DE102011014816A1

DE102011014816A1 - Verfahren für thermoelektrische Energieumwandlung in einem Abgasrückführsystem

Info

Publication number: DE102011014816A1
Application number: DE102011014816A
Authority: DE
Inventors: Xin He; Alexander Knafl; Russell P. Durrett
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2031-03-24
Also published as: CN102207045A; CN102207045B; DE102011014816B4; US8561416B2; US20110232301A1

Abstract

Ein Verfahren für Wärmeenergiemanagement in einem Verbrennungsmotor, der ein Abgasrückführungssystem und ein Motorkühlsystem umfasst, umfasst das Rückführen eines Teils eines Abgases durch das Abgasrückführungssystem, das mit einer ersten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung in Wärmeverbindung steht, das Strömenlassen eines Motorkühlmittels iermoelektrischen Vorrichtung und das Steuern von elektrischem Strom zwischen einer Speichervorrichtung für elektrische Energie und der thermoelektrischen Vorrichtung, um Wärmeenergie zwischen dem rückgeführten Abgas und dem Motorkühlmittel zu übertragen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Abgasrückführungssysteme in Verbrennungsmotoranwendungen.
HINTERGRUND
Die Darlegungen in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung vor und stellen eventuell nicht den Stand der Technik dar.
Verbrennungsmotoren verbrennen Luft/Kraftstoff-Füllungen in Brennräumen, um Arbeit zu verrichten. Die Verbrennung einer Luft/Kraftstoff-Füllung ist von den Temperatur- und Druckbedingungen abhängig, die in dem Brennraum vorliegen. Änderungen von Temperatur und Druck in dem Brennraum beeinflussen Verbrennung und die zugeordnete Arbeit und Emissionen, die dadurch erzeugt werden.
Abgasrückführungssysteme (AGR-Systeme) führen Abgas in ein Ansaugsystem zurück, um es mit der Luft/Kraftstoff-Füllung zu mischen und Verbrennung zu beeinflussen. Dies umfasst das Verringern von Verbrennungstemperatur, was die Erzeugung von NOx-Spezies und Emissionen verringert. AGR-Systeme werden in verschiedenen Motortypen und -konfigurationen verwendet, einschließlich Kompressionszündungs- und Fremdzündungsmotorsystemen.
Die Temperatur des rückgeführten Abgases beeinflusst die Temperatur der Luft/Kraftstoff-Füllung in dem Brennraum. Bekannte AGR-Systeme können eine Wärmetauschvorrichtung in dem AGR-System umfassen, um die Temperatur von rückgeführtem Abgas zu modulieren und somit die Temperatur der Luft/Kraftstoff-Füllung zu modulieren. Bekannte AGR-Wärmetauschvorrichtungen können Wärme entziehen und dadurch die Temperatur des rückgeführten Abgases senken. Bekannte Wärmetauschvorrichtungen übertragen Wärmeenergie zwischen dem rückgeführten Abgas und einem Kühlmittel leitend und/oder leiten Wärmeenergie durch bauliche Vorrichtungen, z. B. der Umgebungsluft ausgesetzte Lamellen, strahlend ab. So übertragene Wärmeenergie kann verloren gehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren für Wärmeenergiemanagement in einem Verbrennungsmotor, der ein Abgasrückführungssystem und ein Motorkühlsystem umfasst, umfasst das Rückführen eines Teils eines Abgases durch das Abgasrückführungssystem, das mit einer ersten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung in Wärmeverbindung steht, das Strömenlassen eines Motorkühlmittels in Wärmeverbindung mit einer zweiten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung und das Steuern von elektrischem Strom zwischen einer Speichervorrichtung für elektrische Energie und der thermoelektrischen Vorrichtung, um Wärmeenergie zwischen dem rückgeführten Abgas und dem Motorkühlmittel zu übertragen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden beispielhaft eine oder mehrere Ausführungsformen unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, wobei:
1 schematisch eine beispielhafte Motorkonfiguration mit einem Steuermodul, einer elektrischen Speichervorrichtung und einem Abgasrückführungssystem mit einem thermoelektrischen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
2 eine Schnittansicht des thermoelektrischen Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Offenbarung ist; und
3 ein beispielhaftes Steuerschema gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Unter Bezug nun auf die Zeichnungen, bei denen das Gezeigte lediglich dem Zweck des Veranschaulichens bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck des Beschränkens desselben dient, veranschaulicht 1 schematisch eine beispielhafte Motorkonfiguration mit einem Motor 10 und einem zugehörigen Steuermodul 5, einer Energiesteuereinheit 6 (z. B. steuerbarer DCDC-Wandler), einer Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie und einem Abgasrückführungssystem, das mit einem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 fluidverbunden ist, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konstruiert sind.
Der beispielhafte Motor 10 ist in mehreren Verbrennungsmodi und/oder Luft/Kraftstoff Verhältnissen, einschließlich eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, das vorrangig überstöchiometrisch ist, selektiv betreibbar. Die Offenbarung kann auf verschiedenen Verbrennungsmotorsysteme und Verbrennungszyklen angewendet werden und ist dadurch nicht beschränkt.
In einer Ausführungsform kann der Motor 10 mit einem elektromechanischen Hybridantriebsstrangsystem gekoppelt sein. Das elektromechanische Hybridantriebsstrangsystem kann Nichtkraftstoff-Drehmomentmaschinen umfassen, die zum Übertragen von Zugkraft auf ein Antriebssystem eines Fahrzeugs ausgelegt sind.
Der beispielhafte Motor 10 kann eine beliebige bekannte Motorkonfiguration umfassen, einschließlich eines Mehrzylinder-Viertaktverbrennungsmotors mit Direkteinspritzung. Ein Luftansaugsystem 29 liefert Ansaugluft zu einem Ansaugkrümmer, der Luft in Einlasskanäle der Brennräume leitet und verteilt. Das Luftansaugsystem 29 umfasst Luftstromleitungen und -vorrichtungen zum Überwachen und Steuern des Luftstroms. Wobei das Abgasrückführungssystem einen externen Strömungsdurchlass umfasst, der zum Rückführen von Abgasen von einer Motorabgasanlage 39 zu dem Luftansaugsystem 29 konfiguriert ist, das ein Strömungssteuerungsventil umfasst, das als Abgasrückführungs(AGR)ventil 38 bezeichnet wird. Das Steuermodul 5 umfasst ein Steuerschema, um Massenstrom von Abgas zu dem Luftansaugsystem 29 durch Steuern des Öffnens des AGR-Ventils 38 zu steuern.
Das AGR-Ventil 38 wird genutzt, um das Strömen des rückgeführten Abgases durch den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 zu steuern. Bei Steuerung auf eine geschlossene Stellung verhindert das AGR-Ventil 38 das Eindringen jeglicher Abgasströmung von der Abgasanlage 39 in den externen Strömungsdurchlass 90. Bei Steuerung auf eine geschlossene Stellung strömt rückgeführtes Abgas durch den externen Strömungsdurchlass 90 zu dem Luftansaugsystem 29. In einer Ausführungsform kann das AGR-Ventil 38 zu verschiedenen teils offenen und geschlossenen Stellungen gesteuert werden, wodurch der Massenstrom von rückgeführtem Abgasstrom durch den externen Strömungsdurchlass 90 verändert wird.
Der Motor 10 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen zum Überwachen von Motorbetrieb, einschließlich einer ersten und zweiten Temperaturvorrichtung 82 und 84 zum Überwachen von Temperatur des rückgeführten Abgasstroms vor bzw. nach dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50, einer dritten Temperaturvorrichtung 86 zum Überwachen von Kühlmitteltemperatur in den thermoelektrischen Wärmetauscher 50, einer vierten Temperaturvorrichtung 88 zum Überwachen von Öltemperatur in dem Motor 10 und einer fünften Temperaturvorrichtung 89 zum Überwachen von Ansauglufttemperatur in den Motor 10, ausgestattet.
Das Steuermodul 5 führt einen darin gespeicherten algorithmischen Code aus, um Aktoren zu steuern, um Motorbetrieb, einschließlich das Ansaugluftsystem 29, Drosselklappenstellung, Zündzeiten, Kraftstoffeinspritzmasse und -zeiten, Einlass- und/oder Auslassventilzeiten und Phasenregelung und das AGR-Ventil 38, zu steuern. Ventilsteuerzeiten und -phasenregelung können in einer Ausführungsform negative Ventilüberdeckung und Hub von erneutem Auslassventilöffnen (in einer Abgasrücksaugungsstrategie) umfassen. Das Steuermodul 5 ist ausgelegt, um Eingangssignale von einem Fahrer (z. B. eine Gaspedalstellung und eine Bremspedalstellung), um eine Fahrerdrehmomentforderung zu ermitteln, und Eingänge von den Sensoren, die die Motordrehzahl und Ansauglufttemperatur und Kühlmitteltemperatur und andere Umgebungsbedingungen anzeigen, zu empfangen. Das Steuermodul 5 kann so arbeiten, dass es den Motor 10 während laufenden Fahrzeugbetriebs ein- und ausschaltet, und kann so arbeiten, dass es selektiv einen Teil der Brennräume oder einen Teil der Einlass- und Auslassventile durch Steuerung von Kraftstoff und Zündung sowie Ventildeaktivierung deaktiviert. Das Steuermodul 5 kann beruhend auf Rückmeldung von einem Abgassensor das Luft/Kraftstoff-Verhältnis steuern.
Steuermodul, Modul, Steuergerät, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bedeuten eine geeignete von oder verschiedene Kombinationen von einer oder mehreren applikationsspezifischen integrierten Schaltung(en) (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), elektronischer Schaltung/elektronischen Schaltungen, zentraler Recheneinheit/zentralen Recheneinheiten (vorzugsweise Mikroprozessor(en)) und zughörigem Speicher und Speicherung (ROM, programmierbarer ROM, RAM, Festplatte, etc.), die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs/Ausgangsschaltung(en) und -vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung und andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen sollen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Softwareprogrammbefehle und Kalibrierungen umfassen, die in dem Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die erwünschten Funktionen vorzusehen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während vorab festgelegter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden ausgeführt, etwa durch eine zentrale Recheneinheit, und dienen dazu, Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können bei regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5 25 und 100 Millisekunden während laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Algorithmen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Die Energiesteuereinheit 6 ist mit der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie, dem Steuermodul 5 und dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 elektrisch verbunden. Die Energiesteuereinheit 6 steuert das Fließen von elektrischem Strom von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie zu dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50. Die Energiesteuereinheit 6 umfasst Elektronikvorrichtungen und Steuermodule, die ausgelegt sind, um Befehle von dem Steuermodul 5 zu empfangen, um dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 elektrische Leistung zu liefern. Die Elektronikvorrichtungen regeln und steuern anderweitig die zwischen dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 und der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie übertragene elektrische Leistung.
Zwischen der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie und der Energiesteuereinheit 6 kann elektrischer Strom fließen. Die Energiesteuereinheit 6 überträgt elektrischen Strom mittels Stromkabeln 7 und 8 zu und von dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50, und die Energiesteuereinheit 6 überträgt analog elektrischen Strom mittels Stromkabeln 11 und 12 zu und von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie. Elektrischer Strom kann je nachdem, ob die Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie geladen oder entladen wird, zu und von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie übertragen werden.
Die Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie ist ausgelegt, um dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 mittels der Energiesteuereinheit 6 Energie zuzuführen. Die Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie ist mit der Energiesteuereinheit 6 elektrisch verbunden. Die Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie kann eine oder mehrere aus dem Stand der Technik bekannte Speichervorrichtung(en) für elektrische Energie, die elektrische Batterien umfasst/umfassen, und/oder ein Kondensatorsystem umfassen und ist ausgelegt, um von dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 erzeugte elektrische Leistung zu speichern.
Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 ist mit der Energiesteuereinheit 6 elektrisch verbunden. Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 ist mittels eines Kühlmittelströmungsdurchlasses 91, der zum Strömenlassen von Kühlmittel durch den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 ausgelegt ist, mit einem Motorkühlmittelsystem fluidverbunden. Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 ist mittels des externen Strömungsdurchlasses 90 mit dem Luftansaugsystem 29 und der Abgasanlage 39 fluidverbunden. Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 steht mit dem rückgeführten Abgas in Wärmekontakt, d. h. ist ausgelegt, um Wärmeenergie auszubreiten, und ist ausgelegt, um Wärmeenergie zu und von dem rückgeführten Abgas zu übertragen. Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 steht mit dem Kühlmittel in Wärmekontakt und ist ausgelegt, um Wärmeenergie zu und von dem Kühlmittel zu übertragen.
Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 umfasst mehrere thermoelektrische Vorrichtungen, z. B. eine Thermosäule, die in 1 als thermoelektrische Halbleiterschicht 70 dargestellt ist. Die thermoelektrischen Vorrichtungen erzeugen als Reaktion auf eine Wärmedifferenz eine elektromotorische Kraft (emf), die als Seebeck-Effekt definiert ist. Die elektromotorische Kraft erzeugt ein elektrisches Potential über den thermoelektrischen Vorrichtungen. Die thermoelektrischen Vorrichtungen können Wärmeenergie aus dem rückgeführten Abgaszustrom in elektrische Energie umwandeln und können unter Verwenden von elektrischer Energie Wärme zu und von dem rückgeführten Abgaszustrom übertragen. Der Begriff ”thermoelektrische Vorrichtung”, wie er hierin verwendet wird, umfasst eine beliebige Art von Vorrichtung, die eine Wärmedifferenz erzeugen kann, um eine elektromotorische Kraft ohne mechanische Bewegung zu erzeugen. Beispiele umfassen beliebige von mehreren Klassen von Materialien oder Vorrichtungen wie etwa Schüttgut (z. B. PbTe, Bi₂Te, Skutteruditen), Dünnschichtvorrichtungen (z. B. Quantentopfvorrichtungen, Übergitter), segmentierte Elemente (JPL), Kombinationsmaterialien und thermische Dioden. In einer Ausführungsform sind p- und n-Halbleiterelemente durch leitendes Material elektrisch verbunden.
Die thermostatischen Vorrichtungen sind ausgelegt, um zwischen einer gegenüberliegenden ersten und zweiten Seite der thermoelektrischen Vorrichtungen Wärmeenergie zu übertragen, wenn elektrischer Strom durch die thermoelektrischen Vorrichtungen fließt. Wenn elektrischer Strom durch den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 fließt, können die mehreren thermoelektrischen Vorrichtungen abhängig von einer Polarität eines durch den Fluss elektrischen Stroms erzeugten elektrischen Potentials entweder Heizen oder Kühlen bewirken. In einer Ausführungsform überträgt sich Wärmeenergie von einer oberen Seite zu einer unteren Seite, wenn elektrischer Strom in einer ersten Richtung fließt. Das Umkehren des Flusses des elektrischen Stroms kehrt die Polarität eines elektrischen Potentials und somit den Fluss der Wärmeenergie, z. B. von der unteren Seite zu der oberen Seite, um.
2 ist eine Schnittansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Wärmetauschers 50. Der thermoelektrische Wärmetauscher 50 umfasst die thermoelektrische Halbleiterschicht 70 mit gegenüberliegenden Seiten, eine Kühlmittelströmungsschicht 72 in Wärmeverbindung mit einer gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschicht 70 und eine AGR-Strömungsschicht 74 in Wärmeverbindung mit der anderen gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschicht 70. Die Kühlmittelströmungsschicht 72 ist mit dem Kühlmittelströmungsdurchlass 91 fluidverbunden und ausgelegt, um Wärmeenergie zwischen der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 und dem Kühlmittel zu übertragen. Die AGR-Strömungsschicht 74 ist mit dem AGR-Durchlass 90 fluidverbunden und ausgelegt, um Wärmeenergie zwischen der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 und dem rückgeführten Abgaszustrom zu übertragen.
Die thermoelektrische Halbleiterschicht 70 umfasst p- und n-Halbleiterelemente, d. h. thermoelektrische Vorrichtungen 52 und 54, die abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet sind, um p-n-Übergänge zu bilden. Bevorzugt sind die p- und n-Halbleiterelemente 52 und 54 porös und zu einem Unterdruck entlüftet. Die p- und n-Halbleiterelemente 52 und 54 sind durch ein leitendes Material 60, das auf beiden Endflächen derselben ausgebildet ist, elektrisch verbunden, und wobei Seitenflächen derselben mit einem Isolierungsmaterial bedeckt ist. Die p- und n-Halbleiterelemente 52 und 54 sind in der gesamten thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 abwechselnd elektrisch in Reihe geschaltet. In einer Ausführungsform bedeckt Isolierungsmaterial eine Außenfläche der Anordnung, die nicht von dem leitenden Material bedeckt ist, das die p- und n-Halbleiterelemente 52 und 54 elektrisch verbindet, bevorzugt in einer Weise, sie eine erste Seite 71 der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 mit der Kühlmittelströmungsschicht 72 und eine zweite Seite 73 der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 mit der AGR-Strömungsschicht 74 wärmeverbindet.
Über der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 wird ein elektrisches Potential erzeugt, wenn der relativ heißere rückgeführte Abgaszustrom durch die AGR-Strömungsschicht 74 strömt und wenn das relativ kühlere Kühlmittel durch die Kühlmittelströmungsschicht 72 strömt. Die Größenordnung des elektrischen Potentials ist durch physikalische Eigenschaften der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 und die Größenordnung der Temperaturdifferenz zwischen Seiten der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 festgelegt. Die Polarität des elektrischen Potentials ist beruhend darauf festgelegt, welche Seite der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 relativ heißer ist. Wenn eine elektrische Last, z. B. eine Batterie, über dem elektrischen Potential angelegt ist, fließt elektrische Energie von einer heißeren Seite der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 zu der Last.
Wenn der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 elektrischer Strom zugeführt wird, wird von entweder dem Kühlmittel oder dem rückgeführten Abgaszustrom abhängig von einer Polarität des elektrischen Potentials, die durch die Richtung des elektrischen Stromflusses erzeugt wird, Wärmeenergie übertragen und entzogen. Wie hierin vorstehend beschrieben kann elektrischer Strom unter Verwenden der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie geliefert werden. Wenn der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 elektrischer Strom geliefert wird, wird ein elektrisches Potential erzeugt, wodurch zwischen dem Kühlmittel und dem rückgeführten Abgaszustrom eine Wärmeenergieübertragung gefördert wird. Wenn mm Beispiel elektrischer Strom in einer ersten Richtung durch den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 fließt, wird dem Kühlmittel Wärmeenergie entzogen und auf den rückgeführten Abgaszustrom übertragen. Wenn elektrischer Strom in einer entgegengesetzten Richtung durch den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 fließt, wird dem rückgeführten Abgaszustrom Wärmeenergie entzogen und auf das Kühlmittel übertragen.
3 ist ein beispielhaftes Steuerschema 400 zum Betreiben des Motors 10 und Verwenden des thermoelektrischen Wärmetauschers 50. Das Steuerschema 400 ist in 3 veranschaulicht und wird hierin diskrete Elemente umfassend beschrieben. Eine solche Veranschaulichung dient der einfacheren Beschreibung, und es versteht sich, dass die von diesen Elementen ausgeführten Funktionen in einer oder mehreren Vorrichtungen kombiniert werden können, z. B. in Software, Hardware und/oder applikationsspezifischer integrierter Schaltung umgesetzt werden können. Das Steuerschema 400 kann zum Beispiel in dem Steuermodul 5 als ein oder mehrere Algorithmen ausgeführt sein. Das Steuerschema 400 umfasst das Überwachen der Temperatur des rückgeführten Abgasstroms in den thermoelektrischen Wärmetauscher 50, (T_{EGR_IN}), unter Verwenden der ersten Temperaturvorrichtung 82 und aus dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 heraus, (T_{EGR_OUT}), unter Verwenden der zweiten Temperaturvorrichtung 84, und das Überwachen der Temperatur des in den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 strömenden Kühlmittels, (T_{Coolant_In}), unter Verwenden der dritten Temperaturvorrichtung 86 (410).
Die Öltemperatur und die Ansauglufttemperatur werden unter Verwenden der vierten und fünften Temperaturvorrichtung 88 bzw. 89 (420) überwacht, um zu ermitteln, ob ein Kaltstart an dem Motor 10 ausgeführt wurde. Wenn ein Kaltstart ausgeführt wurde, ordnet das Steuermodul 5 einen ersten Betriebsmodus (421) an. Wenn kein Kaltstart ausgeführt wurde, ermittelt das Steuermodul 5, ob der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung (η_egr) der thermoelektrischen Vorrichtung kleiner als ein vorbestimmter Wert ist (430). Wenn der Wert des Kühlungswirkungsgrads der thermoelektrischen Vorrichtung kleiner als der vorbestimmte Wert ist, ordnet das Steuermodul 5 einen zweiten Betriebsmodus an (431). Wenn der Wert des Kühlungswirkungsgrads der thermoelektrischen Vorrichtung nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist, ermittelt das Steuermodul 5 beruhend auf bekannten Eigenschaften von Verbrennung und Drehzahl/Last-Anforderungen des Motors 10, ob eine niedrigere Ansauglufttemperatur erwünscht ist (440). Wenn eine niedrigere Ansaugluftfüllungstemperatur erwünscht ist, ordnet das Steuermodul 5 einen dritten Betriebsmodus (441) an. Wenn der rückgeführte Abgaszustrom nicht von dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 erwärmt oder gekühlt werden muss, ordnet das Steuermodul 5 einen vierten Betriebsmodus an (450).
Der erste Betriebsmodus (421) umfasst das Betreiben des thermoelektrischen Wärmetauschers 50, um den Motor 10 nach einem Kaltstart zu erwärmen. Es kann eines von mehreren Verfahren genutzt werden, um durch Überwachen des Motorbetriebs zu ermitteln, ob ein Kaltstart an dem Motor 10 ausgeführt wurde (420). In einer Ausführungsform ist ein Kaltstart als Motorstart definiert, bei dem mindestens zutrifft: die Ansauglufttemperatur ist niedriger als eine erste vorbestimmte Temperatur und die Motoröltemperatur ist niedriger als eine zweite vorbestimmte Temperatur. In einer zweiten Ausführungsform ist ein Kaltstart als Motorstart definiert, der nach Arbeiten des Motors 10 über einen vorbestimmten Zeitraum in einem Motorabschaltungsbetriebszustand erfolgt. Wenn sich zum Beispiel der Motor 10 einen vorbestimmten Zeitraum lang in einem Motorabschaltungszustand befindet, wird ein folgender Motorstart als Motorkaltstart bezeichnet.
Der erste Betriebsmodus (421) umfasst das Übertragen von elektrischer Energie auf den thermoelektrischen Wärmetauscher 50, um den Motor 10 nach einem Motorkaltstart zu erwärmen. Die Energiesteuereinheit 6 überträgt Energie von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie auf den thermoelektrischen Wärmetauscher 50, um den rückgeführten Abgaszustrom zu erwärmen. Der rückgeführte Abgasstrom überträgt anschließend Wärmeenergie auf den Motor 10. Das Erwärmen wird bevorzugt nach Verstreichen eines vorbestimmten Zeitraums nach einem Motorstart, z. B. 30 Sekunden, ausgelöst. Die von dem rückgeführten Abgaszustrom übertragene Wärme beschleunigt das Motoraufwärmen und reduziert dadurch Motorrohemissionen, z. B. Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid.
Der zweite Betriebsmodus (431) umfasst das Betreiben des thermoelektrischen Wärmetauschers 50, um den Aufbau von Verbrennungsnebenproduktablagerung in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 zu verringern. Der rückgeführte Abgaszustrom enthält Nebenprodukte der Verbrennung, einschließlich Partikelmaterial (PM) und andere Verbrennungsnebenprodukte. Durchlässe in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 können als Filter für die Verbrennungsnebenprodukte dienen, die Partikelablagerungen auf den Oberflächen in den Durchlässen sammeln. Die Partikelablagerungen können in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 nachteilige Wirkungen verursachen, einschließlich Korrosion, erhöhten Strömungswiderstand, Strömungsblockierung, Verringerung von Wärmeübertragungsvermögen, Geräusch und/oder Vibrationen. Der Aufbau von Verbrennungsnebenproduktablagerung wird durch Verwenden des thermoelektrischen Wärmetauschers 50 zum Erwärmen des rückgeführten Abgaszustroms auf eine vorbestimmte Temperatur, z. B. 600°C, verringert. Das Erwärmen des rückgeführten Abgaszustroms auf eine vorbestimmte Temperatur brennt den Aufbau von Verbrennungsnebenproduktablagerung in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 ab, wodurch eine Verschmutzung in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 verringert wird. Bevorzugt ist die vorbestimmte Temperatur hoch genug, um eine ungleichmäßige Verteilung von Wärme auszugleichen, die in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 bestehen kann.
Der zweite Betriebsmodus wird ausgeführt, wenn ein Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung (η_egr) geringer als ein vorbestimmter Wert ist (430). Der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung wird beruhend auf der Temperatur des rückgeführten Abgasstroms in den thermoelektrischen Wärmetauscher 50, (T_{EGR_IN}), der Temperatur des rückgeführten Abgasstroms aus dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50, (T_{EGR_OUT}), und der Temperatur des in den thermoelektrischen Wärmetauscher 50 strömenden Kühlmittels, (T_{Coolant_In}), ermittelt. Der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung (η_egr) kann unter Verwenden der folgenden Gleichung ermittelt werden:
Der zweite Betriebsmodus (431) umfasst das Erwärmen des rückgeführten Abgaszustroms auf eine vorbestimmte Temperatur durch Zuführen von elektrischer Energie von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie zu dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50. Die Energiesteuereinheit 6 liefert elektrischen Strom von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie, um eine Wärmeenergieübertragung von dem Kühlmittel zu dem rückgeführten Abgaszustrom zu bewirken, wodurch die Temperatur des rückgeführten Abgaszustroms erhöht wird. Die erhöhte Temperatur des rückgeführten Abgaszustroms in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 brennt das abgelagerte Verbrennungsnebenprodukt ab.
Der dritte Betriebsmodus (441) umfasst das Betreiben des thermoelektrischen Wärmetauschers 50, um dem rückgeführten Abgaszustrom Wärmeenergie zu entziehen, um Verbrennungstemperaturen zu senken. Das Steuermodul 5 führt den dritten Betriebsmodus nach dem Ermitteln aus, dass eine bevorzugte Ansauglufttemperatur durch Senken von Temperatur des rückgeführten Abgases erreicht werden kann (440). Eine bevorzugte Ansauglufttemperatur wird unter Verwenden von Motorsteueralgorithmen ermittelt, die für eine bestimmte Hardware-Anwendung kalibriert sind. Die Verfahren zum Ermitteln einer bevorzugten Ansauglufttemperatur sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und liegen außerhalb des Schutzumfangs dieser Anmeldung.
Der dritte Betriebsmodus (441) umfasst das Liefern von elektrischer Energie zu dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50. Die Energiesteuereinheit 6 liefert elektrischen Strom von der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie, um eine Wärmeenergieübertragung von dem rückgeführten Abgaszustrom zu dem Kühlmittel zu bewirken. Der Fluss von elektrischem Strom zu dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 ist verglichen mit dem ersten und zweiten Betriebsmodus umgekehrt. Die umgekehrte Richtung des elektrischen Stroms erzeugt ein umgekehrtes elektrisches Potential, das eine Übertragung von Wärmeenergie von dem rückgeführten Abgaszustrom zu dem Kühlmittel fördert. Vorteile des Kühlens des rückgeführten Abgaszustroms sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und umfassen das Reduzieren von Motorrohemissionen und NOx-Emissionen während Motorbetrieb und bei Dieselanwendungen das Steigern des Wirkungsgrads von Dieselverbrennung bei niedriger Temperatur.
Der vierte Betriebsmodus (450) umfasst das Betreiben des thermoelektrischen Wärmetauschers 50, um durch Umwandeln von elektrischer Energie aus dem rückgeführten Abgaszustrom in elektrische Energie elektrische Energie zu erzeugen. Der vierte Betriebsmodus kann als Standardbetriebsmodus charakterisiert sein. Der vierte Betriebsmodus wird zum Beispiel ausgeführt, wenn kein anderer Betriebsmodus ausgeführt wird.
Der vierte Betriebsmodus (450) umfasst das Rückführen eines Teils des Abgaszustroms in den Strömungsdurchlass 90 für rückgeführtes Abgas und das Strömenlassen von Kühlmittel durch den Kühlmittelströmungsdurchlass 91. Das rückgeführte Abgas ist mit der zweiten Seite 73 der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 thermisch verbunden, und das Kühlmittel ist mit der ersten Seite 71 der thermoelektrischen Halbleiterschicht 70 in dem thermoelektrischen Wärmetauscher 50 thermisch verbunden. Der Temperaturunterschied zwischen der ersten und zweiten Seite 71 und 73 erzeugt eine elektromotorische Kraft, die ein elektrisches Potential ergibt. Das elektrische Potential erzeugt einen elektrischen Strom, der zur Nutzung als elektrische Leistung zu der Speichervorrichtung 55 für elektrische Energie übertragen wird. Bei einer Hybridfahrzeuganwendung kann die erzeugte elektrische Leistung verwendet werden, um gespeicherte elektrische Leistung oder von einem Stromgenerator erzeugte elektrische Leistung zu aufzustocken.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen derselben beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können für Dritte bei Lesen und Verstehen der Beschreibung nahe liegen. Daher soll die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt sein, die als die beste in Betracht gezogene Art zum Ausführen dieser Offenbarung offenbart ist, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren für Wärmeenergiemanagement in einem Verbrennungsmotor, der ein Abgasrückführungssystem und ein Motorkühlungssystem umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Rückführen eines Teils eines Abgases durch das Abgasrückführungssystem, das mit einer ersten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung in Wärmeverbindung steht; Strömenlassen eines Motorkühlmittels in Wärmeverbindung mit einer zweiten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung; und Steuern von elektrischem Strom zwischen einer Speichervorrichtung für elektrische Energie und der thermoelektrischen Vorrichtung, um Wärmeenergie zwischen dem rückgeführten Abgas und dem Motorkühlmittel zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Steuern des elektrischen Stroms, um nach einem Motorkaltstartvorgang eine Wärmeenergieübertragung von dem Motorkühlmittel auf das rückgeführte Abgas zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 2, welches nach einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Motorkaltstartvorgang das Liefern des elektrischen Stroms von der Speichervorrichtung für elektrische Energie zu der thermoelektrischen Vorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Motorkaltstartvorgang einen Motorstart umfasst, der nach einem einen vorbestimmten Zeitraum dauernden Motorabschaltungszustand erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Überwachen eines Kühlungswirkungsgrads der thermoelektrischen Vorrichtung der thermoelektrischen Vorrichtung; Steuern des elektrischen Stroms, um eine Wärmeenergieübertragung von dem Motorkühlmittel auf das rückgeführte Abgas zu bewirken, wenn der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung der thermoelektrischen Vorrichtung kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Steuern des elektrischen Stroms, um die Wärmeenergieübertragung von dem Motorkühlmittel auf das rückgeführte Abgas zu bewirken, bis das rückgeführte Abgas einen vorbestimmten Zeitraum lang eine vorbestimmte Temperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin umfassend: Steuern des elektrischen Stroms, um die Wärmeenergieübertragung von dem Motorkühlmittel auf das rückgeführte Abgas zu bewirken, bis der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung einen vorbestimmten Wert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Steuern des elektrischen Stroms zwischen der Speichervorrichtung für elektrische Energie und der thermoelektrischen Vorrichtung, um zwischen dem rückgeführten Abgas und dem Motorkühlmittel Wärmeenergie zu übertragen, um den Aufbau von Verbrennungsnebenproduktablagerung in der thermoelektrischen Vorrichtung zu verringern, wenn der Kühlungswirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Steuern von elektrischem Strom zwischen einer Speichervorrichtung für elektrische Energie und der thermoelektrischen Vorrichtung, um Wärmeenergie zwischen dem rückgeführten Abgas und dem Motorkühlmittel zu übertragen, um dem rückgeführten Abgas Wärme zu entziehen.
Verfahren für Wärmeenergiemanagement in einem Verbrennungsmotor, der ein Abgasrückführungssystem zum Rückführen von Abgas des Motors zu einem Lufteinlass des Motors umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Rückführen eines Teils eines Abgases durch das Abgasrückführungssystem, das mit einer ersten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung in Wärmeverbindung steht; Strömenlassen eines Motorkühlmittels in Wärmeverbindung mit einer zweiten Seite einer thermoelektrischen Vorrichtung; Liefern von elektrischem Strom von der Speichervorrichtung für elektrische Energie zu der thermoelektrischen Vorrichtung nach einem Motorkaltstart über vorbestimmten Zeitraum; Liefern von elektrischem Strom von der Speichervorrichtung für elektrische Energie zu der thermoelektrischen Vorrichtung, bis das rückgeführte Abgas eine vorbestimmte Temperatur erreicht; Liefern von elektrischem Strom von der Speichervorrichtung für elektrische Energie zu der thermoelektrischen Vorrichtung, um das rückgeführte Abgas nach dem Ermitteln, dass eine bevorzugte Motoransaugluftemperatur durch Senken der Temperatur des rückgeführten Abgases erreicht werden kann, zu kühlen; und Umwandeln von Wärmeenergie des rückgeführten Abgases in elektrische Energie.