Verfahren zur Regelung einer Wärmenutzungsvorrichtung bei einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Wärmenutzungsvorrichtung bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei die Wärmenutzungsvorrichtung einen Kreislauf für ein Arbeitsmedium, mit einem in einem Abgasströmungsweges der Brennkraftmaschine angeordneten Verdampfer einer Expansionsmaschine, einem Kondensator, einem Ausgleichsbehälter, und einer Speisepumpe, aufweist, wobei die Arbeitstemperatur des Arbeitsmediums durch Verändern des Massenstromes des Arbeitsfluides in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters geregelt wird wobei ein Sollwert des Arbeitsmediummassenstromes eines Abgasströmungsweges eines Abgasstranges und/oder einer Abgasrückführleitung aufgrund eines Basissollwertes für den Ar- beitsmediummassenstrom berechnet wird, wobei der Basissollwert für den Ar- beitsmediummassenstrom zumindest eine Funktion der Abgastemperatur, vorzugsweise vor dem Verdampfer, und des Abgasmassenstromes im Abgasströmungsweg ist.

Es ist bekannt, die im Abgassystem und/oder Abgasrückführungssystem (AGR - System) einer Brennkraftmaschine enthaltene thermische Energie in mechanische Leistung umzuwandeln.

Die DE 10 2009 020 615 AI beschreibt eine Abgaswärmenutzungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges mit einem Abgaswärmenutzungs-Kreislauf, bei dem eine Arbeitstemperatur eines Arbeitsfluides des Abgaswärmenutzungs-Kreislaufes geregelt wird. Dabei wird durch Anpassung eines durch den Wärmetauscher des Abgaswärmenutzungs-Kreislaufes strömenden Massenstroms des Arbeitsfluides die Arbeitstemperatur so geregelt, dass eine maximal zulässige Arbeitstemperatur des Arbeitsfluides nicht überschritten wird.

Aus der EP 2 249 017 A ist eine ähnliche Abwärmenutzungseinrichtung mit einem Verdampfer zur Absorption von Abwärme einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Durchfluss von Arbeitsfluid so geregelt wird, dass das Arbeitsfluid, welches im Verdampfer verdampft wird, in einem überhitzten Zustand in einen im Abgasstrom angeordneten Erhitzer gelangt, wenn das Arbeitsfluid in den Verdampfer bei oder unterhalb einer vorbestimmten Durchflussrate eintritt, bei welcher das Arbeitsfluid eine vorbestimmte maximale Wärmemenge absorbieren kann. Die Durchflussrate des Arbeitsfluides wird so geregelt, dass oberhalb der vorbestimmten Durchflussrate das Arbeitsfluid den Verdampfer durchflutet und im Erhitzer verdampft wird und danach einen überhitzten Zustand erreicht. - -

Die EP 1 431 523 AI beschreibt eine Temperaturregeleinrichtung für einen Verdampfer, wobei der Dampf unter Nutzung der Abgaswärme einer Brennkraftmaschine erzeugt wird . Die Arbeitstemperatur eines Arbeitsmediums wird durch Verändern des Massenstroms des Arbeitsfluides in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters geregelt. Die Veröffentlichung beschreibt damit eine klassische Reglerstruktur bestehend aus einer Vorsteuerung (F/F Feed Forward correc- tion) plus Regler (F/B Feed Back Correction). Die F/F Correction wird als Funktion des Abgasmassenstromes und der Abgastemperatur berechnet, aber nicht korrigiert. Die F/F Correction basiert auf der Differenzbildung aus der Soll- und Istdampftemperatur.

Weitere Abwärmenutzungseinrichtungen sind aus den Veröffentlichungen JP 2008 231 980 A und JP 58 023 210 A bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf eine geregelte Abwärmenutzung zu realisieren.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein Sollwert des Arbeitsmediummassenstromes eines Abgasströmungsweges eines Abgasstranges und/oder einer Abgasrückführleitung aufgrund eines Basissollwertes für den Arbeitsme- diummassenstrom berechnet wird, wobei der Basissollwert für den Arbeitsme- diummassenstrom zumindest eine Funktion der Abgastemperatur, vorzugsweise vor dem Verdampfer, und des Abgasmassenstromes im Abgasströmungsweg ist.

Um die Effekte aus der Überhitzung des Arbeitsmediums zu berücksichtigen, kann vorgesehen sein, dass zum Basissollwert des Arbeitsmediummassenstrom ein Überhitzungskorrekturwert addiert wird. Der Überhitzungskorrekturwert kann dabei aus einer abgasseitigen Temperaturdifferenz abgeleitet werden. Dadurch kann eine thermische Zerstörung des Verdampfers durch Überhitzung verhindert werden.

Um Sättigungseinflüsse zu berücksichtigen ist es vorteilhaft, wenn zum Basissollwert des Arbeitsmediummassenstromes ein Sättigungskorrekturwert addiert wird. Der Sättigungskorrekturwert aus einer vom Arbeitsmediumdruck abhängigen Sättigungstemperatur abgeleitet werden. Die Sättigungskorrektur verhindert das Auftreten von Nassdampfzuständen des Arbeitsmediums am Eingang der Expansionsmaschine. Dadurch wird eine mechanische Zerstörung der Expansionsmaschine unterbunden.

Der Abgasmassenstrom im Abgasstrang kann aus den Größen Abgaslambda und Kraftstoffmasse über ein Modell berechnet werden. Der AGR-Massenstrom in der Abgasrückführleitung wird bevorzugt aus den Größen Motordrehzahl, Motordrehmoment, Kraftstoffmasse, Luftzahl des Abgases, absoluter Ladedruck, Ladelufttemperatur und dem Füllungswirkungsgrad über ein Modell berechnet. - -

Aufwändige Abgasmassenstromsensoren können somit entfallen.

In weiterer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass ein Ist-Arbeitsmediummassenstrom durch den Verdampfer aus den Größen Ist-Ventilposition, Druck vor und nach dem Regelventil des Verdampfers, sowie dem Durchflusskoeffizienten des Regelventiles über ein Modell berechnet wird . Aufwändige Massenstromsensoren für das Arbeitsmedium können somit entfallen.

Schließlich können aus den Sollwerten und Istwerten für den Arbeitsmedium- strom Reglerabweichungen der Massenströme im Abgasströmungsweg gebildet und einem Regler, beispielsweise einem PID - Regler, zugeführt werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig . näher erläutert. Es zeigen schematisch :

Fig. 1 das Schema der erfindungsgemäßen Wärmenutzungsvorrichtung;

Fig. 2 ein Regelungssystem für das Arbeitsmedium durch den Abgasverdampfer;

Fig. 3 die Berechnung des Basissollwertes des Arbeitsmediumstromes durch den Abgasverdampfer;

Fig. 4 die Berechnung der Überhitzungskorrektur des Arbeitsmediummas- senstromes durch den Abgasverdampfer;

Fig. 5 die Berechnung der Sättigungskorrektur des Arbeitsmediummas- senstromes durch den Abgasverdampfer;

Fig. 6 die Berechnung des Sollwertes des Arbeitsmediummassenstromes durch den Abgasverdampfer;

Fig. 7 die Regelung des Arbeitsmediummassenstromes durch den Abgasverdampfer;

Fig. 8 ein Regelungssystem für das Arebitsmedium durch den AGR-Ver- dampfer;

Fig. 9 die Berechnung des Basissollwertes des Arbeitsmediummassenstromes durch den AGR-Verdampfer,

Fig. 10 die Berechnung der Überhitzungskorrektur des Arbeitsmediummassenstromes durch den AGR-Verdampfer; - -

Fig. 11 die Berechnung der Sättigungskorrektur des Arbeitsmediummas- senstromes durch den AGR-Verdampfer;

Fig. 12 die Berechnung des Sollwertes des Arbeitsmediummassenstromes durch den AGR-Verdampfer;

Fig. 13 die Regelung des Arbeitsmediummassenstromes durch den AGR- Verdampfer;

Fig. 14 die Arbeitsmediumtemperatur als Funktion der gasseitigen Tem- peraturdifferenz;

Fig. 15 beispielhaft die Sättigungstemperatur als Funktion des Druckes bei

Ethanol als Arbeitsmedium;

Fig. 16 eine Kennlinie für die Durchflusskoeffizienten der Regelventile; und

Fig. 17 ein Kennfeld für den Basissollwert für den Arbeitsmediummassen- strom am Beispiel des Abgasverdampfers.

Die erfindungsgemäße Wärmenutzungsvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 10 weist die Hauptkomponenten Abgasverdampfer 2 und/oder AGR-Verdampfer 3, Expansionsmaschine 4, Kondensator 5, Ausgleichbehälter 6, Speisepumpe 7, Regelungsventile 8, 9 mit Positionsrückmeldung, sowie nicht weiter dargestellte Temperatursensoren und Drucksensoren auf.

In zumindest einem Verdampfer (Abgas- und/oder AGR-Verdampfer 2, 3) wird ein Arbeitsmedium (zum Beispiel Wasser und/oder Ethanol) mit Hilfe der im Abgasmassenstrom m'A und/oder AGR Massenstrom m'AGR enthaltenen thermischen Energie zum Verdampfen gebracht. Der Abgas- bzw. AGR-Verdampfer 2, 3 besteht dabei aus jeweils mindestens zwei Blöcken 2a, 2b, 2c,... bzw. 3a, 3b, 3c,

Der erzeugte Dampf wird einer Expansionsmaschine 4 (zum Beispiel einem Hubkolbenmotor) zugeführt und in mechanische Leistung umgewandelt. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator 5 abgekühlt und einem Ausgleichsbehälter 6 zugeführt. Über zumindest eine Speisepumpe 7 wird das Arbeitsmedium aus dem Ausgleichsbehälter 6 entnommen und über Regelventile 8, 9 wieder dem Abgasverdampfer 2 und/oder AGR-Verdampfer 3 zugeführt (Dampfkreisprozess).

Zur Regelung der Wärmenutzungsvorrichtung 1 wird vor jedem Verdampfer 2, 3 ein kontinuierlich verstellbares Regelventil 8, 9 (zum Beispiel ein elektrisch betätigtes Nadelventil) eingesetzt. Über den Ventilöffnungsquerschnitt und den Druck - - des Arbeitsmediums vor und nach dem Regelventil 8, 9 wird der Massenstrom durch das Regelventil 8, 9 verändert. Weiters werden bestimmte Systemzustände (Drücke, Temperaturen und Ventilöffnung wie in Fig . 1 angegeben) messtechnisch erfasst und als Istwerte dem Reglersystem zur Verfügung gestellt.

Das gesamte Reglersystem für den Abgasverdampfer 2 ist in Fig . 2 und jenes für den AGR - Verdampfer 3 in Fig . 8 dargestellt.

Im angewendeten Verfahren erfolgt in Schritt 20 bzw. 30 die Berechnung je eines Basissollwertes m soii, m cRsoii für das Arbeitsmedium durch den Abgas ^¬ verdampfer 2 und AGR-Verdampfer 3. Für den Abgasverdampfer 2 wird dieser Basissollwert m' _M bAsoii als Funktion des Abgasmassenstromes m' _A und der Abgas ^¬ temperatur TAI am Abgasverdampfereingang berechnet. In der dargestellten Ausführung wird dazu beispielhaft ein Kennfeld 20a verwendet (Fig . 3 und Fig . 17) . Der verwendete Abgasmassenstrom m' _A wird in Schritt 21 aus den Größen Abgaslambda λ _Α und Kraftstoffmasse m _K abgeleitet.

Für den AGR - Verdampfer 3 wird der Basissollwert m ibAGRsoii als Funktion des AGR - Massenstromes m 'AGR und der Gastemperatur T _A GRI am AGR - Verdampfereingang berechnet. In der dargestellten Ausführung wird dazu ein Kennfeld 30a verwendet (Fig . 9) . Der verwendete AGR-Massenstrom m 'AGR wird in Schritt 31 aus den Größen Motordrehzahl n, Motordrehmoment M, Kraftstoffmasse m _K , Abgaslambda λ _Α , absoluter Ladedruck p _L , und Ladelufttemperatur T _L , und dem Füllungswirkungsgrad HF über ein Modell berechnet. Der Füllungswirkungsgrad r\ _F wird dabei als Funktion von Motordrehzahl n und Motormoment M berechnet (zum Beispiel in einem Kennfeld hinterlegt)

P, SR

η _Ρ = f(n, M)

'AGR _F - L SR

Weiters wird für den Arbeitsmediummassenstrom durch den Abgasverdampfer 2 und AGR-Verdampfer 3 in Schritt 22 bzw. 32 je eine Überhitzungskorrektur - - m'KüA, rn' _K üAGR berechnet (Fig . 4 und Fig . 10) . Die Überhitzungskorrektur m' _KÜA , m'KüAGR erfolgt, um die Arbeitsmediumtemperatur am Ausgang des Abgasverdampfers 2 und AGR-Verdampfers 3 auf die jeweils gewünschten Werte einzustellen .

Dazu wird der Effekt genutzt, dass die Arbeitsmediumtemperatur T _M A2, _M AGR2 am Ausgang eines Verdampfers 2, 3 an die gasseitige Temperaturdifferenz Δ _Τ Α = ΔΤΑΙ- Δ _ΤΑ 2, AT _AG R = ATAGRI- AT _AG R2 über den letzten Verdampferblock 2a, 3a (Fig . 1) gekoppelt ist. Dieser Effekt ist beispielhaft in Fig . 14 dargestellt. Die Berechnung der Überhitzungskorrektur m' _K üA, m 'K _Ü AGR erfolgt durch Bildung eines Sollwertes ΔΤ _Α50 ιι, AT _AGRso n für die gewünschte gasseitige Temperaturdifferenz am AGR- und Abgasverdampfer.

Für den Abgasverdampfer 2 wird in Schritt 22a dieser Sollwert ΔΤ _Α50 ι der Temperaturdifferenz als Funktion des Abgasmassenstromes m' _A und der Abgastemperatur TAI am Abgasverdampfereingang berechnet. In der dargestellten Ausführung wird dazu beispielhaft ein Kennfeld verwendet (Fig . 4) .

Für den AGR- Verdampf er 3 wird in Schritt 32a der Sollwert ÄT _AGRso n der Temperaturdifferenz als Funktion des AGR - Massenstromes m' _AG R und der Gastemperatur T _AG RI am AGR-Verdampfereingang berechnet. In der dargestellten Ausführung wird dazu ein Kennfeld verwendet (Fig . 10) .

Der aktuelle Istwert der Temperaturdifferenzen ÄT _AIST , ÄT _AGRIST wird jeweils aus den Temperaturen T _A i, T _AGR i an den Verdampfereingängen und den Temperaturen T _A2 , T _AGR2 nach dem ersten Verdampferblock 2c, 3c berechnet. Weiters wird aus den Sollwerten AT _Aso n, AT _AGRso n und den Istwerten AT _Aist , AT _AGRist jeweils eine Reglerabweichung für den Abgasverdampfer und den AGR- Verdampfer 2, 3 gebildet. Diese Reglerabweichung wird in Schritt 22b bzw. 32b jeweils einem Temperaturregler (zum Beispiel PID - Regler) zugeführt. Der Ausgang dieser Temperaturregler ist die Überhitzungskorrektur m' _KÜ A, m 'K _Ü AGR für den Abgasverdampfer und den AGR-Verdampfer 2, 3.

Weiters wird für den Arbeitsmediummassenstrom durch den Abgasverdampfer 2 und den AGR-Verdampfer 3 in Schritt 23 bzw. 33 je eine Sättigungskorrektur m' _K sA, m 'KSAGR berechnet (Fig . 5 und Fig . 11). Die Sättigungskorrektur m' _K sA, m 'KSAGR erfolgt, um die Arbeitsmediumtemperatur T _MA 2, T _MA GR2 am Ausgang des Abgasverdampfers 2 und AGR-Verdampfers 3, sicher über den Sattdampftemperaturen TMSA und TMSAGR ZU halten .

Dazu wird als Funktion der Arbeitsmediumdrücke p _M A2, PMAGR2 an den Verdampferausgängen zunächst in Schritt 23a, bzw. 33a die jeweilige Sattdampftemperatur TMSA und TMSAGR berechnet (zum Beispiel Ethanol in Fig . 15) . Aus den aktuel- - - len Arbeitsmediumtemperaturen T _MA2 , T _MAG R ₂ an den Verdampferausgängen und den ermittelten Sattdampftemperaturen T _M SA und T _M SAGR werden die Differenzen gebildet und diese in Schritt 23b, 33b einer Korrekturfunktion zugeführt (zum Beispiel Korrekturkennlinien) .

Das Ergebnis dieser Korrekturfunktionen ist die Sättigungskorrektur m' _K sA, m 'KSAGR der Arbeitsmediummassenströme für den Abgasverdampfer 2 und den AGR-Verdampfer 3.

Weiters wird aus dem Basissollwert m soii, m cRsoii, der Überhitzungskorrektur m 'K _ÜÄ m 'K _Ü AGR und der Sättigungskorrektur m' _K sA, m 'KSAGR in Schritt 24 bzw. 34 der endgültige Sollwert für den Arbeitsmediummassenstrom m' _MAS oii, m' _M AGRsoii be ^¬ rechnet. Diese Berechnung erfolgt durch eine Addition von Basissollwert m' _M bAsoii, m ibAGRsoii _/ Überhitzungskorrektur m' _K üA, m 'K _Ü AGR und Sättigungskorrektur m' _K sA, m 'KSAGR (Fig . 6 und Fig . 12). Als Ergebnis steht nun der Sollwert des Arbeitsme- diummassenstromes m' _M Asoii, m' _M AGRsoii durch den Abgasverdampfer 2 und den AGR-Verdampfer 3 zur Verfügung .

Aus diesen Sollwerten m oii, m' _M AGRsoii und den aktuellen Istwerten m' _M Aist, m iAGRist der Arbeitsmediummassenströme werden die Reglerabweichungen der Massenströme am Abgasverdampfer 2 und AGR-Verdampfer 3 gebildet und einem Regler 25a, 35a (zum Beispiel PID - Regler) zugeführt. Im Schritt 25a und 35b erfolgt die Berechnung der Sollpositionen V _PA soii, V _PA GR _SO II der Regelventile 8, 9 (Fig . 7 und Fig . 13) .

Die Istwerte m' _M Aist, m iAGRist der Massenströme werden in Schritt 25 bzw. 35 als Funktion von den Ist-Positionen Vp _Aist , V _PAG Ri _S t der Regelventile 8, 9, den Drücken PMI ; PMAI, PMAGRI vor und nach den Regelventilen 8, 9 und den Durchflusskoef ^¬ fizienten K _VA , KVAGR der Regelventile 8, 9 über ein Modell 25b bzw. 35b berechnet. Die Durchflusskoeffizienten K _V A, K _V AGR der Regelventile 8, 9 werden als Funktion der Ist-Positionen Vp _Aist , V _PAG Ri _S t berechnet (zum Beispiel in einer Kennlinie hinterlegt Fig . 16) .

VA ^~ f(VP _Aist ) - -

Die Ausgänge der beiden Massenstromregler geben jeweils eine Sollpositi die Regelventile 8, 9 vor den jeweiligen Verdampfern 2, 3 vor.

Liste der Abkürzungen und Bezugszeichen :

1 Wärmenutzungsvorrichtung

2 Abgasverdampfer

3 AG R- Verdampfer

4 Expansionsmaschine

5 Kondensator

6 Ausgleichsbehälter

7 Speisepumpe

8 Regelventil für Arbeitsmedium vor Abgasverdampfer

9 Regelventil für Arbeitsmedium vor AG R- Verdampfer

10 Brennkraftmaschine

20, 20a, 21, 22, 22a, 22b, 23, 23a, 23b, 24, 25 Schritte 30, 30a, 31, 32, 32a, 32b, 33, 33a, 33b, 34, 35 Schritte 22b, 32b ΔΤ - Regler

25a, 35a Massenstrom - Regler

21, 25b, 31, 35b Modell n Motordrehzahl M Motormoment m _K Kraftstoffmasse p _L absoluter Ladedruck _ _

T _L Ladetemperatur

TAI Abgastemperatur vor Abgasverdampfer

T _A 2 Abgastemperatur im Abgasverdampfer

ÄTA _SO N Sollwert der Temperaturdifferenz im Abgasverdampfer

ÄT _A ist Istwert der Temperaturdifferenz im Abgasverdampfer

TAGRI Abgastemperatur vor AGR-Verdampfer

AGR2 Abgastemperatur im AGR-Verdampfer

AT _A GR _SO M Sollwert der Temperaturdifferenz im AGR-Verdampfer

AT _A GRist Istwert der Temperaturdifferenz im AGR-Verdampfer

TMSA Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums nach Abgasverdampfer

TMSAGR Sättigungstemperatur des Arbeitsmediums nach AGR-Verdampfer

T _M A2 Temperatur des Arbeitsmediums nach Abgasverdampfer

MAGR2 Temperatur des Arbeitsmediums nach AGR-Verdampfer

PMI Druck des Arbeitsmediums vor den Regelventilen

PMAI Druck des Arbeitsmediums nach Regelventil des Abgasverdampfers p _M A2 Druck des Arbeitsmediums nach Abgasverdampfer

PMAGRI Druck des Arbeitsmediums nach Regelventil des AG R- Verdampfers

PMAGR2 Druck des Arbeitsmediums nach AGR-Verdampfer

VP _Ais t Ist-Position des Regelventils des Abgasverdampfers

VPA _SO N Soll-Position des Regelventils des Abgasverdampfers

VP _A GRist Ist-Position des Regelventils des AG R- Verdampfers

VPAGR _SO N Soll-Position des Regelventils des AGR-Verdampfers

KVA Durchflusskeoffizient des Regelventiles des Abgasverdampfers

KVAGR Durchflusskeoffizient des Regelventiles des AGR-Verdampfers - - p _M Dichte des Arbeitsmediums vor den Regelventilen λ _Α Luftzahl des Abgases der Brennkraftmaschine

R _SR Gaskonstante im Saugrohr der Brennkraftmaschine f _s stöchiometrischer Luftbedarf der Brennkraftmaschine η _Ρ Füllungswirkungsgrad der Brennkraftmaschine

P _SR Dichte im Saugrohr der Brennkraftmaschine

L _SR Liefergrad bezogen auf den Zustand im Saugrohr der Brennkraftmaschine

V _H Hubvolumen der Brennkraftmaschine m' _A Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine m iAsoii Sollwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den Abgasverdampfer m iAist Istwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den Abgasverdampfer m ibAsoii Basissollwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den Abgasverdampfer m ' _KÜA Überhitzungskorrektur für Abgasverdampfer m ' _KSA Sättigungskorrektur für Abgasverdampfer m ' _AGR AGR-Massenstrom m' _M AGRsoii Sollwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den AGR- Verdampfer m'MAGRist Istwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den AGR- Verdampfer m'MbAGRsoii Basissollwert des Arbeitsmittelmassenstrom durch den AGR-Ver- dampfer m ' _KÜAGR Überhitzungskorrektur für AGR- Verdampfer m' _K sAGR Sättigungskorrektur für AGR- Verdampfer