DE102012204260A1 - Heat engine for use as waste heat utilization system for converting hot vapor of working medium into kinetic energy in passenger car, has function module adjusting change of mass flow produced by pump based on change of flow cross-section - Google Patents

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Abstract

The engine has a working medium circuit, in which a working medium is conveyed from a container (4) by a feed pump (9) through a waste-gas heat exchanger (5) and subsequently through a decompression device (11) back into the container. The decompression device includes a nozzle body (11a) with a variably controllable flow cross-section (A). An electronic control device (13) is connected with the nozzle body and the pump, and includes a function module (F1). The function module adjusts change of a mass flow produced by the pump based on change of the flow cross-section.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug.The invention relates to a heat engine in a motor vehicle.

Eine Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 1 573194 B1 bekannt. Dabei wird grundsätzlich von einer Wärmekraftmaschine ausgegangen, die nach dem Rankine-Prozess arbeitet. Eine derartige Wärmekraftmaschine wandelt Heißdampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungsrichtung in Bewegungsenergie um, die beispielsweise zur Leistungssteigerung oder Kraftstoffreduzierung in den Abtrieb der Brennkraftmaschine koppelbar ist. Die Wärmekraftmaschine verfügt hierfür über einen Hochtemperaturkreis und einen Niedertemperaturkreis. Im Niedertemperaturkreis wird die Wärmeenergie des Kühlmittels der Brennkraftmaschine mittels eines vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmten Behälters in Form eines Wärmetauschers auf das Arbeitsmedium übertragen. Zur Förderung des Arbeitsmediums ist eine Pumpe vorgesehen. Im Hochtemperaturkreislauf wird das Arbeitsmedium durch einen weiteren Wärmetauscher gefördert, der im heißen Abgas der Brennkraftmaschine (Abgaswärmetauscher) angeordnet ist. Der so erzeugte Heißdampf aus dem Arbeitsmedium wird anschließend einer Entspannungsvorrichtung zugeführt, die die kinetische Energie des Heißdampfes in Bewegungsenergie umwandelt. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator, der dem oben genannten Behälter in Form eines Wärmetauschers entsprechen kann, verflüssigt und wieder dem Niedertemperatur- und dem Hochtemperaturkreislauf zugeführt.A heat engine in a motor vehicle is for example from the European patent specification EP 1 573194 B1 known. It is basically assumed that a heat engine that works according to the Rankine process. Such a heat engine converts hot steam of a working medium by means of a relaxation direction in kinetic energy, which can be coupled, for example, to increase performance or fuel reduction in the output of the internal combustion engine. The heat engine has a high-temperature circuit and a low-temperature circuit for this purpose. In the low-temperature circuit, the heat energy of the coolant of the internal combustion engine is transmitted to the working medium by means of a container through which the coolant of the internal combustion engine flows in the form of a heat exchanger. To promote the working fluid, a pump is provided. In the high-temperature circuit, the working medium is conveyed through a further heat exchanger, which is arranged in the hot exhaust gas of the internal combustion engine (exhaust gas heat exchanger). The superheated steam thus produced from the working medium is then fed to a relaxation device, which converts the kinetic energy of the superheated steam into kinetic energy. Subsequently, the working fluid in a condenser, which may correspond to the above-mentioned container in the form of a heat exchanger, liquefied and fed back to the low-temperature and the high-temperature circuit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine adaptive Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, die an dynamisch bedingte unterschiedliche Rahmenbedingungen anpassbar ist.It is an object of the invention to provide an adaptive heat engine in a motor vehicle, which is adaptable to dynamically induced different conditions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved by the subject of claim 1. The dependent claims are advantageous developments of the invention.

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen, Erkenntnisse und Ideen zugrunde:
Bei der Abwärmenutzung mittels eines Rankine-Prozesses wird dem Verbrennungsmotor ein System bestehend aus den Komponenten Arbeitsmedium-Speisepumpe, Abgas- und Kühlmittelwärmetauscher, Expansionsmaschine und Kondensator nachgeschaltet. Die Speisepumpe setzt ein Arbeitsmedium unter Druck, das unter Verwendung der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmt, verdampft und überhitzt wird. Der Dampf wird in einer Turbine entspannt und erzeugt so mechanische Leistung. Nach Durchströmen der Expansionsmaschine wird das Medium auf niedrigem Druckniveau unter Wärmeabgabe im Kondensator verflüssigt und anschließend wieder von der Speisepumpe angesaugt.The invention is based on the following considerations, findings and ideas:
When using waste heat by means of a Rankine process, the internal combustion engine is followed by a system consisting of the components working medium feed pump, exhaust gas and coolant heat exchanger, expansion machine and condenser. The feed pump pressurizes a working fluid that is heated, vaporized, and superheated using the waste heat of the engine. The steam is released in a turbine and thus generates mechanical power. After flowing through the expansion machine, the medium is liquefied at a low pressure level with heat release in the condenser and then sucked back by the feed pump.

Bei den im Fahrzeug verhältnismäßig geringen Dampfleistungen und Dampfmassenströmen des Arbeitsmediums werden bevorzugt Gleichdruckturbinen als Expansionsmaschinen eingesetzt. Bei Verwendung einer Gleichdruckturbine wird der Frischdampf zunächst über eine Anordnung von Lavaldüsen entspannt, wodurch die zuvor im Druck gespeicherte Energie in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Die Strömung trifft nach Austritt aus den Lavaldüsen auf das Laufrad der Turbine, wo sie abgebremst wird und somit ein Drehmoment erzeugt. Die vom Abwärmenutzungssystem aufgenommene Wärme hängt stark vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors ab und ist im PKW variabel in einem weiten Bereich (z. B. von 1 kW bis mehrere 100 kW). Zur Anpassung des Abwärmenutzungssystems an diesen Bereich wird die Dampftemperatur am Austritt des Verdampfers (= Abgaswärmetauscher oder Teil eines Abgaswärmetauschers) über die Einstellung des Speisemassenstroms der Speisepumpe proportional zum eingetragenen Wärmestrom geregelt. Um den Strömungsquerschnitt der in die Turbine führenden variablen Zuströmvorrichtung, insbesondere Zuströmdüsen in Form von Lavaldüsen, an diese Bandbreite vom Dampfmassenströmen anzupassen und eine Regelung des Verdampfungsdrucks im Hochdruckteil des Systems zu ermöglichen, werden die Zuströmdüsen schaltbar gestaltet.In the vehicle relatively low steam capacities and steam mass flows of the working medium impingement turbines are preferably used as expansion machines. When using a constant pressure turbine, the live steam is first expanded by means of an arrangement of Laval nozzles, whereby the energy previously stored in the pressure is converted into flow velocity. After leaving the Laval nozzles, the flow hits the impeller of the turbine, where it is decelerated, thus generating a torque. The heat absorbed by the waste heat recovery system depends strongly on the current operating state of the internal combustion engine and is variable in the car over a wide range (eg from 1 kW to several 100 kW). To adapt the waste heat recovery system to this area, the steam temperature at the outlet of the evaporator (= exhaust gas heat exchanger or part of an exhaust gas heat exchanger) via the setting of the feed mass flow of the feed pump is controlled in proportion to the registered heat flow. In order to adapt the flow cross section of the variable inflow device leading into the turbine, in particular inflow nozzles in the form of Laval nozzles, to this bandwidth of steam mass flow and to enable control of the evaporation pressure in the high pressure part of the system, the inflow nozzles are designed to be switchable.

Bei der Umschaltung zwischen verschiedenen Strömungsquerschnitten in die Turbine werden Druckänderungen im System hervorgerufen, die negative Auswirkungen auf die Stabilität des Verdampfungsprozesses im Verdampfer haben können. Bei einem schnellen Druckabfall im Wärmetauscher fällt auch die Dampftemperatur am Austritt schnell ab (siehe 5). Dies birgt die Gefahr in sich, dass der Dampf teilweise kondensiert und Tröpfchen in die Turbine gelangen und diese beschädigen. Im umgekehrten Fall einer schnellen Druckerhöhung erfolgt eine Erhöhung der Dampftemperatur, die die Beschädigung der Systemkomponenten zur Folge haben kann. Die Größe der Temperaturabweichung hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit der Druckänderung ab, wobei schnellere Druckänderungen größere Temperaturabweichungen hervorrufen. Die Geschwindigkeit der Druckänderung ist im Wesentlichen von der Größe des Dampfvolumens im Verdampfer und in der Dampfleitung zwischen Verdampfer und Expansionsmaschine abhängig. Dadurch ist das beschriebene Verhalten insbesondere bei mobilen Abwärmenutzungssystemen von Bedeutung, wo geringe Systemvolumina aufgrund von Bauraumbeschränkungen angestrebt werden und somit schnelle Druckänderungen begünstigt werden. Ein für die Regelung der Dampfaustrittstemperatur aus dem Verdampfer auf Basis des Speisemassenstroms und der vom Verbrennungsmotor eingetragenen Wärme ausgelegter Regelkreis weist im Allgemeinen eine zu langsame Reaktionsgeschwindigkeit und zu geringe Verstärkung auf, um die dargestellten Temperaturabweichungen bei Druckänderungen abfangen zu können.When switching between different flow cross sections in the turbine pressure changes are caused in the system, which may have negative effects on the stability of the evaporation process in the evaporator. At a rapid pressure drop in the heat exchanger and the steam temperature at the outlet drops quickly (see 5 ). This entails the danger that the steam partially condenses and droplets get into the turbine and damage it. In the reverse case of a rapid increase in pressure, there is an increase in the steam temperature, which can result in damage to the system components. The magnitude of the temperature deviation is essentially dependent on the rate of pressure change, with faster pressure changes causing larger temperature excursions. The speed of the pressure change is essentially dependent on the size of the vapor volume in the evaporator and in the vapor line between the evaporator and the expansion machine. As a result, the described behavior is particularly important in mobile waste heat recovery systems, where low system volumes are desired due to space limitations and thus favors rapid pressure changes. One for the Regulation of the steam outlet temperature from the evaporator on the basis of the feed mass flow and the heat input from the internal combustion engine designed control circuit generally has too slow reaction rate and too low gain in order to intercept the temperature variations shown in pressure changes can.

Daher wird erfindungsgemäß eine Steuerungsfunktion vorgeschlagen, die bei Änderung des Strömungsquerschnitts der Turbine einen Massenstromverlauf für die Speisepumpe vorgibt, der dazu führt, dass durch die Druckänderung keine Temperaturabweichung entsteht. Auslöser für die Ausgabe des Massenstroms ist dabei vorzugsweise nicht der Druckverlauf im System, sondern das an die Düsenumschaltung ausgegebene Schaltsignal. Auf diese Weise kann zum frühestmöglichen Zeitpunkt auf eine Düsenumschaltung reagiert werden.Therefore, a control function is proposed according to the invention, which specifies a mass flow profile for the feed pump when changing the flow cross-section of the turbine, which causes no temperature deviation caused by the pressure change. Trigger for the output of the mass flow is preferably not the pressure curve in the system, but the output to the nozzle switching switching signal. In this way, it can be reacted to a nozzle change at the earliest possible time.

Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
Mit der vorgeschlagenen Funktion können Schwankungen der Dampftemperatur bei der Umschaltung von Zuströmdüsen zur Turbine vermieden werden. Dadurch werden die Bildung von Tröpfchen und der zu starke Temperaturanstieg am Austritt des Verdampfers verhindert. Beschädigungen an Verdampfer und Turbine werden vermieden und deren Lebensdauer verlängert.The invention provides the following advantages:
With the proposed function, fluctuations in the steam temperature can be avoided when switching from inlet nozzles to the turbine. This prevents the formation of droplets and excessive temperature rise at the outlet of the evaporator. Damage to the evaporator and turbine can be avoided and their service life extended.

Gleichzeitig können die Dampfvolumina, die als Puffer dienen, bei der Konstruktion des Systems gering gehalten werden, was zu verringerten Wärmeverlusten, schnellerer Aufheizung nach einem Kaltstart, geringerem Gewicht, geringerem Bauraumbedarf und verringerten Kosten führt.At the same time, the vapor volumes that serve as buffers can be kept low in the design of the system, resulting in reduced heat losses, faster cold start heating, lower weight, less space requirements, and reduced costs.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung und eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention will be explained in more detail below with reference to a drawing and a preferred embodiment. It shows

1 einen schematischen Gesamt-Systemaufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine, 1 a schematic overall system structure of a heat engine according to the invention,

2 einen schematischen Teil-Systemaufbau einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine mit seinen wesentlichen Komponenten, 2 a schematic partial system structure of a heat engine according to the invention with its essential components,

3 eine Regelstruktur mit für die erfindungsgemäße Steuerung berücksichtigten Übertragungsstrecken des Teil-Systems, 3 a control structure with transmission lines of the subsystem considered for the control according to the invention,

4 Druck- und Temperaturverlaufs-Messungen abhängig vom Massenstrom mit einer erfindungsgemäßen Steuerung und 4 Pressure and temperature course measurements depending on the mass flow with a control according to the invention and

5 Druck- und Temperaturverlaufs-Messungen abhängig vom Massenstrom mit einer Steuerung nach dem Stand der Technik. 5 Pressure and temperature history measurements depending on the mass flow with a control according to the prior art.

Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine als Abwärmenutzungssystem gemäß 1, durch die heißer Dampf eines Arbeitsmediums mit der Dampftemperatur T mittels einer Entspannungseinrichtung 11 in Bewegungsenergie umgewandelt wird, besteht im Wesentlichen aus einem Arbeitsmediumkreislauf, in dem das Arbeitsmedium aus einem Behälter 4 von einer Speisepumpe 9 durch einen Abgaswärmetauscher 5 und anschließend durch die Entspannungseinrichtung 11 zurück in den Behälter 4 gefördert wird.The heat engine according to the invention as a waste heat recovery system according to 1 , By the hot steam of a working medium with the steam temperature T by means of a relaxation device 11 is converted into kinetic energy, consists essentially of a working medium circuit in which the working medium from a container 4 from a feed pump 9 through an exhaust gas heat exchanger 5 and then through the relaxation device 11 back into the container 4 is encouraged.

Der Behälter 4 ist vorzugsweise ein vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 thermisch beaufschlagter Kondensator. Das Arbeitsmedium wird nach dem Ausströmen aus der Entspannungseinrichtung 11 im Behälter 4 durch das Kühlmittel des Kühlsystems 3 der Brennkraftmaschine 1 gekühlt. Weitere Pumpen 8 und 10 sind für die Förderung des Kühlmittels vorgesehen.The container 4 is preferably one of the coolant of the internal combustion engine 1 thermally loaded capacitor. The working medium is after flowing out of the expansion device 11 in the container 4 through the coolant of the cooling system 3 the internal combustion engine 1 cooled. Further pumps 8th and 10 are intended for the promotion of the coolant.

Der Abgaswärmetauscher 5 ist vorzugsweise stromabwärts eines gegebenenfalls vorhandenen Turboladers und/oder Katalysators und/oder weiterer Komponenten zur Abgasnachbehandlung in die Abgashauptleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 eingefügt. Vorzugsweise können eine Abgasbypassleitung 6 und ein steuerbares Stellglied 7 vorgesehen sein, wodurch das Abgas eines Verbrennungsmotors 1 optional unter zumindest teilweiser Umgehung des Abgaswärmetauschers 5 ableitbar ist (gestrichelt dargestellt).The exhaust gas heat exchanger 5 is preferably downstream of an optionally present turbocharger and / or catalyst and / or further components for exhaust aftertreatment in the exhaust main line 2 the internal combustion engine 1 inserted. Preferably, an exhaust gas bypass line 6 and a controllable actuator 7 be provided, whereby the exhaust gas of an internal combustion engine 1 optionally with at least partial bypass of the exhaust gas heat exchanger 5 is derivable (shown in dashed lines).

Die Speisepumpe 9 setzt das Arbeitsmedium des Rankine-Prozesses unter Druck (Systemdruck p) und fördert es im Kreis zunächst durch den Verdampfer 14 des Abgaswärmetauschers 5, in dem die Vorerwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums stattfindet. Der Abgaswärmetauscher 5 wird in der Fachliteratur daher auch nur als Verdampfer bezeichnet. Die anschließende Expansion des Arbeitsmediums erfolgt in der Entspannungseinrichtung 11. Die Entspannungseinrichtung 11 besteht aus einem Düsenkörper 11a mit Zuströmdüsen zur Entspannung des Heißdampfs und einem Turbinenlaufrad 11b (hier nicht näher dargestellt). Im Düsenkörper 11a wird der Heißdampf des Arbeitsmediums zunächst über eine Anordnung von Zuströmdüsen (z. B. Lavaldüsen) entspannt, wodurch die zuvor im Systemdruck p gespeicherte Energie in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt wird. Die Strömung trifft nach Austritt aus den Lavaldüsen auf das Laufrad 11b der Turbine. Dort wird sie abgebremst, wodurch ein Drehmoment erzeugt wird. Die Entspannungseinrichtung 11 treibt im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Generator 12 zur Erzeugung von elektrischer Leistung LG an.The feed pump 9 sets the working fluid of the Rankine process under pressure (system pressure p) and conveys it in a circle first through the evaporator 14 the exhaust gas heat exchanger 5 , in which the preheating, evaporation and overheating of the working medium takes place. The exhaust gas heat exchanger 5 is therefore referred to in the literature only as an evaporator. The subsequent expansion of the working medium takes place in the expansion device 11 , The relaxation device 11 consists of a nozzle body 11a with inlet nozzles for relaxing the superheated steam and a turbine wheel 11b (not shown here). In the nozzle body 11a The hot steam of the working medium is first expanded by means of an arrangement of inflow nozzles (eg Laval nozzles), whereby the energy previously stored in the system pressure p is converted into flow velocity. The flow hits the impeller after exiting the Laval nozzles 11b the turbine. There it is braked, whereby a torque is generated. The relaxation device 11 drives in the illustrated Embodiment a generator 12 for generating electrical power L G on.

Die Aktuatoren der Wärmekraftmaschine sind durch ein elektronisches Steuergerät 13, das beispielsweise das ohnehin üblicherweise vorhandene Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors 1 sein kann, steuerbar. Das Steuergerät 13 erhält vorgegebene Betriebsparameter als Eingangssignale. Weiterhin enthält das Steuergerät 13 ein Funktions-Modul F1, hier in Form einer programmierten Übertragungsfunktion (siehe auch 3). Im Steuergerät 13 können auch empirisch ermittelte Kennfeldern und Algorithmen abgespeichert sein, die zur erfindungsgemäßen Steuerung zusätzlich oder als Teil des Funktions-Moduls F1 erforderlich sind.The actuators of the heat engine are by an electronic control unit 13 , For example, the already commonly existing engine control unit of the internal combustion engine 1 can be controllable. The control unit 13 receives specified operating parameters as input signals. Furthermore, the controller contains 13 a function module F1, here in the form of a programmed transfer function (see also 3 ). In the control unit 13 It is also possible to store empirically determined characteristic diagrams and algorithms which are required for the control according to the invention additionally or as part of the function module F1.

2 zeigt einen Ausschnitt des Gesamtsystems einer Wärmekraftmaschine, der die für die erfindungsgemäße Steuerung wesentlichen Komponenten enthält. Im Steuergerät 13 ist das Funktions-Modul F1 enthalten, womit abhängig von und vorzugsweise unmittelbar mit der Veränderung des Strömungsquerschnittes A der Zuströmvorrichtung 11a in der Entspannungsvorrichtung 11 die Speisepumpe 9 mit einer vorgegebenen Drehzahl n angesteuert wird. Die vorgegebene Drehzahl n ergibt sich aus der Soll-Änderung des Massenstroms m . des Arbeitsmediums vor dem Verdampfer 14, um bei einer Veränderung des Strömungsquerschnittes A eine Änderung der Dampftemperatur T des Arbeitsmediums zu verhindern. Diese erfindungsgemäße Steuerung wird durch eine Ausgestaltung des Funktions-Moduls F1 in der Weise erreicht, dass im Funktions-Modul F1 eine Entkoppelungsfunktion (F1, 3) vorgesehen ist, auf die im Folgenden durch das Blockschaltbild in 3 näher eingegangen wird: 2 shows a section of the entire system of a heat engine, which contains the essential components for the control according to the invention. In the control unit 13 is the functional module F1 included, whereby depending on and preferably directly with the change of the flow cross-section A of the inflow device 11a in the relaxation device 11 the feed pump 9 is driven at a predetermined speed n. The predetermined speed n results from the desired change in the mass flow m. the working medium before the evaporator 14 to prevent a change in the flow cross-section A, a change in the steam temperature T of the working medium. This control according to the invention is achieved by an embodiment of the function module F1 in such a way that in the function module F1 a decoupling function (F1, 3 is provided in the following by the block diagram in 3 is discussed in more detail:

3 zeigt schematisch in Form von Übertragungsstrecken die dynamischen Abhängigkeiten der Systemgrößen Strömungsquerschnitt A, Massenstrom m ., Systemdruck p, Temperatur T untereinander in vereinfachter linearisierter Form für einen Betriebspunkt. Die Parameter der einzelnen Übertragungsblöcke F1 bis F5 (hier in Form von Übertragungsfunktionen im Frequenzbereich) können in anderen Betriebspunkten abweichen. 3 schematically shows in the form of transmission lines, the dynamic dependencies of the system sizes flow cross section A, mass flow m., System pressure p, temperature T with each other in a simplified linearized form for an operating point. The parameters of the individual transmission blocks F1 to F5 (here in the form of transmission functions in the frequency domain) may differ in other operating points.

Die Auswirkung der Parameter A, m ., auf p und T lassen sich über Verkettungen von linearen Übertragungsfunktionen Fi im Frequenzbereich beschreiben, mit i = 1, 2, 3, 4, 5. Die Übertragungsfunktionen F1, F2, F4 und F5 weisen ein PT1-Verhalten auf, die Übertragungsfunktion F3 weist ein PDT1-Verhalten auf.The effect of the parameters A, m., On p and T can be described by concatenations of linear transfer functions Fi in the frequency domain, where i = 1, 2, 3, 4, 5. The transfer functions F1, F2, F4 and F5 have a PT1 - Keep on, the transfer function F3 has a PDT1 behavior.

Der Massenstrom m . des Arbeitsmediums, der von der Speisepumpe 9 gefördert wird, hat direkten Einfluss auf die Dampftemperatur T am Austritt des Verdampfers 14. Gleichzeitig nimmt der Massenstrom m . auch Einfluss auf den Systemdruck p. Der Strömungsquerschnitt A der in die Turbine führenden Zuströmvorrichtung 11a hat direkten Einfluss auf den Systemdruck p und beeinflusst über eine weitere Übertragungsstrecke die Dampftemperatur T am Ausgang des Verdampfers 14. Der Einfluss des Massenstroms m . auf den Systemdruck p ist im Verhältnis zum Einfluss des Strömungsquerschnitts A auf den Systemdruck p langsamer (Zeitkonstante T5 = 25 s vs. T4 = 12 s in diesem Betriebspunkt) und aus diesem Grund nicht kritisch für die Steuerung. Der Übertragungsblock F5 kann daher vernachlässigt werden (daher gestrichelt gezeichnet). Im umgekehrten Fall nimmt eine Systemdruck-Änderung dp jedoch sehr schnell Einfluss auf die Dampftemperatur T am Ausgang des Verdampfers 14 (Zeitkonstante T3 = 4 s im Beispiel und differenzierendes Verhalten der Übertragungsfunktion F3), während der Einfluss des Massenstroms m . auf die Dampftemperatur T verhältnismäßig langsam erfolgt (T2 = 190 s im Beispiel); also: T2 >> T3 und T4.The mass flow m. of the working medium coming from the feed pump 9 is promoted, has a direct influence on the steam temperature T at the outlet of the evaporator 14 , At the same time, the mass flow m. also influence on the system pressure p. The flow cross-section A of the inflow device leading into the turbine 11a has a direct influence on the system pressure p and influences the steam temperature T at the outlet of the evaporator via another transmission line 14 , The influence of the mass flow m. to the system pressure p is slower in relation to the influence of the flow cross-section A on the system pressure p (time constant T5 = 25 s vs. T4 = 12 s at this operating point) and for this reason is not critical for the control. The transmission block F5 can therefore be neglected (therefore shown in dashed lines). In the reverse case, however, a system pressure change dp very quickly influences the steam temperature T at the outlet of the evaporator 14 (Time constant T3 = 4 s in the example and differentiating behavior of the transfer function F3), while the influence of the mass flow m. to the steam temperature T is relatively slow (T2 = 190 s in the example); So: T2 >> T3 and T4.

Allgemein besitzen die Übertragungsfunktionen F1, F2, F4 und F5 verzögerndes Verhalten und die Übertragungsfunktion F3 differenzierend verzögerndes Verhalten gemäß dem realen Verhalten der Systemkomponenten. Die Verstärkungsfaktoren und Zeitkonstanten werden empirisch ermittelt.Generally, the transfer functions F1, F2, F4 and F5 have delaying behavior and the transfer function F3 differentially delaying behavior according to the real behavior of the system components. The amplification factors and time constants are determined empirically.

Die Auswirkung einer Düsenumschaltung (wenn die Zuströmvorrichtung 11a beispielsweise ein Komplex aus mehreren Lavalldüsen ist) zur Änderung des Strömungsquerschnittes A auf die Dampftemperatur T lässt sich über die Verkettung der linearen Übertragungsglieder F4 und F3 zu folgender Übertragungsfunktion bzw. Übertragungsfunktionskette beschreiben: FA_T = F4 × F3 mit

Figure 00090001
wobei
F4 := Übertragungsfunktion mit dem Strömungsquerschnitt A als Eingangssignal (Anregungssignal) und dem Systemdruck p als Ausgangssignal (Antwortsignal) und
F3 = Übertragungsfunktion mit dem Systemdruck p (bzw. dessen Änderung auf die Strömungsquerschnitts-Änderung dA hin) als Eingangssignal (Anregungssignal) und der Dampftemperatur T (bzw. der Dampftemperatur-Änderung dT) als Ausgangssignal (Antwortsignal)The effect of nozzle switching (when the inflow device 11a For example, a complex of several Lavalldüsen is) to change the flow cross-section A on the steam temperature T can be described via the concatenation of the linear transfer elements F4 and F3 to the following transfer function or transfer function chain : F A_T = F4 × F3 with
Figure 00090001
in which
F4: = transfer function with the flow cross section A as input signal (excitation signal) and the system pressure p as output signal (response signal) and
F3 = transfer function with the system pressure p (or its change to the flow cross-section change dA out) as input signal (excitation signal) and the steam temperature T (or the steam temperature change dT) as an output signal (response signal)

Die Auswirkung des Massenstroms m . auf die Dampftemperatur T lässt sich durch die folgende Übertragungsfunktion F2 beschreiben: Fm_T = F2 mit

Figure 00090002
wobei
F2 := Übertragungsfunktion mit dem Massenstrom m . als Eingangssignal (Anregungssignal) und der Dampftemperatur T als Ausgangssignal (Antwortsignal)The impact of mass flow m. to the steam temperature T can be described by the following transfer function F2: F m_T = F2 with
Figure 00090002
in which
F2: = transfer function with the mass flow m. as input signal (excitation signal) and the steam temperature T as output signal (response signal)

Unter dem Begriff Übertragungsfunktion wird auch eine Übertragungsfunktionskette oder eine andere Verknüpfung von einzelnen Übertragungsfunktionen verstanden, durch die ein bestimmtes Zeitverhalten einer oder mehrerer Übertragungsstrecken beschrieben wird.The term transfer function is also understood to mean a transfer function chain or another linkage of individual transfer functions, by means of which a specific time behavior of one or more transmission links is described.

Im Ausführungsbeispiel nach 3 weisen die Verstärkungsfaktoren Ki und den Zeitkonstanten Ti folgende Werte auf:
K2 = –160
K3 = 400
K4 = –0.2
T2 = 190
T3 = 4
T4 = 12In the embodiment according to 3 the amplification factors Ki and the time constant Ti have the following values:
K2 = -160
K3 = 400
K4 = -0.2
T2 = 190
T3 = 4
T4 = 12

Aus den Wirkketten der vorgenannten Übertragungsfunktionen F2, F3 und F4 ergibt sich eine Entkopplungsfunktion F1, die die Temperaturabweichung dT als Reaktion auf eine Änderung des Strömungsquerschnitts dA neutralisiert. Sollvorgabe: dTsoll = 0: F4 × F3 + F1 × F2 = 0 The action chains of the abovementioned transfer functions F2, F3 and F4 result in a decoupling function F1 which neutralizes the temperature deviation dT in response to a change in the flow cross-section dA. Target: dT soll = 0: F4 × F3 + F1 × F2 = 0

Daraus folgt für F1:

Figure 00100001
It follows for F1:
Figure 00100001

Nachdem das Systemverhalten nicht in allen Betriebspunkten gleich ist, kann diese generelle Funktion über die Parameter Ki und Ti an den jeweiligen Betriebspunkt, z. B. charakterisiert durch den aktuellen Wärmeeintrag, angepasst werden.Since the system behavior is not the same in all operating points, this general function can be adjusted via the parameters Ki and Ti to the respective operating point, eg. B. characterized by the current heat input to be adjusted.

Zusätzlich kann das Zeitverhalten der Pumpe 9 und einer entsprechend unterlagerten Massenstromsteuerung oder -regelung in Form eines weiteren PT1-Glieds FP mit den Parametern KP und TP in die Entkopplungsfunktion F1 mit einbezogen werden:

Figure 00110001
In addition, the timing of the pump 9 and a correspondingly subordinate mass flow control or regulation in the form of a further PT1 element F P with the parameters K P and T P are included in the decoupling function F1:
Figure 00110001

Mit dem Übertragungsblock F5 kann optional noch die Koppelung der Auswirkung des Massenstroms m . auf den Systemdruck p berücksichtigt werden, die im dargestellten Rechenbeispiel vernachlässigt wird.With the transmission block F5 can optionally still the coupling of the effect of the mass flow m. be taken into account on the system pressure p, which is neglected in the illustrated calculation example.

Die Entkoppelungsfunktion bzw. der Übertragungsblock F1 kompensiert also rechnerisch die Auswirkung der Strömungsquerschnitts-Änderung dA auf die Dampftemperaturänderung dT durch Steuerung des Massenstroms m . über entsprechende Ansteuerung der Speisepumpe 9. Die Steuerung überlagert hierzu dem Massenstrom m . einen Entkopplungsmassenstrom dm .soll.The decoupling function or the transmission block F1 thus computationally compensates the effect of the flow cross-section change dA on the steam temperature change dT by controlling the mass flow m. via appropriate control of the feed pump 9 , For this purpose, the controller superimposes the mass flow m. a decoupling mass flow dm. should .

Die Auswirkung der Strömungsquerschnitts-Änderung dA auf die Dampftemperaturänderung dT wird im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Verkettung der ersten Koppelungsfunktion F4 für die Auswirkung der Strömungsquerschnitts-Änderung dA auf den Systemdruck p (in Form einer Systemdruck-Änderung dp) mit der zweiten Koppelungsfunktion F3 für die Auswirkung der Systemdruck-Änderung dp auf die Dampftemperatur T (in Form einer Dampftemperatur-Änderung dT) hergeleitet.The effect of the flow cross-section change dA on the steam temperature change dT is in the illustrated embodiment via a concatenation of the first coupling function F4 for the effect of the flow cross-section change dA on the system pressure p (in the form of a system pressure change dp) with the second coupling function F3 for the Effect of the system pressure change dp on the steam temperature T (in the form of a steam temperature change dT) derived.

Der Übertragungsblock F2 stellt eine Übertragungsfunktion dar, die die Auswirkung des Massenstroms m . bzw. einer Massenstromänderung dm . des Arbeitsmediums auf die Dampftemperatur T wiedergibt.The transmission block F2 represents a transfer function which measures the effect of the mass flow m. or a mass flow change dm. of the working medium to the steam temperature T reproduces.

Relevant ist auch die Abstimmung der Zeitkonstanten T2 bis T4 aufeinander, wobei T2 generell viel größer als T3 und T4 sind. Funktionell bedeutet dies, dass die Koppelungsfunktion F2 zur Abbildung der Auswirkung des Massenstroms m . bzw. einer Massenstrom-Änderung dm . auf die Dampftemperatur T langsam reagierend im Unterschied zu den Reaktionszeiten der anderen Koppelungsfunktionen F3 bis F4 (und F5) auszulegen ist.Also relevant is the matching of time constants T2 to T4 to each other, where T2 is generally much larger than T3 and T4. Functionally, this means that the coupling function F2 for mapping the effect of the mass flow m. or a mass flow change dm. in response to the steam temperature T slow reacting in contrast to the reaction times of the other coupling functions F3 to F4 (and F5) is interpreted.

Die Zeitkonstanten T2 bis T4 der Entkopplungsfunktion F1 werden vorzugsweise an den aktuellen Betriebszustand des Systems durch empirische Ermittlung angepasst. Der aktuelle Betriebszustand hängt beispielsweise vom Abgasmassenstrom durch den Wärmetauscher 5 ab.The time constants T2 to T4 of the decoupling function F1 are preferably adapted to the current operating state of the system by empirical determination. The current operating state depends, for example, on the exhaust gas mass flow through the heat exchanger 5 from.

4 zeigt das Ergebnis der Funktion F1. Der von der Pumpe 9 geförderte Massenstrom m . wird bei Änderung des Strömungsquerschnittes A mit einem Entkopplungsmassenstrom dm .soll des Arbeitsmediums überlagert. Ergebnis ist, dass die Änderung des Systemdruckes p durch die Änderung des Strömungsquerschnitts A keinen Einfluss mehr auf die Dampftemperatur T ausübt und die Gefahr der Tropfenbildung oder zu hohen Überhitzung wirksam vermieden wird. 4 shows the result of function F1. The one from the pump 9 promoted mass flow m. When changing the flow cross-section A with a decoupling mass flow dm. should be superimposed on the working medium. The result is that the change in the system pressure p by the change in the flow cross section A has no influence on the steam temperature T and the risk of drop formation or excessive overheating is effectively avoided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1573194 B1 [0002] EP 1573194 B1 [0002]

Claims (9)

Wärmekraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, die heißen Dampf eines Arbeitsmediums mittels einer Entspannungseinrichtung (11) in Bewegungsenergie umwandelt, bestehend aus einem Arbeitsmediumkreislauf, in dem ein Arbeitsmedium aus einem Behälter (4) von einer Pumpe (9) durch einen Abgaswärmetauscher (5) und anschließend durch die Entspannungseinrichtung (11) zurück in den Behälter (4) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungseinrichtung (11) eine Zuströmvorrichtung (11a) mit variabel steuerbarem Strömungsquerschnitt (A) aufweist und dass ein elektronisches Steuergerät (13) zumindest mit der Zuströmvorrichtung (11a) und der Pumpe (9) verbunden ist und ein Funktions-Modul (F1) aufweist, durch das abhängig von der Änderung des Strömungsquerschnitts (A) eine Änderung des durch die Pumpe (9) erzeugbaren Massenstroms (m .) einstellbar ist.Heat engine in a motor vehicle, the hot steam of a working medium by means of a relaxation device ( 11 ) converts into kinetic energy, consisting of a working medium circuit in which a working medium from a container ( 4 ) from a pump ( 9 ) through an exhaust gas heat exchanger ( 5 ) and then through the expansion device ( 11 ) back into the container ( 4 ), characterized in that the expansion device ( 11 ) an inflow device ( 11a ) having a variably controllable flow cross-section (A) and that an electronic control unit ( 13 ) at least with the inflow device ( 11a ) and the pump ( 9 ) and has a function module (F1) through which, depending on the change of the flow cross section (A), a change of the pump ( 9 ) can be set (m.) Is adjustable mass flow. Wärmekraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Funktions-Modul (F1) gleichzeitig mit der Veränderung des Strömungsquerschnitts (A) eine Änderung des Massenstroms (m .) einstellbar ist.Heat engine according to claim 1, characterized in that a change of the mass flow (m.) Is adjustable by the function module (F1) simultaneously with the change of the flow cross-section (A). Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Funktions-Modul (F1) eine Änderung des Massenstroms (m .) zur Erzeugung eines Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) steuerbar ist, wobei der Entkopplungsmassenstrom (dm .soll) derart bestimmt wird, dass eine durch Änderung des Strömungsquerschnitts (A) andernfalls verursachte Änderung der Dampftemperatur (T) verhindert wird.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that through the function module (F1) a change of the mass flow (m.) For generating a decoupling mass flow (dm. Soll) is controllable, wherein the decoupling mass flow (dm intended.) Is determined in such a way in that a change in the steam temperature (T) otherwise caused by a change in the flow cross-section (A) is prevented. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktions-Modul (F1) zur Ermittlung des Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) eine die Auswirkung der Strömungsquerschnitts-Änderung (dA) auf die Dampftemperaturänderung (dT) beschreibende erste Übertragungsfunktion (FA_T) aufweist.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the function module (F1) for determining the decoupling mass flow (dm. , Soll ) a the effect of the flow cross-section change (dA) on the steam temperature change (dT) descriptive first transfer function (F A_T ) having. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktions-Modul (F1) zur Ermittlung des Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) eine die Auswirkung einer Massenstrom-Änderung (dm .) auf die Dampftemperatur-Änderung (dT) beschreibende zweite Übertragungsfunktion (Fm_T) aufweist.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the function module (F1) for determining the decoupling mass flow (dm intended.) An the effect of a mass flow variation (dm.) On the steam temperature change (dT) descriptive second transfer function ( F m_T ). Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktions-Modul (F1) zur Ermittlung des Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) die erste Übertragungsfunktion (FA_T) mit der zweiten Übertragungsfunktion (Fm_T) verknüpft ist.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the function module (F1) for determining the decoupling mass flow (dm. Soll), the first transfer function (F a_t) to the second transfer function (F M_T) is associated. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Funktions-Modul (F1) zur Ermittlung des Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) die erste Übertragungsfunktion (FA_T) mit der zweiten Übertragungsfunktion (Fm_T) verknüpft ist, wobei die Zeitkonstante(n) (T3, T4) der ersten Übertragungsfunktion (FA_T) wesentlich kleiner als die die Zeitkonstante(n) (T2) der zweiten Übertragungsfunktion (Fm_T) ausgelegt ist (sind).Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the function module (F1) for determining the decoupling mass flow (dm. Soll), the first transfer function (F a_t) to the second transfer function (F M_T) is linked, whereby the time constant (n ) (T3, T4) of the first transfer function (F A_T ) is substantially smaller than the time constant (s) (T2) of the second transfer function (F m_T ) is designed (are). Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertragungsfunktion (FA_T) des Funktions-Moduls (F1) zur Ermittlung des Entkopplungsmassenstroms (dm .soll) durch Verknüpfung einer die Auswirkung der Strömungsquerschnitts-Änderung (dA) auf die Systemdruck-Änderung (dp) beschreibende Übertragungsfunktion (F4) mit einer die Auswirkung der Systemdruck-Änderung (dp) auf die Dampftemperatur-Änderung (dT) beschreibende Übertragungsfunktion (F4) gebildet ist.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the first transfer function (F a_t) of the function module (F1) for determining the decoupling mass flow (dm. Soll) by linking of a the effect of the flow cross-sectional change (dA) to the system pressure Change (dp) descriptive transfer function (F4) with a the effect of the system pressure change (dp) on the steam temperature change (dT) descriptive transfer function (F4) is formed. Wärmekraftmaschine nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstanten (T2 bis T4) der Entkopplungsfunktion (F1) an den aktuellen Betriebszustand des Systems durch empirische Ermittlung angepasst werden.Heat engine according to one of the preceding claims, characterized in that the time constants (T2 to T4) of the decoupling function (F1) are adapted to the current operating state of the system by empirical determination.
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