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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Abwärmenutzungsvorrichtung und ein Fahrzeug mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2013 001 569 A1 beschrieben, ein Verfahren zum Betreiben einer Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei beinhaltet die Abwärmenutzungsvorrichtung einen Abwärmenutzungskreis, in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Im Abwärmenutzungskreis sind eine Fördermaschine, ein Verdampfer, eine Expansionsmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie und ein Kondensator angeordnet. Im Verfahren ist eine Grundregelung des Abwärmenutzungskreises vorgesehen, die in Abhängigkeit eines Wärmeeintrags in das Arbeitsmedium den Massenstrom an der Fördermaschine und/oder das Verhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck an der Expansionsmaschine einstellt. Ergänzend dazu ist eine Vorsteuerung vorgesehen, die einen Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine erkennt und bei einem Wechsel des Betriebspunktes der Brennkraftmaschine die Kondensationsleistung des Kondensators nach Maßgabe einer auf den neuen Betriebspunkt optimierten Massenverteilung des Arbeitsmediums im Abwärmenutzungskreis steuert.
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In der
DE 10 2008 019 160 A1 wird ein Kraftfahrzeug beschrieben. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Brennkraftmaschine, einen thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator zum Generieren von elektrischem Strom mittels im Betrieb der Brennkraftmaschine anfallender Wärmeenergie und eine Steuereinrichtung zum Betreiben des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators. Die Steuereinrichtung ist mit einer Navigationseinrichtung zur Positionsbestimmung des Fahrzeugs gekoppelt und derart ausgestaltet, dass sie den thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator in Abhängigkeit der Fahrzeugposition aktiviert.
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Aus der
DE 10 2008 057 202 A1 ist ein Clausius-Rankine-Kreis für eine Anwendung in einem Kraftfahrzeug bekannt. Der Clausius-Rankine-Kreis umfasst eine Pumpe zum Antreiben eines flüssigen Arbeitsfluids im Clausius-Rankine-Kreis und zur Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids, eine Heizeinrichtung zum Verdampfen des unter Druck stehenden flüssigen Arbeitsfluids, eine Expansionseinrichtung zum Erzeugen mechanischer Antriebsleistung mittels Expansion des heißen, komprimierten Dampfes, eine Kondensatoreinrichtung zum Kondensieren des heißen, entspannten Dampfes, der als flüssiges Arbeitsfluid der Pumpe zuführbar ist, und ein Sammelvolumen zum Sammeln und Bevorraten von flüssigen Arbeitsfluid. Das Sammelvolumen ist in ein Gehäuse der Kondensatoreinrichtung integriert.
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In der
DE 10 2010 055 915 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verteilung eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und nachgeordneter oder integrierter Abgasnachbehandlungsvorrichtung und/oder Wärmerückgewinnungsvorrichtung in einem Fahrzeug beschrieben. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird eine die Abgasnachbehandlungsvorrichtung und/oder die Wärmerückgewinnungsvorrichtung umgehend angeordnete Bypassleitung mittels einer Dosier-/Verzweigeeinrichtung mit zumindest einem Teil des Abgases beaufschlagt und abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine werden die Abgase durch eine Verringerung der Durchflussmenge der Dosier-/Verzweigeeinrichtung in Richtung der Brennkraftmaschine aufgestaut.
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Des Weiteren wird in Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294, ein Regelungssystem für einen Rankine-Kreislauf zur Nutzung der Abwärme aus dem Abgas eines Ottomotors beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung, eine mittels des Verfahrens betriebene Abwärmenutzungsvorrichtung und ein Fahrzeug mit einer solchen Abwärmenutzungsvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Abwärmenutzungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zum Betrieb einer Abwärmenutzungsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Abwärmenutzungsvorrichtung einen Rankine-Kreislauf nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses umfasst, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert, wobei der Rankine-Kreislauf eine Arbeitsmediumfördereinrichtung, mindestens einen Verdampfer, einen Expander und einen Kondensator umfasst und wobei der zumindest eine Verdampfer mit einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine thermisch gekoppelt oder koppelbar ist und der Kondensator mit einem Kühlkreislauf thermisch gekoppelt oder koppelbar ist, wird erfindungsgemäß die Arbeitsmediumfördereinrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter eines Antriebsstrangs und/oder zumindest einer Bremsvorrichtung und/oder einer Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs gesteuert und/oder geregelt.
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Dabei wird zweckmäßigerweise mittels des mindestens einen Parameters ein zukünftiger Abgasmassenstrom und/oder ein zukünftiger Abwärmestrom und/oder eine zukünftige Abgastemperatur prognostiziert, so dass die Steuerung und/oder Regelung der Arbeitsmediumfördereinrichtung in Abhängigkeit von dem aufgrund der jeweiligen Ausprägung des zumindest einen Parameters in der Folge eintretenden Abgasmassenstrom und/oder Abwärmestrom und/oder von der in der Folge eintretenden Abgastemperatur gesteuert und/oder geregelt wird. D. h. die Arbeitsmediumfördereinrichtung wird in Abhängigkeit von dem mindestens einen Parameter des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs mit einer zeitlichen Vorausschau bezüglich des Abgasmassenstroms, des Abgaswärmestroms und/oder der Abgastemperatur gesteuert und/oder geregelt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Anpassung der Abwärmenutzungsvorrichtung an eine Veränderung eines oder mehrerer Parameter des Antriebsstrangs, der Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung und dadurch eine besonders effiziente Abwärmenutzung der Verbrennungskraftmaschine. Durch das Verfahren wird beispielsweise eine effiziente Regelung auch bei plötzlichen Lastwechseln der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden insbesondere Schwingungen oder eine Abschaltung der Abwärmenutzungsvorrichtung vermieden oder zumindest reduziert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Abwärmenutzungsvorrichtung,
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2 eine schematische Darstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, und
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3 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Abwärmenutzungsvorrichtung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Abwärmenutzungsvorrichtung 1 für ein Fahrzeug, welches eine Verbrennungskraftmaschine 2 aufweist. In 1 ist das Fahrzeug nicht näher dargestellt, sondern lediglich die Verbrennungskraftmaschine 2, welche auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird und beispielsweise als ein Ottomotor oder als ein Dieselmotor ausgebildet ist.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst einen Rankine-Kreislauf 3 nach Art eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses, in welchem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Der Rankine-Kreislauf 3 umfasst eine Arbeitsmediumfördereinrichtung 4, auch als Pumpe oder Speisepumpe bezeichnet, zum Antreiben des Arbeitsmediums sowie mindestens einen Verdampfer 5, 6 zum Verdampfen des Arbeitsmediums, welcher stromab der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 angeordnet ist und vorzugsweise mit einem Abgasstrang 7 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt ist. Im hier dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zwei solche Verdampfer 5, 6, nämlich einen Abgasrückführungsverdampfer 5, welcher mit einer Abgasrückführungsleitung 8 des Abgasstrangs 7 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt ist, und einen Abgasnachbehandlungsverdampfer 6, welcher mit einer Abgasnachbehandlungsleitung 9 des Abgasstrangs 7 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt ist.
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Um dies zu ermöglichen, weist der Rankine-Kreislauf 3 im dargestellten Beispiel zwei Teilkreisläufe auf, welche in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 voneinander abzweigen, wobei der Abgasrückführungsverdampfer 5 im Abgasrückführungsverdampferteilkreislauf angeordnet ist und der Abgasnachbehandlungsverdampfer 6 im Abgasnachbehandlungsverdampferteilkreislauf angeordnet ist. Vorzugsweise ist an der Abzweigung ein steuerbares und/oder regelbares Teilkreislaufventil 10 angeordnet, mittels welchem eine Aufteilung des Arbeitsmediums auf die beiden Teilkreisläufe steuerbar und/oder regelbar ist.
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Die beiden Teilkreisläufe münden in einen gemeinsamen Zulauf zu einem Expander 11 des Rankine-Kreislaufs 3, auch als Expansionsvorrichtung oder Expansionsmaschine oder Dampfmaschine bezeichnet, zum Entspannen des Arbeitsmediums. Der Expander 11 ist beispielsweise als eine Turbine, als eine Schraubenexpansionsmaschine, als eine Kolbenexpansionsmaschine oder als eine Scrollexpansionsmaschine ausgebildet, welche vom dampfförmigen oder gasförmigen Arbeitsmedium des Rankine-Kreislaufs 3 angetrieben wird und beispielsweise einen elektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Der Rankine-Kreislauf 3 weist des Weiteren stromab des Expanders 11 einen Kondensator 12 zum Kühlen des Arbeitsmediums auf, welcher mit einem Kühlkreislauf 13 thermisch gekoppelt ist, beispielsweise mit einem Kühlkreislauf 13 der Verbrennungskraftmaschine 2 oder mit einem separaten Kühlkreislauf 13. Der Kühlkreislauf 13 weist eine Kühlmediumfördereinrichtung 14, beispielsweise eine Pumpe, zum Fördern eines Kühlmediums im Kühlkreislauf 13 auf.
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Der Rankine-Kreislauf 3 weist zudem eine Expanderbypassleitung 15 auf, um einen Arbeitsmediummassenstrom ganz oder teilweise um den Expander 11 herumzuleiten. Am Abzweig dieser Expanderbypassleitung 15 ist ein steuerbares und/oder regelbares Expanderbypassventil 16 angeordnet.
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Der Abgasstrang 7 der Verbrennungskraftmaschine 2 weist, wie bereits beschrieben, die Abgasrückführungsleitung 8 und die Abgasnachbehandlungsleitung 9 auf. Die Abgasrückführungsleitung 8 zweigt im dargestellten Beispiel nach einem Abgasausgang und vor einem Abgasturbolader 17 von einer Abgasleitung 18 des Abgasstrangs 7 ab, wobei in der Abgasrückführungsleitung 8 vor dem Abgasrückführungsverdampfer 5 ein steuerbares und/oder regelbares Abgasrückführungsventil 19 angeordnet ist, mittels welchem ein Abgasmassenstrom durch die Abgasrückführungsleitung 8 und somit durch den Abgasrückführungsverdampfer 5 bzw. durch ein mit diesem thermisch gekoppelten Wärmetauscher steuerbar und/oder regelbar ist.
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Eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 ist nach dem Abgasturbolader 17 im Abgasstrang 7 angeordnet, wobei nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 und vor dem Abgasnachbehandlungsverdampfer 6 ein steuerbares und/oder regelbares Abgasnachbehandlungsventil 21 in der Abgasnachbehandlungsleitung 9 angeordnet ist, mittels welchem ein Abgasmassenstrom durch die Abgasnachbehandlungsleitung 9 und somit durch den Abgasnachbehandlungsverdampfer 6 bzw. durch einen mit diesem thermisch gekoppelten Wärmetauscher steuerbar und/oder regelbar ist. Ist dieses Abgasnachbehandlungsventil 21 vollständig geschlossen, so strömt das Abgas zweckmäßigerweise über eine hier nicht dargestellte weitere Leitung des Abgasstrangs 7 der Verbrennungskraftmaschine 2, welche von der Abgasnachbehandlungseinrichtung 20 abzweigt. Das Abgasrückführungsventil 19 und das Abgasnachbehandlungsventil 21 sind beispielsweise jeweils als eine Klappe ausgebildet.
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Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 weist des Weiteren eine Regelungseinrichtung 22 zu ihrer Regelung auf. Diese Regelungseinrichtung 22 umfasst eine Verdampferregelung 23, welche insbesondere die Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 des Rankine-Kreislaufs 3 steuert und/oder regelt, eine Kondensatorregelung 24, welche insbesondere die Kühlmediumfördereinrichtung 14 und/oder ein hier nicht dargestelltes Thermostatventil des Kühlkreislaufs 13 steuert und/oder regelt, und eine Komponentenschutzregelung 25, welche das Abgasnachbehandlungsventil 21 und, hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit einem entsprechenden Pfeil dargestellt, das Abgasrückführungsventil 19 steuert und/oder regelt.
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Kernstück der Abgaswärmenutzungsvorrichtung 1 ist somit ein thermodynamischer Kreisprozess in Form des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, mit dem Wärme im Abgas mittels des Abgasrückführungsverdampfers 5 und des Abgasnachbehandlungsverdampfers 6 bzw. mittels mit diesen gekoppelten Wärmetauschern auf das Arbeitsmedium übertragen wird, um dieses zu verdampfen. Das verdampfte Arbeitsmedium wird anschließend dem Expander 11, auch als Dampfmaschine bezeichnet, zugeführt. Durch den Antrieb des Expanders 11 mittels des Arbeitsmediums wird die Wärmeenergie des Abgases in mechanische Energie umgewandelt. Der Expander 11 kann unterstützend für die Verbrennungskraftmaschine 2 wirken und/oder einen elektrischen Generator antreiben, um die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Die elektrische Energie kann beispielsweise in ein Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist werden, um elektrische Verbraucher des Fahrzeugs zu versorgen und dadurch die Verbrennungskraftmaschine 2 zu entlasten. Alternativ oder zusätzlich kann diese elektrische Energie beispielsweise zum Laden einer elektrochemischen Batterie des Fahrzeugs dienen, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie, mittels welcher ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs mit Energie versorgbar ist.
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Um den Kreisprozess zu schließen, wird der Dampf des Arbeitsmediums nach dem Expander 11 im Kondensator 12 heruntergekühlt und verflüssigt und mithilfe der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 verdichtet und erneut zu den beiden Verdampfern 5, 6 befördert. Für eine gute Funktion dieses Kreisprozesses sind insbesondere zwei Regelungen erforderlich, eine Regelung für den Verdampfungsprozess, d. h. die Verdampferregelung 23, durch Vorgabe eines Arbeitsmediummassenstroms mittels der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 und eine Regelung für die Kühlung des Kondensators 12, d. h. die Kondensatorregelung 24, durch Beeinflussung eines Kühlmediummassenstroms und/oder einer Kühlmediumtemperatur. Dies erfolgt durch die Steuerung und/oder Regelung der Kühlmediumfördereinrichtung 14, wie hier dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise zumindest ein hier nicht dargestelltes Thermostatventil im Kühlkreislauf 13 gesteuert und/oder geregelt werden, wie oben bereits beschrieben.
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Ziel der Verdampferregelung 23 ist es, einen Arbeitsmediumdampf mit einer vorgegebenen Dampfqualität zu erzeugen, d. h. mit einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck. Der Dampf des Arbeitsmediums darf nicht zu heiß sein, um eine Zersetzung des Arbeitsmediums zu vermeiden, aber auch nicht zu kalt, um einen Nassdampf oder ein flüssiges Arbeitsmedium und einen daraus resultierenden Wasserschlag im Expander 11 zu vermeiden.
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Mittels der Kondensatorregelung 24 wird sichergestellt, dass eine ausreichende Menge flüssigen Arbeitsmediums vor der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 zur Verfügung steht. Gleichzeitig wird mittels der Kondensatorregelung 24 sichergestellt, dass das Arbeitsmedium nicht zu weit heruntergekühlt wird, da sonst Wirkungsgradverluste entstehen würden.
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Im Falle einer Arbeitsmediumüberhitzung greift die Komponentenschutzregelung 25 ein, mit welcher das Abgasrückführungsventil 19 und/oder das Abgasnachbehandlungsventil 21 betätigt werden, so dass das heiße Abgas abgeleitet wird, d. h. den jeweiligen Verdampfer 5, 6 umgeht und somit nicht durch den jeweiligen Verdampfer 5, 6 bzw. dessen Wärmetauscher hindurchgeleitet wird, um die Temperatur im jeweiligen Verdampfer 5, 6 zu senken. Stürzt die Dampfqualität in den Nassdampfbereich ab, wird die Expanderbypassleitung 15 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung des Expanderbypassventils 16 aktiviert und der nasse Dampf um den Expander 11 herumgeleitet. Die Dampfqualität ist der Quotient aus der Enthalpiedifferenz zwischen aktueller Enthalpie und der Enthalpie auf der Siedelinie ins Verhältnis gesetzt zur gesamten Verdampfungsenthalpie, d. h. der Differenz zwischen Enthalpie auf der Siede- und der Taulinie. Ist die Dampfqualität kleiner Null, liegt ein flüssiges Arbeitsmedium vor. Bei einer Dampfqualität gleich Null liegt das Arbeitsmedium auf der Siedelinie. Bei einer Dampfqualität zwischen Null und Eins liegt Nassdampf vor. Bei einer Dampfqualität gleich Eins liegt das Arbeitsmedium auf der Taulinie. Bei einer Dampfqualität größer Eins liegt überhitzter Dampf vor.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Abwärmenutzungsvorrichtung 1 und der als Reglerschaltbild dargestellten Regelungseinrichtung 22, hier ausschließlich genutzt für die Verdampferregelung 23 dieser Abwärmenutzungsvorrichtung 1, nach dem Stand der Technik gemäß Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294.
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Das Reglerschaltbild der Verdampferregelung 23 für den Rankine-Kreislauf 3 dieser Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst eine Sollwertvorgabe 26 zur Vorgabe einer Solldampfqualität in Form eines Solldampfdrucks und einer Solldampftemperatur sowie eine Vorsteuerung 27 mit einem inversen Verdampfermodell. Dieses inverse Verdampfermodell ist ein Rechenmodell, das aus einem Abgaswärmestrom und der gewünschten Dampfenthalpie am jeweiligen Verdampferaustritt den zugehörigen Arbeitsmediummassenstrom am jeweiligen Verdampfereintritt berechnet. Eingangsgrößen der Vorsteuerung 27 sind die Solldampfqualität in Form des Solldampfdrucks und der Solldampftemperatur von der Sollwertvorgabe 26 sowie Störgrößen 28 bezüglich Abgasmassenstrom und Abgastemperatur.
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Das Reglerschaltbild der Regelungseinrichtung 22, genauer gesagt der Verdampferregelung 23, umfasst des Weiteren eine Rückführung 29, zum Beispiel in Form eines PID-Reglers. Auf den Rankine-Kreislauf 3 wirken zudem Störeinflüsse 30 ein, beispielsweise ein Schaltvorgang eines Getriebes des Fahrzeugs nach Neutral, oder ein Wechsel der Verbrennungskraftmaschine 2 von Teillast zur Vollast. Des Weiteren erfolgt eine Istwerterückführung 31 des aktuellen Dampfzustandes als Ist-Dampfqualität in Form eines Ist-Dampfdrucks und einer Ist-Dampftemperatur. Dazu sind zweckmäßigerweise entsprechende Sensoren im Rankine-Kreislauf 3 vorgesehen.
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Aus der oben genannten Veröffentlichung Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294 sind nichtlineare Regelungsansätze für die Verdampfer 5, 6 bekannt, die aufgrund der nichtlinearen, totzeitbehafteten Regelstrecke ein inverses Verdampfermodell als Vorsteuerung 27 kombiniert mit einer separaten Rückführung 29 verwenden, wie in 2 gezeigt. Üblicherweise werden in der Vorsteuerung 27 aktuelle Abgastemperaturen und Abgasmassenströme sowie die Arbeitsmediumtemperaturen und -drücke benutzt, um einen Zielwert für den erforderlichen Arbeitsmediummassenstrom zu berechnen. Dabei reagiert die Vorsteuerung 27 sowie die nachgeschaltete Regelung erst, wenn sich der Massenstrom oder die Temperatur des Abgases ändert, verursacht zum Beispiel durch eine plötzliche Laständerung der Verbrennungskraftmaschine 2. Dies führt zu einer verspäteten Reaktion des Reglers, da zwischen dem Stellglied Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 und der Wirkung am Verdampferausgang des jeweiligen Verdampfers 5, 6 eine Totzeit wirkt. Die verspätete Reaktion des Reglers wiederum führt zu einer größeren Regelabweichung und kann im ungünstigen Fall zu Schwingungen oder sogar zur Abschaltung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung des Abgasrückführungsventils 19 und/oder des Abgasnachbehandlungsventils 21 und/oder des Expanderbypassventils 16 führen.
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In 3 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 und ihrer Regelungseinrichtung 22 dargestellt, mittels welcher dieses Problem durch Berücksichtigung zumindest eines Parameters P eines Antriebsstrangs und/oder zumindest einer Bremsvorrichtung und/oder einer Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs vermieden wird. Dazu wird in einem Verfahren zum Betrieb der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zweckmäßigerweise die Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter P des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs gesteuert und/oder geregelt. Dies betrifft somit insbesondere die Verdampferregelung 23 der Regelungseinrichtung 22.
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Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise der Kühlkreislauf 13 in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter P des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs gesteuert und/oder geregelt. Dies betrifft somit insbesondere die Kondensatorregelung 24 der Regelungseinrichtung 22.
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Zweckmäßigerweise wird mittels des mindestens einen Parameters P ein zukünftiger Abgasmassenstrom und/oder ein zukünftiger Abwärmestrom und/oder eine zukünftige Abgastemperatur prognostiziert, so dass die Steuerung und/oder Regelung der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 und/oder des Kühlkreislaufs 13 in Abhängigkeit von dem aufgrund der jeweiligen Ausprägung des zumindest einen Parameters P in der Folge eintretenden Abgasmassenstrom und/oder Abwärmestrom und/oder von der in der Folge eintretenden Abgastemperatur gesteuert und/oder geregelt wird. D. h. die Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 und/oder der Kühlkreislauf 13 wird in Abhängigkeit von dem mindestens einen Parameter P des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs mit einer zeitlichen Vorausschau bezüglich des Abgasmassenstroms, des Abgaswärmestroms und/oder der Abgastemperatur gesteuert und/oder geregelt.
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Zur Steuerung und/oder Regelung des Kühlkreislaufs 13 wird zweckmäßigerweise eine Kühlmediumtemperatur und/oder ein Kühlmediummassenstrom gesteuert und/oder geregelt. Hierzu wird zweckmäßigerweise die Kühlmediumfördereinrichtung 14 und/oder zumindest ein Ventil, insbesondere ein Thermostatventil, im Kühlkreislauf 13 gesteuert und/oder geregelt. Der zumindest eine Parameter P wird zweckmäßigerweise von einem Antriebsstrangsteuergerät, beispielsweise von einem Motorsteuergerät und/oder von einem Getriebesteuergerät und/oder von einem beispielsweise den Motor und das Getriebe und/oder zumindest eine Bremsvorrichtung koordinierenden Steuergerät oder einer anderen Koordinationseinheit, zur Verfügung gestellt, insbesondere wenn es sich um einen Parameter P des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung des Fahrzeugs handelt. Ein Parameter P der zumindest einen Bremsvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich von einem entsprechenden Steuergerät der Bremsvorrichtung geliefert werden. Ein Parameter P der Navigationsvorrichtung wird zweckmäßigerweise von dieser geliefert. Als Parameter P der Navigationsvorrichtung werden beispielsweise eine aktuelle Position des Fahrzeugs, eine geplante oder erwartete Fahrtroute, insbesondere eine Fahrt des Fahrzeugs beeinflussende Routeninformationen und/oder Verkehrsinformationen, wie beispielsweise ein Höhenverlauf und ein Kurvenverlauf und/oder Geschwindigkeitsvorgaben und/oder eine Vorfahrtsberechtigung der eigenen oder einer kreuzenden Strecke zur Verfügung gestellt. Mit diesen Informationen können beispielsweise eine zukünftig erforderliche Gangstufe des Getriebes des Fahrzeugs und insbesondere eine zukünftige Lastanforderung an die Verbrennungskraftmaschine 2 prädiziert werden. Derartige Vorrichtungen werden auch als vorausschauende Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs bezeichnet.
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Somit werden die oben geschilderten Probleme der aus dem Stand der Technik bekannten Regelung, insbesondere ihrer zu späten Reaktion auf Veränderungen des Wärmeeintrags in den Rankine-Kreislauf 3 durch veränderte Abgasmassenströme und/oder veränderte Abgastemperaturen, durch die Nutzung entsprechender Signale insbesondere einer Antriebstrangsteuerung, beispielsweise einer Getriebesteuerung und/oder Motorsteuerung, und/oder von Signalen zumindest einer Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs vermieden.
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Dazu weist die Regelungseinrichtung 22 zusätzlich zu den bereits in 2 gezeigten und beschriebenen Komponenten ein Prädiktionsmodul 32 auf. Eingangsgrößen dieses Prädiktionsmoduls 32 sind die oben beschriebenen Parameter P des Antriebsstrangs und/oder der zumindest einen Bremsvorrichtung und/oder der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs, beispielsweise ein Soll-Motormoment der Verbrennungskraftmaschine 2, welches zum Beispiel ableitbar ist aus einem Fahrpedalsignal und/oder aus einem Signal der Geschwindigkeitsregelvorrichtung, ein Soll-Gang, beispielsweise ableitbar aus einem Signal der Getriebesteuerung, wobei auch ein Neutralgang und somit ein Roll- oder Segelbetrieb des Fahrzeugs berücksichtigt wird, und/oder eine Kupplungsposition, um einen Roll- oder Segelbetrieb des Fahrzeugs mit geöffneter Kupplung zu berücksichtigen. Des Weiteren werden als Parameter P beispielsweise Bremssollwerte berücksichtigt, beispielsweise Bremssollwerte einer Betriebsbremse, eines Retarders, einer oder mehrerer Bremsklappen im Abgasstrang 7 und/oder einer Motorbremse des Fahrzeugs, wobei diese Motorbremse beispielsweise auch das Schließen von Auslassventilen während einer Verdichtung und/oder das kurze Öffnen der Auslassventile am Ende des Verdichtungstaktes und/oder eine Einstellung von Turbinenschaufeln des Abgasturboladers 17 umfassen kann, um die Motorbremswirkung zu steigern. Des Weiteren werden als Eingangsgrößen des Prädiktionsmoduls 32 alle Ist-Werte des Rankine-Kreislaufs 3, insbesondere Temperaturwerte und Druckwerte, berücksichtigt.
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Ausgangsgrößen 33 des Prädiktionsmoduls 32 sind prädizierte Werte beispielsweise für das Antriebsmoment, das Bremsmoment, den Abgaswärmestrom bzw. den Abgasmassenstrom und die Abgastemperatur, die Kühlmediumtemperatur, die Arbeitsmediumaustrittstemperatur aus den Verdampfern 5, 6, für einen Systemhochdruck vor dem Expander 11 und/oder für einen Systemniederdruck nach dem Kondensator 12. Auf diese Weise und mit diesen prädizierten Werten werden die Vorsteuerung 27, die Rückführung 29 und die Sollwertvorgabe 26 beeinflusst und die Verdampferregelung 23 und/oder die Kondensatorregelung 24 somit an diese prädizierten Werte angepasst.
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Vorzugsweise werden als Eingangsgrößen des Prädiktionsmoduls 32 zudem, wie oben bereits beschrieben, ein oder mehrere Parameter P der Navigationsvorrichtung des Fahrzeugs genutzt, beispielsweise Karten und ein auf einer satellitengestützten Positionsermittlung basierender Vorausschauhorizont, so dass als Parameter P der Navigationsvorrichtung beispielsweise eine vorausliegende Steigung und/oder eine mögliche Fahrgeschwindigkeit über eine Strecke oder Zeit berücksichtigt werden. Zudem wird zweckmäßigerweise ein Ist-Zustand des Antriebstrangs, beispielsweise eine Ist-Geschwindigkeit, ein Antrieb- und/oder Bremsmoment und/oder eine Drehzahl berücksichtigt. Des Weiteren wird zweckmäßigerweise ein Ist-Zustand des Rankine-Kreislaufs 3 berücksichtigt.
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Weitere Ausgangsgrößen 33 des Prädiktionsmoduls 32 sind dann ein berechneter Vorausschauhorizont über Zeit oder Weg der Größen Antriebs- und/oder Bremsmoment und zudem die bereits oben erwähnten Ausgangsgrößen 33 Abgaswärmestrom bzw. Abgasmassenstrom und Abgastemperatur, Kühlmediumtemperatur, Arbeitsmediumaustrittstemperatur aus den Verdampfern 5, 6, Systemhochdruck vor dem Expander 11 und/oder Systemniederdruck nach dem Kondensator 12. Mit diesen Ausgangsgrößen 33 erfolgt dann, wie oben bereits beschrieben und wie in 3 dargestellt, die Beeinflussung der Vorsteuerung 27, der Rückführung 29 und der Sollwertvorgabe 26.
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Bei der in 3 dargestellten Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 im Verfahren zu deren Betrieb wird somit beispielsweise ein Fahrpedalsignal benutzt, um einen unmittelbar bevorstehenden Lastsprung der Verbrennungskraftmaschine 2 zu erkennen. Durch die Nutzung dieser Information, welche einen kleinem Zeitvorsprung bis zum realen Eintreten eines durch das Fahrpedalsignal hervorgerufenen Momentensprungs der Verbrennungskraftmaschine 2 und eines damit verbundenen Abgasmassenstromsprungs aufweist, können die Auswirkungen auf die Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 durch frühzeitige Beeinflussung der Vorsteuerung 27 vermindert werden.
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Ein weiteres Beispiel ist eine Beendigung eines Roll- oder Segelzustands des Fahrzeugs, in welchem das Fahrzeug weder angetrieben noch gebremst wird. Zur Feststellung der Beendigung dieses Zustands wird vorzugsweise ein Soll-Gang-Signal der Getriebesteuerung genutzt. Der Soll-Gang zeigt frühzeitig einen Gangwechsel an, bei Beendigung des Roll- oder Segelzustands einen Gangwechsel von Neutral zu einem ermittelten Zielgang, so dass sich die Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 auf einen plötzlichen deutlichen Anstieg des Abgasmassenstromes einstellen kann und daraufhin den Arbeitsmediummassenstrom erhöht, noch bevor der erhöhte Abgasmassenstrom tatsächlich auf die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 einwirkt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch eine vorausschauende Fahrstrategie mit der Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 kombiniert werden. Mit einer Vorausschaustrategie können prädizierte Momente, beispielsweise eine Zug-Schubumschaltung sowie Gangwechsel mit größerer Vorausschauzeit zur frühzeitigen Korrektur des Arbeitsmediummassenstroms eingesetzt werden, woraus weitere funktionale Verbesserungen resultieren.
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Funktionale Ereignisse im Triebstrang, welche für die Nutzung in der Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 relevant sind und daher zweckmäßigerweise erfasst und dieser Regelung der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 zugrunde gelegt werden, da sie den Abgasmassenstrom, die Abgaswärme und/oder andere Eigenschaften des Abgases, zum Beispiel seine Wärmekapazität, beeinflussen, sind beispielsweise ein Soll-Momentenwert einer Geschwindigkeitsreglervorrichtung oder des Fahrpedals des Fahrzeugs, Schaltvorgänge als Sollwert vor einer Schaltung, eine Momentenunterbrechung während des Schaltvorganges, der oben bereits beschriebene Roll- oder Segelbetrieb des Fahrzeugs mit damit verbundenen Momentenflanken bei der Schaltung nach Neutral oder von Neutral in einen jeweiligen Gang während der Fahrt des Fahrzeugs sowie die oben ebenfalls bereits beschriebene Zug-Schubumschaltung oder eine Schub-Zugumschaltung. Im Schubbetrieb besitzt das Abgas eine andere Wärmekapazität und beeinflusst damit den Verdampfungsprozess des Arbeitsmediums. Des Weiteren werden zweckmäßigerweise Bremsbetätigungen einer oder mehrerer Bremsvorrichtungen des Fahrzeugs erfasst und der Regelung zugrunde gelegt, sofern diese den Abgastrom beeinflussen. Als Bremsvorrichtungen kommen beispielsweise, wie bereits beschrieben, ein Retarder, eine oder mehrere Bremsklappen im Abgasstrang 7 und/oder eine Motorbremse, beispielsweise auch durch eine gezielte Ansteuerung von Auslassventilen und/oder einer Schaufeleinstellung des Abgasturboladers 17, in Betracht.
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Werden derartige prädiktive Eingriffe bei der Verdampferregelung 23 umgesetzt, verringern sich Überschwinger bei Temperatur und Druck im Rankine-Kreislauf 3, wodurch der Rankine-Kreislauf 3 noch etwas heißer und näher an den Grenzwerten betrieben und somit der Wirkungsgrad erhöht werden kann.
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Für die Kühlung des Kondensators 12 ist die Berücksichtigung dieser Faktoren bei der Kondensatorregelung 24 ebenfalls vorteilhaft. Besonders vorteilhaft ist auch hier die Berücksichtigung einer vorausschauenden Fahrstrategie. Mittels eines solchen prädiktiven Thermomanagements des Kühlkreislaufs 13, das bei erkannten zukünftigen hohen Kühlmediumtemperaturen beispielsweise durch Öffnen des steuerbaren und/oder regelbaren Thermostatventils die Kühlmediumtemperatur vorher absenkt und/oder bei erkannten zukünftigen niedrigen Kühlmediumtemperaturen beispielsweise durch Schließen des steuerbaren und/oder regelbaren Thermostatventils ein zu starkes Abkühlen der Kühlmediumtemperatur verhindert, kann die Kühlung des Kondensators 12 optimal auf eine bevorstehende Hochlastphase oder Niederlastphase eingestellt werden.
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Ziel der Kühlung des Kondensators 12 ist es, das Arbeitsmedium, beispielsweise Ethanol, vor der Arbeitsmediumfördereinrichtung 4 so nah wie möglich an der Kavitationsgrenze zu halten, ohne diese zu übertreten. Dadurch ist sichergestellt, dass das Arbeitsmedium nicht zu sehr unterkühlt wird, wodurch der Wirkungsgrad des Rankine-Kreislaufs 3 erhöht wird. Bei Wechseln zwischen Hoch- und Niederlastpunkten kann es jedoch auch zu stärkeren Druckschwankungen am Kondensator 12 kommen und dadurch das Arbeitsmedium in den Kavitationsbereich gelangen. Durch die Prädiktion der Kühlmediumtemperaturen und der Druckschwankungen aus der jeweils angeforderten Antriebsleistung und/oder aus der Fahrstrategie wird die Kühlung des Kondensators 12 derart eingestellt, dass das Arbeitsmedium durch Verringerung der Schwankungen des Arbeitsmediumzustands näher an der effektiveren Kavitationsgrenze gehalten wird.
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Die Verdampferregelung 23 und/oder die Kondensatorregelung 24 der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Abwärmenutzungsvorrichtung 1 gemäß 3 umfasst daher, wie oben bereits beschrieben, die Sollwertvorgabe 26 in Form der Solldampfqualität, die Vorsteuerung 27 mit dem inversen Verdampfermodell, die Berücksichtigung der Störgrößen 28 bezüglich des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur, die Rückführung 29, die Berücksichtigung der Störeinflüsse 30 auf die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 und die Istwerterückführung 31 der Ist-Dampfqualität. Es werden, wie beschrieben, beispielsweise Sollwerte der Motorsteuerung, zum Beispiel ein Soll-Moment, Sollwerte der Getriebesteuerung, beispielsweise ein Soll-Gang und/oder Neutralgang, Sollwerte der Bremsfunktion, beispielsweise Retarder, die oben beschriebene Motorbremse und/oder Bremsklappen, genutzt, um die Verdampferregelung 23 frühzeitig auf neue Betriebspunkte zu konditionieren, noch bevor diese neuen Betriebspunkte in den Ist-Werten messbar sind. Durch die Verwendung dieser Sollwerte wird bereits eine, wenn auch nur kurze, Prädiktion erreicht.
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Alternativ oder zusätzlich werden prädizierte Leistungs-, Momenten- und Gangübersetzungen und für die Kondensatorregelung 24 die daraus resultierenden Kühlmediumtemperaturen aus einem kartenbasierten und positionsbestimmungsbasierten Teil des Prädiktionsmoduls 32 ermittelt und genutzt, um die Verdampferregelung 23 und/oder die Kondensatorregelung 24 frühzeitig auf neue Betriebspunkte zu konditionieren, noch bevor diese neuen Betriebspunkte in den Ist-Werten messbar sind. Dadurch wird eine Prädiktion mit längerem Vorausschauhorizont durch Verwendung der karten- und positionsbasierten vorausschauenden Betriebsstrategie erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abwärmenutzungsvorrichtung
- 2
- Verbrennungskraftmaschine
- 3
- Rankine-Kreislauf
- 4
- Arbeitsmediumfördereinrichtung
- 5
- Abgasrückführungsverdampfer
- 6
- Abgasnachbehandlungsverdampfer
- 7
- Abgasstrang
- 8
- Abgasrückführungsleitung
- 9
- Abgasnachbehandlungsleitung
- 10
- Teilkreislaufventil
- 11
- Expander
- 12
- Kondensator
- 13
- Kühlkreislauf
- 14
- Kühlmediumfördereinrichtung
- 15
- Expanderbypassleitung
- 16
- Expanderbypassventil
- 17
- Abgasturbolader
- 18
- Abgasleitung
- 19
- Abgasrückführungsventil
- 20
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 21
- Abgasnachbehandlungsventil
- 22
- Regelungseinrichtung
- 23
- Verdampferregelung
- 24
- Kondensatorregelung
- 25
- Komponentenschutzregelung
- 26
- Sollwertvorgabe
- 27
- Vorsteuerung
- 28
- Störgrößen
- 29
- Rückführung
- 30
- Störeinflüsse
- 31
- Istwerterückführung
- 32
- Prädiktionsmodul
- 33
- Ausgangsgrößen
- P
- Parameter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013001569 A1 [0002]
- DE 102008019160 A1 [0003]
- DE 102008057202 A1 [0004]
- DE 102010055915 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294 [0006]
- Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294 [0032]
- Johan Peralez, Paolino Tona, Antonio Sciarretta, Pascal Dufour, Madiha Nadri: Towards model-based control of a steam Rankine process for engine waste heat recovery; 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Oct 2012, South Korea. pp. 289–294 [0035]
