СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ
METHOD OF REGULATING HEAT RECOVERY SYSTEM IN VEHICLE

Изобретение относится к способу регулирования системы утилизации тепла (WRG-системы) в транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания, в частности в автомобиле промышленного назначения.
Общеизвестная система утилизации тепла имеет контур утилизации тепла (WRG-контур) в качестве рабочего контура, который содержит накопительный резервуар с рабочей средой, который через питающий насос соединен с по меньшей мере одним регулирующим клапаном, с которым ассоциирован соответствующий теплообменник в качестве испарителя. Рабочий контур содержит также подключенную к по меньшей мере одному теплообменнику расширительную машину (детандер), за которой следует конденсатор с соединением через откачивающий насос конденсатора к накопительному резервуару. Теплообменник при работе транспортного средства обтекается как массовым потоком рабочей среды, так и массовым потоком теплоносителя источника тепла транспортного средства в противотоке. После процесса нагрева (жидкое состояние рабочей среды) и последующего процесса испарения (рабочая среда частично жидкая и частично в форме пара) осуществляется процесс перегрева (рабочая среда в форме пара выше температуры насыщенного пара), причем после переключения на режим расширения пар рабочей среды подается в расширительную машину для приведения ее в действие.
В известных системах утилизации тепла могут использоваться различные источники тепла в двигателе внутреннего сгорания, чтобы преобразовывать в пар рабочую среду. В качестве источников тепла или теплоносителей могут применяться, в частности, охладитель двигателя, надувочный воздух или предпочтительно отработавший газ. Энергия, содержащаяся в паре рабочей среды, преобразуется в расширительной машине в механическую энергию и вновь подается в двигатель внутреннего сгорания, так что общий КПД может быть повышен.
Задачей изобретения является предложить способ регулирования такой системы утилизации тепла, с помощью которого может выполняться оптимальная по КПД и надежная работа такой системы.
Эта задача решается тем, что при массовом потоке (расходе) теплоносителя, заданном режимом работы транспортного средства, и заданной температуре теплоносителя выполняют регулирование до предварительно определенного номинального значения температуры и/или фазового состояния для рабочей среды посредством варьирования массового потока рабочей среды через по меньшей мере один теплообменник/испаритель посредством регулировки пропускания регулирующего клапана.
Для того чтобы использовать энергию нагрева, предоставляемую в распоряжение источниками тепла в двигателе внутреннего сгорания в массовом потоке теплоносителя, здесь посредством регулирования массового потока рабочей среды регулируется температура и, в частности, в процессе испарения фазовое состояние рабочей среды.
Для определенного нагружения по меньшей мере одного теплообменника/испарителя определенным массовым потоком рабочей среды предпочтительно применяется регулирующий клапан в качестве пропорционального регулирующего клапана, который управляется посредством сигнала с широтно-импульсной модуляцией (PWM-сигнала). Точное соотнесение фактического значения массового потока рабочей среды с положением регулирующего клапана или с PWM-сигналом из-за варьирующегося перепада давления на регулирующем клапане непосредственно невозможно. Поэтому предложено фактическое значение массового потока рабочей среды через по меньшей мере один регулирующий клапан вычислять с помощью характеристики (параметрической поверхности) клапана с учетом текущего положения клапана или PWM-сигнала, текущего (измеренного) перепада давления на регулирующем клапане и текущей температуры рабочей среды на регулирующем клапане.
Контур утилизации тепла имеет следующую функцию: питающий насос отбирает из накопительного резервуара рабочую среду, которая через пропорциональный регулирующий клапан направляется к теплообменнику и в нем испаряется. При применении двух теплообменников рабочая среда от питающего насоса распределяется на два согласованных пропорциональных регулирующих клапана. Теплообменник получает свое тепло из проводимого массового потока теплоносителя, в частности, из отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, причем предпочтительно возвращенный отработавший газ и отработавший газ, который после дополнительной обработки подается во внешнюю среду, подаются к соответствующему теплообменнику/испарителю с согласованным регулирующим клапаном и согласованным средством регулирования.
После по меньшей мере одного теплообменника с помощью переключающего клапана может производиться переключение на прямой путь потока к расширительной машине или на путь потока через дроссельный клапан. Если перед расширительной машиной в процессе нагрева еще не имеется пара, а в последующем процессе испарения имеется только пар вместе с жидкостью, то рабочая среда направляется через путь потока с дроссельным клапаном. Только при достижении определенной температуры перегрева выше температуры насыщенного пара рабочая среда путем переключения в режим расширителя направляется непосредственно к расширительной машине. В конденсаторе затем остальной пар рабочей среды вновь переводится в жидкое состояние и затем посредством конденсатора/откачивающего насоса и фильтра транспортируется снова в накопительный резервуар.
В особенности в режиме расширителя принципиально было бы возможно чисто температурное регулирование до оптимального номинального значения температуры пара рабочей среды. Но так как при изменяющихся условиях, например, при изменении числа оборотов расширительной машины массовый поток пара рабочей среды через расширитель и, тем самым, также соотношения температуры и давления варьируются, предпочтительным является температурное регулирование рабочей среды с помощью вспомогательного регулятора массового потока рабочей среды, так как тем самым можно быстрее реагировать на изменения, чем с одним только относительно инерционным температурным регулированием.
Дополнительное улучшение качества регулирования относительно поведения срабатывания и переходного процесса достигается тем, что номинальное значение массового потока рабочей среды дополнительно корректируется посредством предварительного управления, которое реагирует на изменения на стороне теплоносителя, причем в качестве корректирующих параметров при таком предварительном управлении для коррекции оцениваются, в частности, массовый поток теплоносителя и/или входная температура теплоносителя у теплообменника и/или давление рабочей среды перед расширительной машиной. При нескольких теплообменниках/испарителях упомянутое температурное регулирование с помощью вспомогательного регулятора массового потока рабочей среды и при необходимости предварительное управление следует выполнять соответственно для каждого теплообменника отдельно.
Дальнейшее повышение эффективности достигается тем, что в качестве регулятора массового потока рабочей среды применяется пропорционально-интегральный регулятор (PI-регулятор) или пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (PID-регулятор), при этом имеющийся интегратор, в зависимости от условий, нагружается дополнительным значением манипулирования, за счет чего возможна максимизация массового потока рабочей среды.
Это поясняется далее на примере, когда в качестве теплоносителя применяется отработавший газ: так как тогда температура отработавшего газа в теплообменнике отработавшего газа в каждом возможном рабочем состоянии меньше, чем максимальная температура конструктивного элемента, практически всегда настраивается по возможности высокая температура пара. Так как в этом случае необходимый массовый поток, чтобы иметь возможность представлять соответствующую температуру пара, ввиду режима насыщения является неоднозначным, перед интегратором вводится значение манипуляции, так что максимальный массовый поток действительно настраивается с требуемой температурой. Это значение манипуляции зависит от температуры отработавшего газа на входе испарителя, текущей температуры пара после испарителя и от актуального массового потока парообразной среды. Если достигнута требуемая температура пара, близкая к входной температуре газа, но массовый поток через теплообменник/испаритель еще относительно мал, то испаритель эксплуатируется при насыщении, и возможен более высокий массовый расход при одинаковой температуре пара. Поэтому аддитивное положительное значение на входе интегратора должно повышать массовый поток, причем это значение манипуляции при возрастающем массовом потоке должно вновь снижаться. Если температура пара падает ниже заданной температуры, то значение манипуляции устанавливается в нуль, причем только вышестоящий регулятор температуры регулирует требуемую температуру пара, и максимальный массовый поток при этой температуре достигается при максимально возможном достижимом количестве пара. Если номинальное значение массового потока и, тем самым, актуальный массовый поток падает, то значение манипуляции вновь становится активным, и массовый поток вновь возрастает. Но следует обращать внимание на то, что значение манипуляции выбирается достаточно малым, чтобы регулятор температуры мог выполнять регулирование на номинальное значение.
Дополнительное быстрое вмешательство в регулирование может, при необходимости, достигаться тем, что измеряются температуры стенки в испарителе теплообменника, чтобы, при необходимости, быстро получить границу жидкости/пара, так чтобы можно было быстро противодействовать падению выходной температуры рабочей среды ниже температуры насыщенного пара. Такое вмешательство может быть предпочтительным, если, например, выходная температура испарителя падает с очень высоким градиентом, за счет чего без такого вмешательства относительное инерционное температурное регулирование более не в состоянии удерживать температуру выше температуры насыщенного пара. Для определения границы жидкости/пара может измеряться температура стенки вблизи входа среды, в середине между входом среды и выходом среды, а также вблизи выхода среды, чтобы можно было своевременно реагировать на снижение выходной температуры. Это предполагает, что с помощью температуры стенки можно с по возможности малой задержкой сделать вывод относительно внутренних температурных условий.
Вышеприведенные выполнения относятся, по существу, к отрегулированному режиму работы расширителя с номинальной температурой пара, отрегулированной выше температуры насыщенного пара. Чтобы это целевое состояние в процессе трогания достигалось по возможности быстро и эффективно, предложены следующие этапы способа:
а) Процесс нагрева (рабочая среда жидкая)
Процесс нагрева осуществляется на основе температуры и при регулировании температуры, при этом заданная температура рабочей среды повышается ступенчато или непрерывно, в зависимости от входной температуры теплоносителя в теплообменнике и массового потока теплоносителя, до температуры насыщенного пара.
b) Процесс испарения
В процессе испарения рабочая среда (после теплообменника) является частично газообразной и частично жидкой при, соответственно, одинаковой температуре насыщенного пара, так что здесь не может вводиться никакое основанное на температуре регулирование. Температура насыщенного пара, в принципе, является функцией давления и может легко определяться. Поэтому процесс испарения выполняется только за счет регулирования массового потока рабочей среды. Состояние испарения достигается за счет вышеприведенного, регулируемого по температуре процесса нагрева, причем массовый поток рабочей среды температурного регулирования к моменту переключения на регулирование только по массовому потоку принимается в качестве номинального значения. Путем подгонки к постоянно изменяющимся рабочим параметрам, например, входным температурам отработавшего газа и массовым потокам отработавшего газа, с помощью соответствующих характеристик (параметрическим поверхностям) должно гарантироваться, что контур рабочей среды не возвращается снова к однофазному, жидкому состоянию. Затем с помощью управляемого по времени, ступенчатого снижения массового потока рабочей среды вводится фаза перегрева, и реализуется процесс перегрева. Если же температура снова падает ниже температуры насыщенного пара, то снова выполняется переключение на температурное регулирование процесса нагрева, причем регулятор температуры инициализируется так, что устанавливается имеющийся в момент времени переключения массовый поток.
с) Процесс перегрева
Температура пара рабочей среды путем регулирования температуры повышается выше температуры насыщенного пара до температуры пара рабочей среды, заданной для режима расширения.
d) Режим расширения
Осуществляется переключение на режим расширителя в сочетании с регулированием, как оно пояснено выше в связи с режимом расширителя.
В особенно предпочтительном способе теплоноситель представляет собой как отработавший газ (AG), подаваемый после дополнительной обработки отработавшего газа в окружающую среду из двигателя внутреннего сгорания, так и возвращенный отработавший газ (AGR), причем с обоими типами отработавшего газа согласован собственный теплообменник с предвключенным регулирующим клапаном и соответственно воздействующим на него средством регулирования. Если альтернативно или дополнительно в контуре утилизации тепла применяются другие теплоносители, как, например, охладитель двигателя и/или наддувочный воздух, то вышеописанные способы регулирования следует применять соответственно и согласованно с конкретным теплоносителем.
air
Если по причинам стоимости массовый поток для возвращенного отработавшего газа не может быть определен посредством соответствующего измерения массового потока, то существует следующая экономичная возможность расчета с применением электронного контроллера двигателя: электронный контроллер двигателя вычисляет массовый поток всасываемого воздуха на основе комбинации коэффициента наполнения с полностью закрытым или с полностью открытым клапаном рециркуляции отработавшего газа (AGR-клапаном). Из значений электронного контроллера двигателя для теоретического массового потока воздуха и вычисленного массового потока воздуха (dm) можно представить массовый поток AGR следующим образом:
AG
air,th
NP
air
dm=dm sF-dm
air,th
dm - теоретический массовый поток воздуха,
NP
sF- коэффициент наполнения с полностью закрытым AGR-клапаном,
AG
dm - массовый поток AGR.
На основе чертежей способ регулирования с отработавшим газом в качестве теплоносителя поясняется дополнительно. На чертежах показано следующее:
фиг.1 - схематичное представление контура утилизации тепла,
фиг.2 - температурное регулирование со средством предварительного управления и вспомогательным регулятором массового потока,
фиг.3 - настройка регулятора массового потока для максимизации массового потока.
На фиг.1 представлен контур 1 утилизации тепла в виде блок-схемы, причем в качестве рабочей среды применяется вода/пар, а в качестве теплоносителя - возвращенный отработавший газ AGR и отработавший газ AG, подаваемый после дополнительной обработки отработавшего газа в окружающую среду. Слева от штрихпунктирной линии (стрелка 2) представлена жидкостная область контура, а справа от штрихпунктирной линии (стрелка 3) представлена парообразная область контура.
Из накопительного резервуара VR с помощью питающего насоса SP рабочая среда через распределитель VE с двумя трубопроводами через согласованные пропорциональные регулирующие клапаны V1 и V2 направляется на AGR-теплообменник (AGR-WT) и параллельный AG-теплообменник (AG-WT). Через AGR-теплообменник в противотоке направляется отработавший газ AG, а через AG-теплообменник - соответственно отработавший газ AG. На входе измеряются как входная температура Т1 отработавшего газа AGR, так и входная температура Т3 отработавшего газа AG газа. AGR-WT и AG-WT в установившемся режиме (движения) эксплуатируются как испарители, причем определяются выходные температуры пара Т2 и Т4, а также после сведения определяется температура Т5. Кроме того, определяется давление Р0 после питающего насоса, а также давления Р1 и Р2, соответственно, после пропорционально регулирующих клапанов V1 и V2, а также давление Р6 перед переключающим клапаном V3. При малой потере Δр давления на испарителе (AGR-WT, AG-WT) также достаточно измерение давления Р1 и/или Р2. Пар рабочей среды в установившемся состоянии с помощью клапана V3 в режиме расширителя подается на расширительную машину Е и оттуда достигает конденсатора К, в котором пар охлаждается в жидкость и посредством откачивающего насоса КР конденсатора и фильтра F вновь подается в накопительный резервуар VR. Если для работы расширительной машины Е, особенно в состоянии трогания, имеется еще недостаточно пара, то осуществляется направление через дроссельный клапан V4.
Контур 1 утилизации тепла регулируется и/или управляется посредством варьирования прохождения рабочей среды через пропорционально регулирующие клапаны V1, V2.
soll
ist
На фиг.2 к тому же представлен температурный регулятор 4 массового потока (dm-регулятор) 5 для рабочей среды в качестве парообразной среды. Регулирование здесь представлено для AGR-WT, причем такое же регулирование требуется и для AG-ветви. На входе температурного регулятора осуществляется сравнение между номинальным значением температуры пара в AGR-ветви и соответствующим фактическим значением температуры пара, причем выдается ошибка регулирования соответственно существующему состоянию регулирования как управляющий сигнал. Этот управляющий сигнал применяется во вспомогательном регуляторе 5 массового потока в качестве номинального значения массового потока для парообразной среды (dm) для сравнения с соответствующим фактическим значением массового потока (dm), причем соответственно настроенному режиму регулирования (PI-регулятор) dm-регулятора 5 управляющий сигнал выдается на пропорциональный регулирующий клапан V1 отработавшего газа AGR.
AGR
dampf,
AGR
Для улучшения качества регулирования здесь с помощью средства 6 предварительного управления на номинальное значение массового потока оказывается воздействие, и оно корректируется, причем средство 6 предварительного управления, в частности, реагирует на измерение на стороне (AGR) теплоносителя. При этом здесь в качестве корректирующего параметра на средство предварительного управления, наряду с номинальным значением температуры пара, подается входная температура AGR, T, соответствующая Т1 на фиг.1. Другими корректирующими параметрами являются давление перед расширительной машиной, Dсоответствующее Р6 на фиг.1, или дополнительно измеряемое непосредственно перед расширительной машиной Е, а также массовый поток AGR, dm, который вычисляется, например, с помощью значений из электронного контроллера двигателя (EDC).
На фиг.3 более детально изображен регулятор 5 массового потока (dm-регулятор) по фиг.2 с дополнительными подробностями. В качестве регулятора 5 массового потока применяется пропорционально-интегральный регулятор. Для максимизации массового потока парообразной среды здесь вход интегратора (I-регулятора) нагружается значением манипуляции из блока 9 регулирования массового потока.
На фиг.3 рассматривается конкретно регулировка массового потока при регулировании для AG-ветви с AG-теплообменником (регулирование в параллельной AGR-ветви должно выполняться соответствующим образом).
AG
ist
На блок 9 регулирования массового потока подаются входная температура AG, T, а также номинальное значение и фактическое значение рабочей среды для выходной температуры AG-WT. Кроме того, при регулировании 9 массового потока учитывается фактическое значение массового потока для парообразной среды, dm.