CN107896502A - 用于控制内燃机的废热利用系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制车辆的内燃机(10)的废热利用系统(20)的方法，其中废热利用系统(20)具有至少一个膨胀机(22)，其能够将转矩传递到所述内燃机(10)并且能够借助于旁通流路(25)被旁路，还具有至少一个蒸发器(21)和至少一个工作介质泵(24)，并且至少蒸发器(21)布置在内燃机(10)的废气系统(11)的区域中。能够在几个工作模式下工作的膨胀机(22)具有在至少一个工作模式下到内燃机的辅助驱动轴(19)的驱动连接。废热利用系统(20)的工作模式通过控制装置(30)根据至少一个输入变量来选择，并且废热利用系统(20)在所述工作模式下工作。输入变量通过控制装置(30)从膨胀机转速(n)、档位信息(GI)、滑行信息(CI)以及膨胀机(22)上游或下游的工作介质的压力(p1、p2))和温度(T1、T2)中选择。第一工作模式(1)与膨胀机(22)的预热阶段相关联，并且第二工作模式(2)与膨胀机(22)的正常工作阶段相关联。在第一工作模式下，旁通流路(25)打开并且膨胀机(22)没有连接到内燃机(10)的辅助驱动轴(19)。在第二工作模式下，旁通流路(25)关闭并且膨胀机(22)连接到内燃机(10)。如果膨胀机(22)下游的工作介质的压力(p2)和/或温度(T2)超过限定值，则第二工作模式(2)被选中。

Description

用于控制内燃机的废热利用系统的方法
本发明涉及一种用于控制车辆的内燃机的废热利用系统的方法，其中废热利用系统包括：至少一个膨胀机，其能够将转矩传递给内燃机并且能够经由旁通流路被旁路(绕过)；至少一个蒸发器；以及用于工作介质的至少一个泵、工作介质特别是乙醇，并且至少蒸发器设置在内燃机的废气系统的区域中，其中可以在几个工作模式下工作的膨胀机在至少一个工作模式下驱动地连接到内燃机的辅助驱动轴，并且根据至少一个输入量，在各种情况下，通过控制装置从废热利用系统的至少两个工作模式中选择出一个工作模式，并且废热利用系统在该工作模式下工作、优选通过地触发(操控)设置在膨胀机的旁通流路中的膨胀机的至少一个旁通阀而在该工作模式下工作。
本发明还涉及一种由内燃机经由传动系驱动的车辆的废热利用系统，包括用于控制废热利用系统的控制装置，其中废热利用系统包括：至少一个膨胀机，其能够将转矩传递给内燃机并且能够经由旁通流路被旁路；至少一个蒸发器；以及用于工作介质的至少一个泵、工作介质特别是乙醇，并且至少蒸发器设置在内燃机的废气系统的区域中，其中可以在几个工作模式下工作的膨胀机在至少一个工作模式下驱动地连接到内燃机的辅助驱动轴，并且根据至少一个输入量，在各种情况下，从膨胀机的至少两个工作模式中选择出一个工作模式，并且膨胀机可在该工作模式下工作、优选地通过触发(操控)设置在膨胀机的旁通流路中的至少一个旁通阀而在该工作模式下工作。
利用内燃机的废热是公知的。被称为WHR(废热回收)系统的这种装置将内燃机废气的废热转换成例如机械能或电能。这种WHR系统例如从公开文本US 8635871A1，US 2011/0209473A1或US 2013/0186087A1中得知。
WO2006/138459A2公开了一种机械地和热学上联接到内燃机的有机朗肯循环。这里，内燃机的驱动轴联接到废热利用系统的涡轮机，该废热利用系统从内燃机的进入空气、冷却剂、油和废气中提取废热。电机温度通过旁通阀控制。为了适应不同的负载状态、压力比、转速和涡轮机的温度，各种系统参数、特别是涡轮机的压力比可以通过控制单元借助于旁通阀来控制。超越离合器设置在内燃机和涡轮机之间，其使内燃机能够旋转而同时并不驱动涡轮机。没有从WO 2006/138459 A2中得知：在第一工作模式下打开涡轮机的旁路流路，在第一工作模式下涡轮机未连接到内燃机的辅助驱动轴，并且在第二工作模式下关闭旁通流路，在第二工作模式下膨胀机连接到内燃机。此外，没有从该公开中推导出：当膨胀机下游的工作介质的压力或温度超过限定值时，选择第二工作模式。
US2009/0071156A1公开了一种废热回收装置，其具有带压缩机和膨胀机的朗肯循环，其中膨胀机可以通过旁通管线被旁路(绕过)。温度传感器和压力传感器布置在涡轮机的上游，压力传感器布置在涡轮机的下游。根据与位于膨胀装置上游的朗肯循环的介质的过热状态相关的信息来调节膨胀装置的转速。没有提供膨胀装置与内燃机的驱动轴的机械连接。
本发明的目的是提供废热利用系统的安全且可靠的工作。
根据本发明，该目的由此实现：输入量通过控制装置从膨胀机速度、档位信息、滑行信息、膨胀机上游的工作介质的压力和温度和/或膨胀机下游的压力和温度中选择，其中第一工作模式分配给膨胀机的预热阶段，并且第二工作模式分配给膨胀机的正常工作阶段，其中在第一工作模式下，旁通流路打开并且膨胀机没有连接到内燃机的辅助驱动轴，而在第二工作模式下，旁通流路关闭并且膨胀机连接到内燃机，其中当膨胀机下游的工作介质的压力和/或温度超过限定值时，第二工作模式被选中。相反地，当膨胀机下游和/或上游的工作介质的压力和/或温度超过限定值时，可以从第二工作模式改变为第一工作模式。
在第一工作模式下，旁通阀打开，起动装置未激活。工作介质因此被引导经过膨胀机，结果膨胀机不产生任何转矩。在第二工作模式下，旁通阀关闭，起动装置也未激活。当旁路阀关闭时，工作介质流过膨胀机，结果这执行作功。
如果第三工作模式分配给至少一个换档阶段，则是特别有利的。在换档期间，废热利用系统取决于切换方向而在该第三工作模式下工作。旁通阀的位置取决于切换过程，特别是取决于切换过程的方向。
在至少一个降档过程期间，膨胀机的旁通流路保持关闭，并且辅助驱动轴由膨胀机驱动。在至少一个升档过程期间，膨胀机的旁通流路打开和/或膨胀机与辅助驱动轴分离。档位信息、特别是是否存在降档或升档过程的档位信息通过变速器的档位传感器提供给控制装置。
如果在车辆的至少一个滑行模式期间、在内燃机的至少一个预热模式和/ 或内燃机的至少一个发动机制动模式期间，废热利用系统在第四工作模式下工作，则是特别有利的。如果在膨胀机的第四工作模式下膨胀机没有与辅助驱动轴分离，则是特别有利的。优选地，膨胀机仅在膨胀机的转矩下降到限定值以下时才与辅助驱动轴分离。
滑行模式被理解为车辆的无转矩模式，在该模式下，内燃机和变速器之间的可脱开的离合器脱开，以减小传动系中的阻力。
车辆的滑行模式是否存在通过变速器或可脱开的离合器、借助于滑行信息通知给控制装置。
当辅助驱动轴的转速高于膨胀机的转速时，膨胀机借助于离心式离合器 (超越离合器)与辅助驱动轴分离。因此，然而，通过内燃机起动膨胀机是不可能的。
因此，特别是在膨胀机能够借助于离心式离合器与辅助驱动轴连接的设计中，提供了用于起动膨胀机的第五工作模式。为了起动膨胀机，废热利用系统在第五工作模式下工作，该第五工作模式规定了，通过激活连接到膨胀机的起动装置来起动膨胀机。
在第一工作模式下和/或当废热利用系统不工作时，膨胀机-在旁通阀打开时-经由旁通流路被旁路(绕过)和/或与辅助驱动轴分离(通过可脱开的离合器或离心式离合器)。
为了可靠地避免对废热利用系统的任何损坏，在本发明的框架内规定了，当废热利用系统的工作介质处于过热状态时，膨胀机的旁通流路关闭。在辅助驱动轴与膨胀机之间的可脱开的离合器的情况下，可以另外规定，当膨胀机下游的废热利用系统的工作介质处于过热状态时和/或当膨胀机速度超过限定值和/或内燃机的速度超过限定值时，膨胀机与辅助驱动轴驱动连接。
当在膨胀机上游的废热利用系统的工作介质处于非过热状态时或当内燃机停机时，膨胀机可以与辅助传动轴分离而没有会超过临界速度的危险。
本发明在下文中参考非限制性附图详细进行描述。在附图中示意性地：
图1示出了第一实施例中的根据本发明的具有控制装置的内燃机的废热利用系统；
图2示出了该控制装置的工作模式；
图3示出了第二实施例中的根据本发明的具有控制装置的内燃机的废热利用系统；以及
图4示出了该控制装置的工作模式。
在所示实施例中，具有相同功能的部件设有相同附图标记。
图1和图3分别示出了具有废气系统11的内燃机10，该废气系统11中布置有废气后处理装置12-例如柴油氧化催化剂12、柴油颗粒过滤器12b和 SCR催化剂12c(SCR-选择性催化还原)。内燃机10具有传动系13，传动系13具有曲轴14、可脱开的离合器15以及作用在驱动轮18的驱动轴17上的 (手动)变速器16。
内燃机10还具有废热利用系统20，其用于利用内燃机10的废气系统11 的废气价值。废热利用系统20具有蒸发器21，蒸发器21在废气系统11的区域中布置在废气后处理装置12的下游。例如根据有机朗肯循环(ORC)起作用的废热利用系统20在工作介质回路中的蒸发器21的下游包括膨胀机22和冷凝器23以及工作介质泵24。例如，乙醇可以作为工作介质。为了绕过膨胀机22，提供了具有旁通阀26的旁通管线25。如果废气热量对于蒸发器21来说太高，或者系统压力超过限定值，或者冷却系统过载，或者废热利用系统20 处于错误模式或纯发动机模式(在没有发动机制动的情况下)，则蒸发器2可以经由旁通管线36和旁通阀37在废气侧被旁路(绕过)。旁通阀37根据选自风扇功率、系统压力、系统温度和工作介质的质量流量的工作参数中的至少一个来触发。
控制装置30提供来用于控制废热利用系统20，其具有程序逻辑31，该程序逻辑31被配置成从多个工作模式1至4或者1至5中为废热利用系统20的工作选择出最合适的工作模式。根据控制装置30的输入变量中的至少一个来作出最合适的工作模式的选择，输入变量即：膨胀机转速n、档位信息GI、滑行信息CI、膨胀机22上游的工作介质的压力p1、温度T1以及膨胀机22下游的工作介质的压力p2和温度T2。压力传感器32、33和温度传感器34、35在废热利用系统20的工作介质回路中设置在膨胀机22的上游和下游，以记录参数压力p1、p2和温度T1、T2。压力传感器32、33和温度传感器34、35连接到控制装置30。档位信息GI和滑行信息CI例如由位于控制装置30的变速器16 中的合适的传感器提供。
在图1所示的第一实施例中，膨胀机22经由可脱开的离合器28连接到内燃机10的辅助驱动轴19。可脱开的离合器28经由控制装置30控制。其使膨胀机22能够通过闭合可脱开的离合器28、经由内燃机10来起动。
该第一实施例的工作模式在图2中示出。下列工作模式可以通过图1所示的实施例执行：
第一工作模式1：在膨胀机22的预热阶段期间执行；在工作模式1下，旁通阀26打开，使得工作介质被引导经过膨胀机22。
第二工作模式2：该工作模式2分配给膨胀机22的正常工作。一旦膨胀机22下游的工作介质的压力p2和/或温度T2超过限定值或多个限定值，就激活工作模式2。
第三工作模式3：该工作模式3用于变速器16的换档过程。
在降档过程期间，旁通阀26关闭。辅助驱动轴19由膨胀机22驱动，膨胀机22的转矩被利用，而内燃机10的曲轴14的转速与变速器16的转速被同步。在这种情况下，将可脱开的离合器5打开(脱开)。结果，可以减少用于加速内燃机10的燃料量。此外，在切换过程期间，可以保持一定的发动机转速。因此，废气后处理装置12下游的废气热量可用于在换档暂停期间桥接扭矩下降。
在升档过程期间，膨胀机22的旁通阀26打开，并且-在可脱开的离合器28的情况下-膨胀机22通过脱开可脱开的离合器28来与辅助驱动轴19 分离。这避免了转矩从膨胀机22传递到内燃机10。
第四工作模式4：该工作模式4在内燃机10的滑行模式、预热模式和/或发动机制动模式期间使用。在滑行模式下，在内燃机10与驱动轮18之间没有转矩传递的情况下，车辆通常在可脱开的离合器15脱开的情况下行驶。旁通阀26在工作模式4下关闭，以将转矩从膨胀机22传递到内燃机10。结果-特别是当可脱开的离合器15脱开时–在怠速期间的燃料消耗减少。当由膨胀机 22提供高转矩时，可脱开的离合器15可闭合直到膨胀机22的转矩下降到限定值以下。
图3所示的第二实施例与图1的不同之处在于，代替可脱开的离合器28，提供超越离合器29a和离心制动装置29b来将膨胀器22连接到内燃机10的辅助驱动轴19。
为了起动膨胀机22，除了前述的工作模式1至4之外，控制装置30还可以执行第五工作模式5，以通过内部或外部的起动装置27(参见图3、图4) 起动膨胀机22。
为了避免膨胀机22在过高转速下工作并由此损坏，控制装置30提供了特定的安全措施。因此，旁通阀26仅当工作介质处于过热状态时，即例如当工作介质乙醇以气相存在时才关闭。另一个安全措施是，当换档到更高档位时，旁通阀26打开。特别是在图3所示的具有超越离合器29a和离心制动装置29b 的实施例中，不需要另外步骤。
在具有可脱开的离合器28的图1所示的实施例中，旁通阀26和可脱开的离合器28仅当工作介质处于过热状态时、即例如当工作介质乙醇处于气相时才关闭。在换档到更高档位的情况下，不仅旁通阀26打开而且可脱开的离合器28也脱开。
因此，当工作介质处于过热状态时或者当膨胀机22的转速n和/或内燃机 10的转速在限定值以上时，可脱开的离合器28闭合。因此，当膨胀机22处于非过热状态时，可脱开的离合器28脱开(打开)。当内燃机10的工作状态从激活状态变为未激活状态时、即当内燃机10关掉时，可脱开的离合器28也脱开。

Claims (20)

1.一种用于控制车辆的内燃机(10)的废热利用系统(20)的方法，其中所述废热利用系统(20)包括：至少一个膨胀机(22)，所述膨胀机能够将转矩传递到所述内燃机(10)并且能够经由旁通流路(25)被旁路；至少一个蒸发器(21)；和用于工作介质的至少一个泵(24)，工作介质特别是乙醇，并且至少所述蒸发器(21)布置在所述内燃机(10)的废气系统(11)的区域中，其中能够在几个工作模式下工作的所述膨胀机(22)在至少一个工作模式下驱动连接到所述内燃机的辅助驱动轴(19)，并且根据至少一个输入量，通过控制装置(30)从所述废热利用系统(20)的至少两个工作模式(1、2、3、4、5)中选择出对应一种工作模式，并且所述废热利用系统(20)在该工作模式下工作、优选地通过触发设置在所述膨胀机(22)的所述旁通流路(25)中的所述膨胀机(22)的至少一个旁通阀(26)而在该工作模式下工作，其特征在于，所述输入量通过所述控制装置(30)选自膨胀机速度(n)、档位信息(GI)、滑行信息(CI)、所述膨胀机(22)上游的所述工作介质的压力(p1)和温度(T1)和/或所述膨胀机(22)下游的压力(p2)和温度(T2)，其中第一工作模式(1)分配给所述膨胀机(22)的预热阶段，第二工作模式(2)分配给所述膨胀机(22)的正常工作阶段，其中在所述第一工作模式(1)下，所述旁通流路(26)打开，并且所述膨胀机(22)没有连接到所述内燃机(10)的辅助驱动轴(19)，并且在所述第二工作模式下，所述旁通流路(25)关闭并且所述膨胀机(22)连接到所述内燃机(10)，其中当所述膨胀机(22)下游的所述工作介质的所述压力(p2)和/或所述温度(T2)超过限定值时，所述第二工作模式(2)被选中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当所述膨胀机(22)上游的所述工作介质的所述压力(p1)和/或所述温度(T1)超过限定值时，从所述第二工作模式改变为所述第一工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述废热利用系统(20)在至少一个换档期间在第三工作模式(3)下工作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在至少一次降档过程期间，所述膨胀机(22)的旁通流路(25)关闭，并且所述辅助驱动轴(19)由所述膨胀机(22)驱动。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：在至少一个升档过程期间，所述膨胀机(22)的旁通流路(25)打开且/或所述膨胀机(22)与所述辅助驱动轴(19)分离。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于：在所述车辆的至少一个滑行模式期间，在所述内燃机(10)的至少一个预热模式期间和/或在所述内燃机(10)的至少一个发动机制动模式期间，所述废热利用系统(20)在第四工作模式(4)下工作，其中优选地，在所述第四工作模式(4)下，所述旁路流路(25)关闭。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述第四工作模式下，所述膨胀机(22)与所述辅助驱动轴(19)分离，其中，优选地，仅当所述膨胀机(22)的转矩下降到限定值以下时，所述膨胀机(22)才与所述辅助驱动轴(19)分离。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于：在所述膨胀机(22)的至少一个起动阶段期间，所述废热利用系统(20)在第五工作模式(5)下工作，其中所述膨胀机(22)通过激活连接到所述膨胀机(22)的起动装置(27)来起动。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其特征在于：在所述第一工作模式(1)下和/或当所述废热利用系统(20)不工作时，所述膨胀机(22)与所述辅助驱动轴(19)分离。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于：当所述废热利用系统(20)的所述工作介质处于过热状态时，所述膨胀器(22)的所述旁通流路(25)关闭。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其特征在于：当所述膨胀机(22)下游的所述废热利用系统(20)的所述工作介质处于过热状态时和/或当所述膨胀机速度(n)超过限定值和/或所述内燃机(10)的速度超过限定值时，所述膨胀机(22)驱动连接到所述辅助驱动轴(19)。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其特征在于：当所述膨胀机(22)上游的所述废热利用系统(20)的所述工作介质处于非过热状态时或当所述内燃机(10)停机时，所述膨胀机(22)与所述辅助驱动轴(19)分离。
13.一种由内燃机(10)经由传动系(13)驱动的车辆的废热利用系统(20)，包括用于控制所述废热利用系统(20)的控制装置(30)，其中所述废热利用系统(20)包括：至少一个膨胀机(22)，所述膨胀机能够将转矩传递到所述内燃机(10)并且能够经由旁通流路(25)被旁路；至少一个蒸发器(21)；和用于工作介质的至少一个泵(24)，所述工作介质特别是乙醇，并且至少所述蒸发器(21)布置在所述内燃机(10)的废气系统(11)的区域中，其中能够在几个工作模式下工作的所述膨胀机(22)在至少一个工作模式下驱动连接到所述内燃机(10)的辅助驱动轴(19)，并且根据至少一个输入量，能够通过所述控制装置(30)从所述膨胀机(22)的至少两个工作模式(1、2、3、4、5)中选择出对应一种工作模式，并且所述膨胀机(22)能够在该工作模式下工作、优选地通过触发设置在所述膨胀机(22)的所述旁通流路(25)中的所述膨胀机(22)的至少一个旁通阀(26)而在该工作模式下工作，其特征在于，所述输入量通过所述控制装置(30)选自膨胀机速度(n)、档位信息(GI)、滑行信息(CI)、所述膨胀机(22)上游的所述工作介质的压力(p1)和温度(T1)和/或所述膨胀机(22)下游的压力(p2)和温度(T2)，其中第一工作模式(1)分配给所述废热利用系统(20)的预热阶段并且第二工作模式(2)分配给所述膨胀机(22)的正常工作阶段，并且在至少一个工作模式下，所述膨胀机(22)能够与所述辅助驱动轴(19)分离，其中在所述第一工作模式(1)下，所述旁通流路(25)打开，并且所述膨胀机(22)与所述辅助驱动轴(19)分离，而在所述第二工作模式(2)下，所述旁通流路(25)关闭并且所述膨胀机(22)连接到所述内燃机(10)，并且在至少一个工作模式下，所述膨胀机(22)能够与所述辅助驱动轴(19)分离，并且当所述膨胀机(22)下游的所述工作介质的所述压力(p2)和/或所述温度(T2)超过限定值时，所述第二工作模式(2)能够被选中。
14.根据权利要求13所述的废热利用系统(20)，其特征在于：第三工作模式(3)分配给至少一个换挡阶段。
15.根据权利要求13或14所述的废热利用系统(20)，其特征在于：第四工作模式(4)分配给机动车辆的至少一个滑行模式、所述内燃机(10)的至少一个预热模式和/或所述内燃机(10)的至少一个发动机制动模式，其中优选地，在所述第四工作模式(4)下，所述旁通流路(25)能够关闭。
16.根据权利要求13至15中的任一项所述的废热利用系统(20)，其特征在于：在所述第四工作模式(4)下，所述膨胀机(22)能够与所述辅助驱动轴(19)分离。
17.根据权利要求13至16中的任一项所述的废热利用系统(20)，其特征在于：在所述第一工作模式下和/或当所述废热利用系统(20)不工作时，所述膨胀机(22)能够与所述辅助驱动轴(19)分离。
18.根据权利要求13至17中的任一项所述的废热利用系统(20)，其特征在于：所述膨胀机(22)至少连接到起动装置(27)，其中，在分配给所述膨胀机(22)的至少一个起动阶段的第五工作模式下，所述膨胀机(22)能够通过激活所述外部起动装置(27)来起动。(图3、图4)
19.根据权利要求13至18中的任一项所述的废热利用系统(20)，其特征在于：所述膨胀机(22)能够借助于至少一个可脱开的离合器(28)连接到所述辅助驱动轴(19)或与其分离。
20.根据权利要求13至19中的任一项所述的废热利用系统(20)，其特征在于：所述膨胀机(22)能够借助于至少一个超越离合器(29a)连接到所述辅助驱动轴(19)，其中，至少一个离心力制动装置(29b)较佳地设置在所述超越离合器(29a)和所述膨胀机(22)之间。
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