DE102010049859B4

DE102010049859B4 - Vorrichtung zur abgaswärmerückgewinnung für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102010049859B4
Application number: DE102010049859.9A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Prior; Daniel B. Glassford
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: DE102010049859A1; CN102052128A; US20110099989A1; US8341951B2; CN102052128B

Abstract

Vorrichtung (25, 114, 214) für ein Fahrzeug (10) mit einem Motor (12), umfassend:ein Abgassystem (19), durch das Abgas von dem Motor (12) ausgetragen wird;einen Wärmetauscher (28), der zumindest teilweise in dem Abgassystem (19) positioniert ist;Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in thermischer Kommunikation mit dem Motor (12) und mit dem Wärmetauscher (28);ein Bypassventil (30, 230), das zum Lenken des Abgases über den Wärmetauscher (28) entlang eines ersten Strömungspfades zur Übertragung von Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus betreibbar ist; zum Lenken zumindest eines Anteils des Abgases über den Wärmetauscher (28) entlang eines zweiten Strömungspfades zur Übertragung von Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus betreibbar ist; wobei der zweite Strömungspfad relativ zu dem ersten Strömungspfad beschränkt ist; und zum Lenken des Abgases zur Umgehung des Wärmetauschers (28) in einem Bypassmodus betreibbar ist, während dem keine signifikante Kühlmittelerwärmung über den Wärmetauscher (28) stattfindet;zumindest einen Sensor (33A, 33B, 33C, 33D), der zum Erfassen von Fahrzeugbetriebsbedingungen betreibbar ist; undeinen Controller (40), der mit dem zumindest einen Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) und dem Bypassventil (30, 230) funktionell verbunden und betreibbar ist, um das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen ersten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst, das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen zweiten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst, und das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den dritten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen dritten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst; gekennzeichnet durch:eine Barriere (50), die derart angeordnet ist, dass sie Abgas zwischen dem Bypassventil (30) und dem Wärmetauscher (28) führt, so dass Abgas nur über einen Anteil des Wärmetauschers (28) in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus strömt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Abgaswärmerückgewinnung für ein Fahrzeug, wie sie beispielsweise aus der US 7 198 037 B2 bekannt geworden ist. Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die DE 699 12 335 T2 verwiesen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine schnelle Erwärmung von Motorkühlmittel, Motoröl und Getriebefluid ist wichtig für eine Kraftstoffwirtschaftlichkeit während eines Kaltstarts (d.h. wenn das Fahrzeug nicht betrieben worden ist und der Motor und das Getriebe relativ kalt sind). Eine Motorerwärmung stellt für Diesel- und Hybridanwendungen eine besondere Herausforderung dar, da weniger Kraftstoff verbrannt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei bekannten Abgaswärmerückgewinnungssystemen wird eine Kühlmittelerwärmung gestoppt, wenn die Kühlmitteltemperatur eine vorbestimmte Temperatur (d.h. eine Modusschalttemperatur) erreicht, die typischerweise geringfügig unterhalb der Temperatur liegt, bei der ein Motorthermostat öffnet, um den Motor über den Kühler zu kühlen. Die Kühlmittelerwärmung wird typischerweise durch Bewegen eines Bypassventils in einen Bypass- bzw. Umgehungsmodus gestoppt, bei dem die Abgasströmung den Wärmetauscher umgeht und im Wesentlichen keine Kühlmittelerwärmung stattfindet. Hier ist eine Vorrichtung vorgesehen, die ermöglicht, dass eine Abgaswärmerückgewinnung fortgesetzt wird, nachdem diese typische Modusschalttemperatur erreicht ist, und zwar ohne Gefahr eines Siedens des Kühlmittels. Somit wird eine zusätzliche Abgaswärmerückgewinnung erreicht, wenn eine Motorkühlmittelerwärmung für einen verbesserten Fahrzeugwirkungsgrad und eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit erwünscht ist, wie im Winter und während einer Fahrt mit leichter Last.
Genauer ist eine Vorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Motor vorgesehen, der ein Abgassystem aufweist, durch das Abgas von dem Motor ausgetragen wird, wobei sich die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet. Ein Wärmetauscher ist zumindest teilweise in dem Abgassystem positioniert. Kühlmittelströmungsdurchgänge sind in thermischer Verbindung mit dem Motor und mit dem Wärmetauscher vorgesehen. Ein Bypassventil ist in einem ersten Modus betreibbar, um das Abgas über den Wärmetauscher entlang eines ersten Strömungspfades zu lenken, um Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus zu übertragen. Das Ventil ist ferner in einem zweiten Modus betreibbar, um zumindest einen Anteil des Abgases über den Wärmetauscher entlang eines zweiten Strömungspfades zu lenken, um Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus zu übertragen. Der zweite Strömungspfad ist relativ zu dem ersten Strömungspfad entweder durch Beschränken einer Strömung auf nur einen Abschnitt des Wärmetauschers oder Beschränken einer Strömung über den Wärmetauscher auf nur einen Anteil der Abgasströmung von dem Motor begrenzt. Somit ist ein Kühlmitteltemperaturanstieg über den Wärmetauscher relativ zu dem ersten Strömungspfad des ersten Kühlmittelerwärmungsmodus reduziert.
Das Ventil ist auch in einem dritten Modus betreibbar, indem das Abgas den Wärmetauscher in einem Bypassmodus umgeht, während dem keine signifikante Kühlmittelerwärmung über den Wärmetauscher stattfindet. Bevorzugt sind verschiedene Sensoren in dem Abgassystem und in dem Motor positioniert und funktionell mit dem Controller verbunden. Der Controller schätzt einen Kühlmitteltemperaturanstieg über den Wärmetauscher auf Grundlage der erfassten Fahrzeugbetriebsbedingungen und gemäß einem gespeicherten Algorithmus und steuert eine Bewegung des Bypassventils dementsprechend.
Ein Verfahren zum Regulieren einer Abgaswärmerückgewinnung an einem Fahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung umfasst, dass Fahrzeugbetriebsbedingungen, einschließlich Motorkühlmitteltemperatur, Motorlast, Maschinendrehzahl und Luft/Kraftstoff-Verhältnis, überwacht werden. Anschließend werden die Abgastemperatur und der Abgasdurchfluss über den Wärmetauscher auf Grundlage der überwachten Fahrzeugbetriebsbedingungen vorhergesagt. Dann wird eine erhöhte Kühlmitteltemperatur aufgrund einer Abgasströmung bei der vorhergesagten Abgastemperatur und dem Durchfluss über den Wärmetauscher geschätzt. Das Bypassventil wird dann gesteuert, um eine Abgasströmung an dem Wärmetauscher vorbei auf Grundlage der geschätzten erhöhten Kühlmitteltemperatur zu variieren. Das Ventil wird gesteuert, um zumindest zwei verschiedene Kühlmittelerwärmungsmoden herzustellen, in denen das Abgas über den Wärmetauscher über verschiedene Strömungspfade strömt, und um einen Bypassmodus herzustellen, in dem im Wesentlichen kein Abgas über den Wärmetauscher strömt. Somit erreicht das Verfahren eine zusätzliche Wärmeentnahme durch Implementierung mehrerer Kühlmittelerwärmungsmoden, stellt jedoch sicher, dass den Wärmetauscher verlassendes Kühlmittel nicht siedet.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung mit mehreren Kühlmittelerwärmungsmoden;
2A ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 1 in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus;
2B ist eine schematische Seitenansicht des Ventils von 2A;
3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung der 1 bis 2B in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus;
4 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung der 1 bis 3 in einem Wärmetauscherbypassmodus;
5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung mit mehreren Kühlmittelerwärmungsmoden zur Verwendung mit dem Fahrzeug von 1 und in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus;
6 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 5 in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus;
7 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung der 5 und 6 in einem Bypassmodus;
8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung mit mehreren Kühlmittelerwärmungsmoden zur Verwendung mit dem Fahrzeug von 1 und in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus;
9 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 8 in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus;
10 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung der 8 und 9 in einem Bypassmodus; und
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Regulieren einer Abgaswärmerückgewinnung, das über eine der Vorrichtungen der 1 bis 10 ausgeführt werden kann.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in allen verschiedenen Ansichten bezeichnen, zeigt 1 ein Fahrzeug 10, das einen Motor 12 (bezeichnet mit E) zum Antrieb des Fahrzeugs 10, ein Getriebe 14 (bezeichnet mit T), das mit dem Motor 12 funktionell verbunden ist, wie auch eine Fahrgastraumheizung 16 (bezeichnet mit H) zum Erwärmen eines Fahrgastraumes besitzt, wie mit 18 in gestrichelten Linien gezeigt ist.
Der Motor 10 ist ein Verbrennungsmotor vom Benzin- oder Dieseltyp und erzeugt Abgas in einem Abgassystem 19, das einen Abgaskrümmer 20 und ein sich davon erstreckendes Abgasrohr 22 aufweist. Das Abgas, das relativ heiß ist, verlässt den Krümmer 20 über einen Einlass 24 des Abgasrohres 22. Eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 25 ist vorgesehen, um einen Teil der Abgaswärme zur Bereitstellung von Wärme an den Motor 12 selektiv abzufangen. Es kann auch ein katalytischer Wandler (nicht gezeigt) in dem Abgassystem 18 zwischen dem Krümmer 20 und der Vorrichtung 14 positioniert sein. Rückgewonnene Abgaswärme kann auch an das Getriebe 14 und die Heizung 16 geliefert werden, wenn geeignete Ventile und Kühlmittelströmungsleitungen vorgesehen sind, um das Kühlmittel durch das Getriebe 14 und die Heizung 16 unter geeigneten Bedingungen zu leiten. Die Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 25 umfasst einen Wärmetauscher der Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung (EHRDHE) 28, der in dem Abgassystem 19 positioniert ist, ein Ventil 30 sowie einen Abgasbypassaktuator 32, der steuerbar ist, um das Ventil 30 selektiv zu öffnen, um eine Strömung eines Teils des Abgases in dem Abgasrohr 22 durch den EHRDHE 28 zu einem Auslass 26 des Abgasrohres 22 zuzulassen. Kühlmittel strömt über den EHRDHE 28 über Kühlmittelströmungsdurchgänge, die einen Einlassströmungsdurchgang 34 und einen Auslassströmungsdurchgang 36 umfassen. Der Einlassströmungsdurchgang 34 trägt Kühlmittel von dem Motor 12 zu dem EHRDHE 28. Der Auslassströmungsdurchgang 36 trägt das Kühlmittel von dem EHRDHE 28 an den Motor 12. Die Strömungsdurchgänge können Leitungen oder flexible oder starre Verrohrung sein oder können gebohrte, gedrehte, gegossene oder anderweitig geformte Durchgänge in einer beliebigen Fahrzeugkomponente sein.
Die Vorrichtung 25 ist in mehreren Moden abhängig von der Position (d.h. dem Modus) des Ventils 30 betreibbar. Wie unter Bezugnahme auf 4 weiter beschrieben ist, umgeht, wenn das Ventil 30 nicht offen ist, das Abgas den EHRDHE 28, wobei es aus dem Abgasrohr 22 zum Austritt aus dem Fahrzeug 10 strömt, ohne Wärme zu dem EHRDHE 28 beizutragen. Es sind auch zwei Kühlmittelerwärmungsmoden vorgesehen, wie unter Bezugnahme auf die 2A und 3 beschrieben ist. Ein elektronischer Controller 40 ist funktionell mit dem Aktuator 32 verbunden und steuert den Aktuator 32 gemäß Fahrzeugbetriebsbedingungen, die als Eingangssignale von verschiedenen Sensoren, die an dem Fahrzeug 10 angeordnet sind, empfangen werden. Beispielsweise ist ein Motorkühlmitteltemperatursensor 33A positioniert, um eine in den Motor 12 strömende Kühlmitteltemperatur zu erfassen. Ein Motorlastsensor 33B ist positioniert, um eine Motorbelastung zu erfassen. Der Motorlastsensor 33B kann ein Sensor, der einen Krümmerabsolutdruck erfasst, oder ein Luftströmungssensor sein, der den Massenluftstrom in den Motor 12 misst, wie durch die Menge an Strom berechnet wird, die erforderlich ist, um einen Draht auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen. Diese erfassten Bedingungen werden mit einer Motorlast durch den Controller 40 korreliert. Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 33C wird dazu verwendet, das Verhältnis von Luft zu Kraftstoff zu messen, was die erwartete Abgastemperatur beeinflusst. Ein Motordrehzahlsensor 33D ist auch funktionell mit dem Controller 34 verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt des Motordrehzahlsensors 33D an der Kurbelwelle 42 angeordnet und kann ein Hall-Effekt- oder anderer Typ von Sensor sein.
Von dem Controller 40 empfangene Information gibt derartige Betriebsbedingungen, wie eine Temperatur von Kühlmittel, das durch den Motor 12 strömt (angegeben durch einen Motorkühlmitteltemperatursensor 33A), und eine Motorbelastung (angegeben durch einen Motorlastsensor 33D) an. Die Sensoren 33A, 33B, 33C, 33D können die Betriebsbedingungen direkt messen oder können Information bereitstellen, die in einem vorhersagenden Modell verwendet wird, das diese Betriebsbedingungen vorhersagt oder schätzt. Der Fachmann versteht leicht die verschiedenen Wege, derartige Information, die Fahrzeugbetriebsbedingungen angibt, an den Controller 40 zu liefern, und versteht leicht verschiedene Algorithmen, die an dem Controller 40 gespeichert werden können, um die Information zu verarbeiten.
Bezug nehmend auf 2A umfasst die Vorrichtung 25 eine Wand 44, die das Abgasrohr 22 teilweise unterteilt. Das Bypassventil 30 ist schwenkbar an der Wand 44 an einem Schwenkelement oder Gelenk 45 mit einer Schwenkachse durch das Gelenk 45 verbunden. Der Abgasbypassaktuator 32 von 1 (in 2A nicht gezeigt, jedoch über der Ebene von 2A) ist steuerbar, um das Ventil 30 selektiv zu bewegen, um den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus, wie in 2A gezeigt ist, den zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus, wie in 3 gezeigt ist, und den Bypassmodus herzustellen, wie in 4 gezeigt ist. Anschläge 46A, 46B erstrecken sich in dem Abgasrohr 22, um den Bewegungsbereich des Ventils 30 zu definieren.
Das Ventil 30 umfasst einen ersten Abschnitt 30A und einen zweiten Abschnitt 30B. Die Abschnitte 30A, 30B sind um das Gelenk 45 unabhängig schwenkbar. Der zweite Abschnitt 30B passt in eine Öffnung des ersten Abschnitts 30A, wie in 2B gezeigt ist. Wenn beide Abschnitte in derselben Drehposition in Bezug auf das Gelenk 45 sind, erstrecken sie sich von der Schwenkachse zu dem Anschlag 46A, Anschlag 46B oder einer Drehposition dazwischen.
Bezug nehmend auf 2A befinden sich, wenn das Ventil 30 in dem ersten Modus ist, beide Abschnitte 30A, 30B in einer ersten Position, wobei eine Strömung an einer Seite der Wand 44 blockiert wird und daher eine Abgasströmung durch den Wärmetauscher 28 entlang eines ersten Strömungspfades in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus geführt wird, wie durch Strömungspfeile A, die zeigen, dass Abgas in den Wärmetauscher 28 eintritt, und Strömungspfeile B angegeben ist, die angeben, dass Abgas den Wärmetauscher 28 verlässt. Ein Teil der Wärme wird von dem Abgas an das Motorkühlmittel über den Wärmetauscher 16 übertragen, so dass Kühlmittel in dem Strömungsdurchgang 36 wärmer als Kühlmittel in dem Strömungsdurchgang 34 ist.
Bezug nehmend auf 1 sagt der Controller 40 eine Abgastemperatur und einen Durchfluss auf Grundlage von Information von dem Motorbelastungssensor 33B, dem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor 33C und dem Motordrehzahlsensor 33D vorher und schätzt eine erhöhte Kühlmitteltemperatur über den Wärmetauscher 28 auf Grundlage einer Abgasströmung bei der vorhergesagten Temperatur und Rate. Wenn der Motor 12 ausreichend aufgewärmt ist, so dass der Kühlmitteltemperatursensor 33A angibt, dass durch den Motor 12 strömendes Kühlmittel über einer ersten vorbestimmten Temperatur liegt und die geschätzte erhöhte Temperatur kleiner als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist, erfolgt dann ein fortgesetztes Erwärmen des Motors durch Steuern des Ventils 30 zum Betrieb in einem zweiten Modus, wie in 3 gezeigt ist, in dem der zweite Ventilabschnitt 30B in eine zweite Position bewegt wird, die in 3 gezeigt ist. Das Ziel des zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus besteht darin, die Entnahme von Wärme von dem Abgas nach dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus fortzusetzen, um ein Sieden des den Wärmetauscher verlassenden Kühlmittels zu verhindern. In dem zweiten Modus wird der durch Pfeile A in 2A angegebene Strömungspfad teilweise blockiert. Der Großteil der Abgasströmung wird entlang einer dem Wärmetauscher 28 entgegengesetzten Seite der Wand 44 geführt, als wenn das Ventil 30 in der ersten Position ist, wie durch Strömungspfeil C angegeben ist. Da der zweite Abschnitt 30B in die zweite Position bewegt wird, wird eine Öffnung oder ein Fenster 47 zwischen dem Gelenk 45 und dem ersten Ventilabschnitt 30A geformt. Der Großteil des Abgases gelangt durch das Fenster 47 und aus dem Abgasauslass 26 heraus, wie durch den Strömungspfeil C angegeben ist. Ein kleiner Anteil des Abgases strömt durch den Wärmetauscher 28, wie durch Pfeile D, die eine Abgasströmung in den Wärmetauscher 28 angeben, und Pfeile E gezeigt ist, die eine Abgasströmung aus dem Wärmetauscher 28 heraus anzeigen, wobei das über den Wärmetauscher strömende Abgas gekühlt wird, so dass Abgas bei den Strömungspfeilen D wärmer als Abgas bei den Strömungspfeilen E ist. Die Pfeile D, E und C repräsentieren den zweiten Strömungspfad des zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus. Ein Teil der Wärme wird von dem Abgas abgezogen und an das Motorkühlmittel in dem Strömungskanal 36 übertragen; jedoch findet das Erwärmen des Kühlmittels mit einer geringeren Rate im Vergleich zu dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus statt, da nur ein Anteil des Abgases durch den Wärmetauscher 28 bei dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus geführt wird. Dies wird durchgeführt, um eine zusätzliche Abgaswärmerückgewinnung zu ermöglichen, ohne ein Sieden des den Wärmetauscher 28 verlassenden Kühlmittels zur Folge zu haben.
Bezug nehmend auf 4 bewegt, wenn der Kühlmitteltemperatursensor 33A anzeigt, dass die Temperatur des durch den Motor 12 strömenden Kühlmittels größer als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist oder wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur, die auf Information von den Sensoren 33A, 33B, 33C, 33D basiert, größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist, dann der Controller 40 den ersten Ventilabschnitt 30A zur Ausrichtung mit dem zweiten Ventilabschnitt 30B an dem Anschlag 46B. Somit wird die gesamte Abgasströmung auf die von dem Wärmetauscher 28 entgegengesetzte Seite der Wand 44 entlang eines dritten Strömungspfades geführt, wie durch Strömungspfeil F angezeigt ist, wobei der Wärmetauscher 28 in einem Bypassmodus umgangen wird.
Bezug nehmend auf die 5 - 7 dient als eine Alternative zu der Vorrichtung 14 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 114, die funktionell mit dem Motor 12 verbindbar ist, dazu, eine Abgaswärmerückgewinnung mit mehreren Kühlmittelerwärmungsmoden zu erreichen. Komponenten der Vorrichtung 114, die dieselben wie diejenigen der Vorrichtung 14 sind, werden unter Verwendung gleicher Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 114 umfasst eine Barriere 50, die sich zwischen dem Wärmetauscher 28 zu dem Abgasrohreinlass 24 erstreckt. Die Barriere 50 trennt die Abgasströmung von dem Einlass 24 zu dem Wärmetauscher 28. Wenn sich das Ventil 30 in dem ersten Modus befindet, um den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus von 5 herzustellen, besitzt die Barriere 50 eine geringe Wirkung auf die Kühlmittelerwärmung, da die gesamte Abgasströmung über den Wärmetauscher 28 gelenkt wird, wie durch die Einlassströmung, die durch Strömungspfeil A repräsentiert ist, die in zwei Strömungspfade über den Wärmetauscher 28 geteilt ist, wie durch Strömungspfeile A1 und A2 angegeben ist, und Strömungen über den Wärmetauscher 28 repräsentiert ist, die austreten, wie durch die Strömungspfeile B1, B2 und B3 angegeben ist.
Wenn das Ventil 30 gesteuert wird, um den zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus herzustellen, wie in Bezug auf 3 beschrieben ist, erstreckt sich der zweite Ventilabschnitt 30B zu der Barriere 50, um eine Abgasströmung zu dem Wärmetauscher 28 teilweise zu blockieren, wie in 6 gezeigt ist. Somit strömt nur ein Anteil der Abgasströmungen über den Wärmetauscher 28, wie durch die Strömungspfeile D angegeben ist. Da die Barriere 50 die Strömung zu einem Abschnitt des Wärmetauschers 28 führt, d.h. den Abschnitt, der unterhalb der Linie 52 in 6 erscheint, wobei die Linie 52 mit der Barriere 50 ausgerichtet ist, wird nur dieser Abschnitt des Wärmetauschers 28 zur Entnahme von Wärme von dem Abgas verwendet. Der Rest der Einlassabgasströmung wird zu der entgegengesetzten Seite der Wand 44 gelenkt, wobei der Wärmetauscher 28 umgangen wird, wie durch Strömungspfeil C angegeben ist.
Wenn das Ventil 30 gesteuert wird, um den Bypassmodus herzustellen, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, wird die gesamte Strömung an dem Wärmetauscher 28 vorbei blockiert, wie in 7 gezeigt ist, und die Einlassabgasströmung umgeht den Wärmetauscher 28, wie durch den Strömungspfeil F angezeigt ist.
Bezug nehmend auf die 8 - 10 dient als eine Alternative zu der Vorrichtung 14 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 214, die mit dem Motor 12 funktionell verbindbar ist, dazu, eine Abgaswärmerückgewinnung mit mehreren Kühlmittelerwärmungsmoden zu erreichen. Komponenten der Vorrichtung 214, die gleich denen der Vorrichtung 14 sind, sind unter Verwendung gleicher Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 214 umfasst ein Bypassventil 230, das funktionell mit dem Controller 40 von 1 verbindbar ist, um zwei Kühlmittelerwärmungsmoden und einen Bypassmodus herzustellen. Das Ventil 230 besitzt keine zwei separaten Abschnitte wie das Ventil 30, sieht jedoch dennoch variable Kühlmittelerwärmungsmoden vor. Der Controller 40 kann das Ventil 230 mit Pulsbreitenmodulation steuern. Zusätzlich ist ein zusätzlicher Sensor 33E vorgesehen, um eine Ventilposition zu bestimmen. Der Sensor 33E kann ein Positions-, ein Temperatur- oder ein Drucksensor sein, wobei die Ventilposition durch den Controller auf Grundlage der durch den Sensor 33E vorgesehenen Information gemäß einem gespeicherten Algorithmus berechnet wird.
Bezug nehmend auf 8 wird, wenn sich das Ventil 230 in einer ersten Position des ersten Modus befindet, wie gezeigt ist, eine Strömung auf einer Seite der Wand 44 blockiert, und daher wird die gesamte Abgasströmung durch den Wärmetauscher 28 entlang eines ersten Strömungspfades in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus geführt, wie durch Strömungspfeile A, die in den Wärmetauscher 28 eintretendes Abgas zeigen, und Strömungspfeile B angezeigt ist, die den Wärmetauscher 28 verlassendes Abgas anzeigen. Der erste Modus wird durch den Controller 40 hergestellt, wie unter Bezugnahme auf 2A beschrieben ist. Ein Teil der Wärme wird von dem Abgas an das Motorkühlmittel über den Wärmetauscher 28 übertragen, so dass Kühlmittel in dem Strömungsdurchgang 36 wärmer als Kühlmittel in dem Strömungsdurchgang 34 ist.
Wenn der Motor 12 ausreichend erwärmt ist, so dass der Kühlmitteltemperatursensor 33A angibt, dass durch den Motor 12 strömendes Kühlmittel über einer ersten vorbestimmten Temperatur liegt, steuert der Controller 40 das Ventil 230 zum Betrieb in einem zweiten Modus, wie in 9 gezeigt ist, gemäß derselben Sensorinformation und demselben Steueralgorithmus, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass der Controller 40 ein Signal sendet, so dass ein Aktuator (nicht gezeigt) das Ventil 230 in der gezeigten Zwischenposition hält, in der der durch Pfeile A in 8 angezeigte Strömungspfad teilweise blockiert ist. Da eine größere Strömungsöffnung zwischen dem Ventil 230 und der Wand des Rohres 22 verfügbar ist (als die oberste Wand in der Ansicht von 9 gezeigt), wird der Großteil der Abgasströmung zu dem Abgasauslass 26 entlang einer dem Wärmetauscher 28 entgegengesetzten Seite der Wand 44 geführt, als, wenn sich das Ventil 230 in der ersten Position befindet, wie durch Strömungspfeil C angezeigt ist. Eine kleinere Strömungsöffnung ist von dem Abgaseinlass 24 zu dem Wärmetauscher 28 verfügbar, so dass ein kleiner Anteil des Abgases durch den Wärmetauscher 28 strömt, wie durch Pfeile D, die eine Abgasströmung in den Wärmetauscher 28 anzeigen, und Pfeile E angezeigt ist, die eine Abgasströmung aus dem Wärmetauscher anzeigen, wobei das über den Wärmetauscher strömende Abgas so gekühlt wird, dass Abgas bei den Strömungspfeilen D wärmer als Abgas bei den Strömungspfeilen E ist. Somit ist eine Strömung durch den Wärmetauscher 28 in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus in Bezug auf den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus beschränkt. Die Pfeile D, E und C geben den zweiten Strömungspfad des zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus an. Ein Teil der Wärme wird von dem Abgas entnommen und an das Motorkühlmittel in dem Strömungsdurchgang 36 übertragen; jedoch erfolgt das Erwärmen des Kühlmittels bei einer geringeren Rate im Vergleich zu dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus, da nur ein Anteil des Abgases durch den Wärmetauscher 28 in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus geführt wird. Ein Erwärmen bei einer geringeren Rate ermöglicht eine zusätzliche Abgaswärmerückgewinnung, ohne dass dies in einem Sieden des den Wärmetauscher 28 verlassenden Kühlmittels resultiert.
Bezug nehmend auf 10 bewegt, wenn der Kühlmitteltemperatursensor 33A anzeigt, dass die Temperatur des durch den Motor 12 strömenden Kühlmittels größer als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist, oder wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur, die auf Informationen von den Sensoren 33A, 33B, 33C, 33D, 33E basiert, größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist, dann der Controller 40 das Ventil 230 in eine dritte Position (d.h. zum Betrieb in einem dritten Modus) bei dem Anschlag 46B. Somit wird die gesamte Abgasströmung auf die dem Wärmetauscher 28 entgegengesetzte Seite der Wand 44 entlang eines dritten Strömungspfades gelenkt, wie durch Strömungspfeil F angezeigt ist, wobei der Wärmetauscher 28 in einem Bypassmodus umgangen wird.
Demgemäß erlaubt eine der Vorrichtungen der 2A - 10, dass der Controller mehrere Kühlmittelerwärmungsmoden zur Erhöhung des Fahrzeugwirkungsgrades gemäß eines gespeicherten Algorithmus anweist. Genauer führt der Controller 40 ein Verfahren 300 zum Regulieren einer Abgaswärmerückgewinnung an einem Fahrzeug aus, wie in dem Strömungsdiagramm von 11 dargestellt ist. Das Verfahren 300 umfasst Schritt 302, bei dem Fahrzeugbetriebsbedingungen, einschließlich Kühlmitteltemperatur, Motorlast, Motordrehzahl und Luft/KraftstoffVerhältnis, wie oben beschrieben ist, unter Verwendung der Sensoren 33A - 33D überwacht werden, die funktionell mit dem Controller 40 verbunden sind. Das Verfahren umfasst dann den Schritt 304, bei dem eine Abgastemperatur und ein Abgasdurchfluss über den Wärmetauscher 28 unter der Annahme, dass das Bypassventil 30 oder 230 (in dem ersten Modus) vollständig geöffnet ist, auf Grundlage der überwachten Fahrzeugbetriebsbedingungen vorhersagt werden. Bei Schritt 306 schätzt der Controller 40 dann eine erhöhte Kühlmitteltemperatur auf Grundlage einer Abgasströmung bei der vorhergesagten Abgastemperatur und dem vorhergesagten Durchfluss über den Wärmetauscher 28 gemäß einem gespeicherten Algorithmus. Bei Schritt 308 wird das Bypassventil (30 oder 230) dann entweder in den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus oder den zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus zur Variation der Abgasströmung an dem Wärmetauscher 28 vorbei auf Grundlage der geschätzten erhöhten Kühlmitteltemperatur gesteuert. Zusätzlich kann das Bypassventil 30 oder 230 in den Bypassmodus gesteuert werden, wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur über einer zweiten vorbestimmten Temperatur liegt, um ein Sieden des Kühlmittels in dem Kühlmittelströmungsdurchgang 36 zu verhindern. Somit wird das Ventil 30 oder 230 gesteuert, um zumindest zwei verschiedene Kühlmittelerwärmungsmoden herzustellen, in denen Abgas über den Wärmetauscher 28 über verschiedene Strömungspfade strömt, und um einen Bypassmodus herzustellen, indem im Wesentlichen kein Abgas über den Wärmetauscher 28 strömt.
Genauer wird gemäß dem Verfahren 300 Abgas über den Wärmetauscher 28 entlang eines ersten Strömungspfades zur Übertragung von Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge 36 in dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus geführt, wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur kleiner als oder gleich einer ersten vorbestimmten Temperatur ist. Zumindest ein Anteil des Abgases wird über den Wärmetauscher 28 entlang eines zweiten Strömungspfades geführt, um Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge 36 in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus zu übertragen, wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur größer als die erste vorbestimmte Temperatur und kleiner als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist. Der zweite Strömungspfad ist relativ zu dem ersten Strömungspfad dahingehend beschränkt, dass entweder der Zutritt zu dem Wärmetauscher 28 reduziert ist oder der Abschnitt des Wärmetauschers 28, über oder durch den Abgas strömt, im Vergleich zu dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus reduziert ist. Das Abgas umgeht den Wärmetauscher 28 in dem Bypassmodus, während dem keine signifikante Kühlmittelerwärmung über den Wärmetauscher 28 stattfindet, wenn die geschätzte erhöhte Kühlmitteltemperatur größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist.

Claims

Vorrichtung (25, 114, 214) für ein Fahrzeug (10) mit einem Motor (12), umfassend: ein Abgassystem (19), durch das Abgas von dem Motor (12) ausgetragen wird; einen Wärmetauscher (28), der zumindest teilweise in dem Abgassystem (19) positioniert ist; Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in thermischer Kommunikation mit dem Motor (12) und mit dem Wärmetauscher (28); ein Bypassventil (30, 230), das zum Lenken des Abgases über den Wärmetauscher (28) entlang eines ersten Strömungspfades zur Übertragung von Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in einem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus betreibbar ist; zum Lenken zumindest eines Anteils des Abgases über den Wärmetauscher (28) entlang eines zweiten Strömungspfades zur Übertragung von Abgaswärme an die Kühlmittelströmungsdurchgänge (34, 36) in einem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus betreibbar ist; wobei der zweite Strömungspfad relativ zu dem ersten Strömungspfad beschränkt ist; und zum Lenken des Abgases zur Umgehung des Wärmetauschers (28) in einem Bypassmodus betreibbar ist, während dem keine signifikante Kühlmittelerwärmung über den Wärmetauscher (28) stattfindet; zumindest einen Sensor (33A, 33B, 33C, 33D), der zum Erfassen von Fahrzeugbetriebsbedingungen betreibbar ist; und einen Controller (40), der mit dem zumindest einen Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) und dem Bypassventil (30, 230) funktionell verbunden und betreibbar ist, um das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den ersten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen ersten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst, das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen zweiten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst, und das Bypassventil (30, 230) so zu bewegen, dass es den dritten Kühlmittelerwärmungsmodus herstellt, wenn der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen dritten Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen erfasst; gekennzeichnet durch: eine Barriere (50), die derart angeordnet ist, dass sie Abgas zwischen dem Bypassventil (30) und dem Wärmetauscher (28) führt, so dass Abgas nur über einen Anteil des Wärmetauschers (28) in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Bypassventil (30) einen ersten Abschnitt (30A) und einen zweiten Abschnitt (30B) aufweist, die unabhängig voneinander bewegbar sind; wobei in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus der erste Abschnitt (30A) in einer ersten Position ist und der zweite Abschnitt (30B) in einer zweiten Position ist, so dass der zweite Abschnitt (30B) die Strömung zu dem Wärmetauscher (28) teilweise blockiert, um den zweiten Strömungspfad herzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Kühlmittelerwärmungsmodus das Bypassventil (230) in einer ersten Position ist, in dem zweiten Kühlmittelerwärmungsmodus in einer zweiten Position ist und in dem Bypassmodus in einer dritten Position ist; wobei die zweite Position zwischen der ersten und dritten Position liegt, um eine Abgasströmung zwischen einem anderen Strömungspfad, der den Wärmetauscher (28) umgeht, und dem zweiten Strömungspfad aufzuteilen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) einen Kühlmitteltemperatursensor (33A) aufweist; wobei der erste Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen eine Kühlmitteltemperatur aufweist, die geringer als eine erste vorbestimmte Temperatur ist; wobei der zweite Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen eine Kühlmitteltemperatur aufweist, die größer als die erste vorbestimmte Temperatur und kleiner als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist; und wobei der dritte Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen eine Kühlmitteltemperatur aufweist, die größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zumindest eine Sensor (33A, 33B, 33C, 33D) ferner einen Sensor (33B) aufweist, der zur Erfassung einer Motorbelastung betreibbar ist; wobei der zweite Satz von Fahrzeugbetriebsbedingungen eine Motorbelastung aufweist, die geringer als eine vorbestimmte Motorlast ist.