gas 31 at the location of the evaporator 21, 22 emerge, as input 11, wherein at any time the respective input values are combined in a value vector. This value vector is first supplied to a stationary optimization module 12, which contains a stationary model 2a of the waste heat recovery system 2. In a downstream trajectory generator 13, a desired value Tw, s for the temperature Tw is determined. This setpoint value Tw, s is fed to the control loop 27.
Figur 2 zeigt eine Detailansicht des stationären Optimierungsmoduls 12. Das Optimierungsmodul 12 enthält ein Gütemaßmodul 12a und einen FIG. 2 shows a detailed view of the stationary optimization module 12. The optimization module 12 contains a quality measure module 12 a and a
Optimierungsalgorithmus 12b. Optimization algorithm 12b.
In dem Gütemaßmodul 12a wird anhand des aktuellen Motor-Arbeitspunkts, der durch die als Eingabe 11 erhaltene Temperatur TA und den Massenstrom ΓΤΊΑ des Abgases 31 verkörpert wird, in Verbindung mit den weiteren Zustands- und Messgrößen 27b die Güte M eines Kandidaten Tw,s* für den Sollwert Tw,s bewertet. Dabei wird das Modell 2a herangezogen. Wesentliche Kriterien für die Gütebewertung ist das Gütekriterium 14, dass die vom In the quality measure module 12a, the quality M of a candidate Tw, s * is embodied on the basis of the current engine operating point, which is embodied by the temperature TA and the mass flow ΓΤΊΑ of the exhaust gas 31 obtained as input 11, in conjunction with the further state variables and measures 27b. for the setpoint Tw, s rated. The model 2a is used here. Essential criteria for the quality assessment is the quality criterion 14, that of the
Abwärmerückgewinnungssystem 2 bezogene Nettoleistung maximiert wird, sowie die Randbedingung 15, sowie dass der zulässige Betriebsbereich eingehalten wird. Waste heat recovery system 2 net power is maximized, as well as the boundary condition 15, and that the permissible operating range is maintained.
Der Optimierungsalgorithmus 12b enthält die Strategie, nach der Kandidaten Tw,s* ausgewählt und mit dem Gütemaßmodul 12a getestet werden. Diese Strategie ist maßgeblich dafür, dass der letztendliche Sollwert Tw,s, welcher die Nettoleistung maximiert, deutlich schneller gefunden wird als durch das in Echtzeit nicht praktikable Ausprobieren aller möglichen Zahlenwerte. The optimization algorithm 12b contains the strategy according to which candidates Tw, s * are selected and tested with the quality measure module 12a. This strategy governs that the final setpoint Tw, s, which maximizes net performance, is found much faster than the real-time impracticability of all possible numerical values.
Das Modell 2a geht davon aus, dass die Eingangsgrößen 11 in einem Vektor u und zusätzliche, nicht direkt beeinflussbare Störgrößen in einem Vektor d zusammengefasst sind. Die stationären Zustände 27b sind in einem Vektor x zusammengefasst, wobei diese Zustände 27b wiederum vom Vektor u der Eingangsgrößen 11 und vom Vektor d der Störgrößen abhängen. Aus The model 2a assumes that the input variables 11 are combined in a vector u and additional, not directly influenceable disturbances in a vector d. The stationary states 27b are combined in a vector x, these states 27b in turn depending on the vector u of the input variables 11 and the vector d of the disturbance variables. Out
Bilanzgleichungen für Massenströme und Energien werden stationäre Balance sheet equations for mass flows and energies become stationary
Modellgleichungen der Form f(x(u,d),u)=0 aufgestellt. Das im Rahmen der Optimierung zu minimierende Gütekriterium 14 für die Nettoleistung des Abwärmerückgewinnungssystem kann beispielsweise die Form - PE (x(u, ),u)+ PF (x(u, ),u)+ PK (u) Model equations of the form f (x (u, d), u) = 0 are set up. The quality criterion 14 for the net output of the waste heat recovery system to be minimized in the context of optimization can be, for example, the form -P E (x (u,), u) + P F (x (u,), u) + P K (u)
haben. Hierin ist PE die von der Expansionsmaschine 24 abgegebene Leistung. PF ist die Leistung, die für die Fördereinrichtung 26 aufzuwenden ist, und Ρκ ist die Leistung, die für Kühlmittelpumpen aufzuwenden ist. Diese Leistungen sind bei der Berechnung der netto zurückgewonnenen Leistung von PE abzuziehen. to have. Here, PE is the power output from the expansion machine 24. PF is the power to be spent on the conveyor 26, and Ρκ is the power to spend on coolant pumps. These benefits shall be deducted from the calculation of the net recovered power of PE.
Figur 3 zeigt, wie das Abwärmerückgewinnungssystem 2 beispielhaft in ein Fahrzeug 3 integrierbar ist. Verbrennungsluft 30 wird über einen Turbolader 30b angesaugt und in einem Ladeluftkühler 30a gekühlt, wobei die Pfeile am FIG. 3 shows how the waste heat recovery system 2 can be integrated into a vehicle 3 by way of example. Combustion air 30 is sucked in via a turbocharger 30b and cooled in a charge air cooler 30a, the arrows on
Ladeluftkühler 30a die Strömung des Kühlmittels andeuten. Die Verbrennungsluft wird mit rückgeführtem Abgas 31 aus der Abgasrückführung 33 vermischt und in den Motor 36 geleitet. Intercooler 30a indicate the flow of the coolant. The combustion air is mixed with recirculated exhaust gas 31 from the exhaust gas recirculation 33 and fed into the engine 36.
Das vom Motor 36 erzeugte Abgas 31 wird, gesteuert durch das The exhaust gas 31 generated by the engine 36 is controlled by the
Abgasrückführventil 32, teilweise wieder in die Abgasrückführung 33 geleitet. Das restliche Abgas 31a treibt zunächst den Turbolader 30b an und wird in der Abgasnachbehandlung 34 unschädlich gemacht, bevor ihm im ersten Exhaust gas recirculation valve 32, partially passed back into the exhaust gas recirculation 33. The remaining exhaust gas 31a first drives the turbocharger 30b and is rendered harmless in the exhaust aftertreatment 34, before it in the first
Verdampfer 21 Abwärme entzogen wird. Das abgekühlte Abgas 31b wird dem Auspuff 35 zugeleitet. Über ein Abgas- Bypassventil 21a kann der Verdampfer 21 überbrückt und somit temporär deaktiviert werden. Evaporator 21 waste heat is removed. The cooled exhaust 31b is supplied to the exhaust 35. Via an exhaust gas bypass valve 21a, the evaporator 21 can be bridged and thus temporarily deactivated.
In dem Verdampfer 21 wird das Arbeitsmedium 23 in überhitzten Dampf 23c verwandelt und der Expansionsmaschine 24 zugeleitet. Das entspannte In the evaporator 21, the working medium 23 is converted into superheated steam 23c and supplied to the expansion machine 24. The relaxed
Arbeitsmedium 23a wird im Kondensator 25 zu flüssigem Arbeitsmedium 23b kondensiert, wobei durch die Pfeile am Kondensator 25 wiederum der Fluss des Kühlmittels angedeutet wird. Das kondensierte Arbeitsmedium 23b wird in der Fördereinrichtung 26 wieder komprimiert und zurück in den Verdampfer 21 geführt. Working medium 23a is condensed in the condenser 25 into liquid working medium 23b, the flow of the coolant in turn being indicated by the arrows on the condenser 25. The condensed working medium 23b is compressed again in the conveying device 26 and fed back into the evaporator 21.
Zusätzlich ist in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ein weiterer Verdampfer 22 in den Abgasstrom der Abgasrückführleitung 33 geschaltet. In addition, in the exemplary embodiment shown in FIG. 3, a further evaporator 22 is connected in the exhaust gas flow of the exhaust gas recirculation line 33.
Dieser Verdampfer 22 wird von der gleichen Fördereinrichtung 26 mit Arbeitsmedium 23 versorgt wie der erste Verdampfer 21, und er speist zusammen mit dem Verdampfer 21 die gleiche Expansionsmaschine 24. This evaporator 22 is from the same conveyor 26 with Working medium 23 supplies as the first evaporator 21, and he fed together with the evaporator 21, the same expansion machine 24th

Claims

Ansprüche claims
1. Leistungsoptimierer (1) für ein Abwärmerückgewinnungssystem (2) für ein Fahrzeug (3), wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (2) mindestens einen Verdampfer (21, 22) zur Überführung von Abwärme aus dem von dem Fahrzeug erzeugten Abgas (31) in ein Arbeitsmedium (23), mindestens eine von dem Arbeitsmedium (23) antreibbare Expansionsmaschine (24), mindestens einen Kondensator (25) zur Kondensation des in der Expansionsmaschine (24) entspannten Arbeitsmediums (23) in den flüssigen Zustand sowie mindestens eine Fördereinrichtung (26) zur Druckerhöhung des kondensierten A power optimizer (1) for a waste heat recovery system (2) for a vehicle (3), wherein the waste heat recovery system (2) includes at least one evaporator (21, 22) for transferring waste heat from the exhaust gas (31) generated by the vehicle to a working medium (23), at least one of the working medium (23) drivable expansion machine (24), at least one condenser (25) for condensing in the expander (24) relaxed working medium (23) in the liquid state and at least one conveyor (26) for Pressure increase of the condensed
Arbeitsmediums (23a) und Förderung in den Verdampfer (21, 22) umfasst, wobei das Abwärmerückgewinnungssystem (2) einen Regelkreis (27) umfasst, der mindestens auf die Förderrate mw der Fördereinrichtung (26) als Stellgröße einwirkt und mindestens die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsmediums auf einen Sollwert Tw,s regelt, dadurch Working medium (23 a) and promotion in the evaporator (21, 22), wherein the waste heat recovery system (2) comprises a control circuit (27) which acts at least on the delivery rate mw of the conveyor (26) as a manipulated variable and at least the temperature Tw of the evaporator exiting working fluid to a target value Tw, s, thereby
gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) einen Satz Größen, aus dem mindestens die Temperatur TA und der Massenstrom ΓΤΊΑ des Abgases (31) am Ort des Verdampfers (21, 22) hervorgehen, als Eingabe (11) erhält, jedem Wertevektor dieser Größen einen Sollwert Tw,s für die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer (21, 22) austretenden Arbeitsmediums (23) zuordnet und dazu ausgebildet ist, diesen Sollwert Tw,s an den Regelkreis (27) zu liefern. in that the power optimizer (1) receives as input (11) a set of quantities from which at least the temperature TA and the mass flow ΓΤΊΑ of the exhaust gas (31) emerge at the location of the evaporator (21, 22), one value vector of these quantities Reference value Tw, s for the temperature Tw of the evaporating from the evaporator (21, 22) escaping working fluid (23) and is adapted to deliver this setpoint Tw, s to the control circuit (27).
2. Leistungsoptimierer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) die Motordrehzahl, das Motordrehmoment und den Schaltzustand des Abgasrückführventils (32) als Eingabe (11) erhält. 2. Power optimizer (1) according to claim 1, characterized in that the power optimizer (1) receives the engine speed, the engine torque and the switching state of the exhaust gas recirculation valve (32) as an input (11).
3. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) zusätzlich die 3. Power optimizer (1) according to one of claims 1 to 2, characterized in that the power optimizer (1) additionally the
Umgebungstemperatur am Ort des Verdampfers (21, 22) als Eingabe (11) erhält. Ambient temperature at the location of the evaporator (21, 22) as input (11) receives.
4. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) dazu ausgebildet ist, dem als Eingabe (11) erhaltenen Wertevektor denjenigen Sollwert Tw,s für die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer (21, 22) austretenden Arbeitsmediums (23) zuzuordnen, bei dem die von dem Abwärmerückgewinnungssystem (2) abgegebene Nettoleistung maximal ist. 4. Power optimizer (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the power optimizer (1) is adapted to the input vector (11) obtained value vector those setpoint Tw, s for the temperature Tw of the evaporator (21 , 22) to allocate escaping working medium (23) at which the net power output by the waste heat recovery system (2) is maximum.
5. Leistungsoptimierer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung des Sollwerts Tw,s mindestens eine Randbedingung für mindestens eine 5. Power optimizer (1) according to claim 4, characterized in that the power optimizer (1) is adapted to, in the determination of the setpoint value Tw, s at least one boundary condition for at least one
Zustandsgröße zu berücksichtigen. State variable to be considered.
6. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) zusätzlich mindestens eine Störgröße als Eingabe (1) erhält, die Einfluss auf den Betrieb des 6. Power optimizer (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the power optimizer (1) additionally receives at least one disturbance variable as input (1), which influences the operation of the
Abwärmerückgewinnungssystems (2) hat, ohne selbst direkt beeinflussbar zu sein. Abwärm recovery system (2), without being directly influenced itself.
7. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) ein Modell (2a) des 7. power optimizer (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the power optimizer (1) a model (2a) of the
Abwärmerückgewinnungssystems (2) enthält und dazu ausgebildet ist, anhand dieses Modells (2a) dem als Eingabe (11) erhaltenen Wertevektor den Sollwert Tw,s für die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer (21, 22) austretenden Arbeitsmediums (23) zuzuordnen. Contains waste heat recovery system (2) and is adapted to this model (2a) as the input (11) obtained value vector the setpoint Tw, s for the temperature Tw of the evaporator (21, 22) emerging working medium (23).
8. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) mindestens ein Kennfeld enthält, das dem als Eingabe (11) erhaltenen Wertevektor einen Sollwert Tw.sfür die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer (21, 22) austretenden 8. A power optimizer (1) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the power optimizer (1) contains at least one characteristic map, the value received as input (11) value set Tw.sfür the temperature Tw of the evaporator ( 21, 22) exiting
Arbeitsmediums (23) zuordnet. Assigns working medium (23).
9. Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsoptimierer (1) dem als Eingabe (11) erhaltenen Wertevektor zusätzlich einen Sollwert P ,S für den Niederdruck P des Arbeitsmediums (23) nach Entspannung in der Expansionsmaschine (24), und/oder einen Sollwert ns für die stationäre Drehzahl n der Expansionsmaschine (24), zuordnet. 9. power optimizer (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the power optimizer (1) as the input (11) obtained value vector additionally a target value P, S for the low pressure P of the working medium (23) after relaxation in the Expansion machine (24), and / or a nominal value ns for the stationary speed n of the expansion machine (24), assigns.
10. Leistungsoptimierer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabe (11) zusätzlich mindestens einen Wert für die 10. power optimizer (1) according to claim 9, characterized in that the input (11) additionally at least one value for the
Kühlwassertemperatur am Ort des Kondensators (25) umfasst. Cooling water temperature at the location of the capacitor (25).
11. Abwärmerückgewinnungssystem (2), umfassend mindestens einen Verdampfer (21, 22) zur Überführung von Abwärme aus von dem Fahrzeug (3) erzeugtem Abgas (31) in ein Arbeitsmedium (23), mindestens eine von dem Arbeitsmedium antreibbare Expansionsmaschine (24), mindestens einen Kondensator (25) zur Kondensation des in der Expansionsmaschine (24) entspannten Arbeitsmediums (23a) in den flüssigen Zustand sowie mindestens eine Fördereinrichtung (26) zur Druckerhöhung des kondensierten 11. waste heat recovery system (2), comprising at least one evaporator (21, 22) for transferring waste heat from the exhaust gas (31) generated by the vehicle (3) into a working medium (23), at least one expansion machine (24) drivable by the working medium, at least one condenser (25) for condensing the working medium (23a) expanded in the expansion machine (24) into the liquid state and at least one conveying device (26) for increasing the pressure of the condensed one
Arbeitsmediums (23b) und Förderung in den Verdampfer (21, 22), weiterhin umfassend einen Regelkreis (27), der mindestens auf die Förderrate mw der Fördereinrichtung (26) als Stellgröße einwirkt und mindestens die Temperatur Tw des aus dem Verdampfer (21, 22) austretenden Arbeitsmediums (23) auf einen Sollwert Tw,s regelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorgesehen ist und den Sollwert Tw,s an den Regelkreis (27) liefert. Working medium (23b) and promotion in the evaporator (21, 22), further comprising a control loop (27) acting at least on the delivery rate mw of the conveyor (26) as a manipulated variable and at least the temperature Tw of the evaporator (21, 22 ) exiting working medium (23) to a desired value Tw, s, characterized in that a power optimizer (1) according to one of claims 1 to 10 is provided and the setpoint value Tw, s to the control loop (27) supplies.
12. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (21) in den Abgasstrom zwischen dem Austritt aus einem Abgasnachbehandlungssystem (34) und einem Auspuff (35) des Fahrzeugs (3) geschaltet ist. 12. waste heat recovery system (1) according to claim 11, characterized in that the evaporator (21) in the exhaust gas flow between the outlet of an exhaust aftertreatment system (34) and an exhaust (35) of the vehicle (3) is connected.
13. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Verdampfer (22) in den Abgasstrom einer Abgasrückführung (33) in den Motor (36) des Fahrzeugs (3) geschaltet ist. 13. waste heat recovery system (1) according to claim 12, characterized in that a second evaporator (22) in the exhaust gas flow of an exhaust gas recirculation (33) in the engine (36) of the vehicle (3) is connected.
14. Abwärmerückgewinnungssystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass beide Verdampfer (21, 22) eine gemeinsame 14. waste heat recovery system (1) according to claim 13, characterized in that both evaporators (21, 22) a common
Expansionsmaschine (24) mit dem Arbeitsmedium (3) speisen. Feed the expansion machine (24) with the working medium (3).
15. Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare 15. Computer program product containing machine-readable
Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer, und/oder auf einem Steuergerät, ausgeführt werden, den Computer, und/oder das Steuergerät, zu einem Leistungsoptimierer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufwerten. Instructions which, when executed on a computer and / or on a controller, upgrade the computer and / or controller to a power optimizer (1) according to any one of claims 1 to 10.
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