DE102011109147A1

DE102011109147A1 - Hybridantriebsstrangsystem mit einer Brennkraftmaschine und einer Stirlingmaschine

Info

Publication number: DE102011109147A1
Application number: DE102011109147A
Authority: DE
Inventors: John Patrick Spicer; Kerem Koprubasi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: CN102383903B; US20120031079A1; CN102383903A; US8726661B2; DE102011109147B4

Abstract

Ein Abgasnachbehandlungssystem zum Behandeln eines Abgas-Zufuhrstroms einer Brennkraftmaschine umfasst einen katalytischen Konverter, einen Fluidkreis und eine Stirlingmaschine. Die Stirlingmaschine ist ausgestaltet, um Wärmeenergie von einem Arbeitsfluid-Wärmetauscher in mechanische Leistung umzuwandeln, die auf einen Elektromotor/Generator übertragbar ist, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die Stirlingmaschine ist ausgestaltet, um mechanische Leistung von dem Elektromotor/Generator in Wärmeenergie umzuwandeln, die auf den Arbeitsfluid-Wärmetauscher übertragbar ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Hybridantriebsstrangsysteme, die Brennkraftmaschinen umfassen.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt liefern lediglich Hintergrundinformationen, die mit der vorliegenden Offenbarung in Beziehung stehen, und brauchen keinen Stand der Technik zu bilden.
Hybridantriebsstrangsysteme wenden Brennkraftmaschinen und andere nicht auf Verbrennung beruhende Drehmomentmaschinen an, um Traktionsdrehmoment zum Antreiben eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Die nicht auf Verbrennung beruhenden Drehmomentmaschinen verwenden nicht auf Kraftstoff beruhende Leistungsquellen, z. B. Hochspannungsbatterien. Eine Antriebsstrang-Betriebsstrategie umfasst das Betreiben des Antriebsstrangs allein unter Verwendung der nicht auf Verbrennung beruhenden Drehmomentmaschine, um das Traktionsdrehmoment zur Verfügung zu stellen. Dies umfasst das Betreiben des Antriebsstrangs bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine. Dies kann das automatische Ausschalten der Brennkraftmaschine während des andauernden Antriebsstrangbetriebs umfassen. Dies kann das Betreiben des Hybridantriebsstrangs bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine umfassen, wobei die Brennkraftmaschine nur dann gestartet wird, wenn die verfügbare Leistung von der nicht auf Kraftstoff beruhenden Leistungsquelle geringer als ein Schwellenwert ist.
Brennkraftmaschinen erzeugen Wärme und Abgase als Nebenprodukte der Verbrennung. Bekannte Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen katalytische Materialien, die mit den Abgasen bei Temperaturen reagieren, die höher als die Umgebungstemperatur sind, um die Bestandteile vor ihrer Freigabe in die Atmosphäre zu inerten Gasen zu oxidieren oder zu reduzieren. Ein Teil der von der Kraftmaschine erzeugten Wärme wird auf die Abgasnachbehandlungseinrichtungen übertragen und ein Teil geht in die Atmosphäre verloren. Es ist bekannt, dass eine Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Schwellentemperatur erreichen muss, um Abgasbestandteile effektiv zu katalysieren, zu filtern, zu adsorbieren, zu desorbieren oder auf andere Weise zu behandeln. Eine Schwellentemperatur wird als eine Zündtemperatur bezeichnet, was anzeigt, dass exotherme Reaktionen in der Abgasnachbehandlungseinrichtung auftreten. Es ist bekannt, dass Kraftmaschinenabgasemissionen vor dem Zünden in einer Abgasnachbehandlungseinrichtung höher sind. Es ist bevorzugt, die Zeit bis zum Zünden einer Abgasnachbehandlungseinrichtung im Anschluss an das Starten einer Brennkraftmaschine zu verringern, um Kraftmaschinen-Abgasemissionen zu verringern.
Bekannte Wärmekraftmaschinen, die Kraftmaschinen mit Stirling-Zyklus umfassen, sind Energie zurückgewinnende Einrichtungen mit geschlossenem Zyklus, die durch zyklisches Komprimieren und Expandieren einer festen Menge eines Arbeitsfluids unter Verwendung von Temperaturdifferenzen Wärme in mechanische Arbeit umwandeln.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Abgasnachbehandlungssystem zum Behandeln eines Abgaszufuhrstroms einer Brennkraftmaschine umfasst einen katalytischen Konverter, einen Fluidkreis und eine Stirlingmaschine. Der Fluidkreis umfasst einen Arbeitsfluid-Wärmetauscher mit einer ersten Wärmeübertragungs-Oberfläche in Fluidkontakt mit dem Abgaszufuhrstrom und einer zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche. Der Fluidkreis enthält ein Arbeitsfluid in Kontakt mit der zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche. Die Stirlingmaschine ist eine Energie zurückgewinnende Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Zyklus, die eine heiße Seite, eine kalte Seite und ein Ausgangselement umfasst. Die heiße Seite ist fluidtechnisch mit dem das Arbeitsfluid enthaltenden Fluidkreis verbunden, und das Ausgangselement ist mechanisch mit einem Elektromotor/Generator gekoppelt. Die Stirlingmaschine ist ausgestaltet, um Wärmeenergie von dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher in mechanische Leistung umzuwandeln, die auf den Elektromotor/Generator übertragbar ist, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die Stirlingmaschine ist ausgestaltet, um mechanische Leistung von dem Elektromotor/Generator in Wärmeenergie umzuwandeln, die auf den Arbeitsfluid-Wärmetauscher übertragbar ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch ein Fahrzeug, das ein Steuersystem, ein Hybridantriebsstrangsystem und einen Endantrieb umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 einschließlich 2b schematisch einen Arbeitsfluid-Wärmetauscher, der in ein Abgasnachbehandlungssystem integriert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen; und
3 schematisch einen Arbeitsfluidkreis, der mehrere Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanäle umfasst, die fluidtechnisch mit der Stirlingmaschine durch Einlass- und Rückkehrverteiler gekoppelt sind, gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die Darstellungen nur zu dem Zweck dienen, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen zu veranschaulichen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, zeigt 1 schematisch ein Fahrzeug 100, das ein Steuersystem 10, ein Hybridantriebsstrangsystem 20 und einen Endantrieb 60 umfasst. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Elemente in der Beschreibung. Das Hybridantriebsstrangsystem 20 umfasst eine Brennkraftmaschine 40, nachstehend als Kraftmaschine 40 bezeichnet, und eine Drehmomentmaschine/Drehmomentmaschinen 30, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 35 gekoppelt ist/sind.
Die Kraftmaschine 40 ist bevorzugt eine Mehrzylinder-Kraftstoffeinspritzungs-Brennkraftmaschine, die Kraftstoff durch einen Verbrennungsprozess in mechanische Leistung umwandelt. Die Kraftmaschine 40 ist mit mehreren Aktuatoren und Erfassungseinrichtungen ausgestattet, um den Betrieb zu überwachen und Kraftstoff abzugeben, um als Reaktion auf eine Bedienerdrehmomentanforderung eine Verbrennungsladung zum Erzeugen von Drehmoment zu bilden. In einer Ausführungsform ist die Kraftmaschine 40 ausgestaltet, um als Fremdzündungs-Kraftmaschine zu arbeiten, wobei die Zeiten der Verbrennung und das zugehörige Kraftmaschinendrehmoment durch Verstellen der Funkenzündzeiten nach früh oder nach spät gesteuert werden. Alternativ ist die Kraftmaschine 40 ausgestaltet, um als Kompressionszündungs-Kraftmaschine zu arbeiten, wobei die Zeiten der Verbrennung und das zugehörige Kraftmaschinendrehmoment durch Verstellen der Zeiten der Kraftstoffeinspritzereignisse nach früh oder nach spät gesteuert werden. Es ist festzustellen, dass es bevorzugte Verbrennungszeiten gibt, die zu dem Kraftmaschinenbetrieb gehören, welche einem Punkt der besten Kraftstoffwirtschaftlichkeit für einen Kraftmaschinen-Arbeitspunkt entsprechen. In einer Ausführungsform wird dieser Punkt der besten Kraftstoffwirtschaftlichkeit als Punkt des mittleren besten Drehmoments (MBT von mean-best torque) bezeichnet.
Eine Hochspannungsbatterie (HV-BATT) 25 speichert potenzielle elektrische Energie und ist elektrisch über einen Umrichter (UM) 27 mit der Drehmomentmaschine/den Drehmomentmaschinen 30 verbunden, um elektrische Leistung dazwischen zu übertragen. Es ist festzustellen, dass die Hochspannungsbatterie 25 eine elektrische Energiespeichereinrichtung ist, die mehrere elektrische Zellen, Ultrakondensatoren und andere Einrichtungen umfassen kann, die ausgestaltet sind, um elektrische Energie im Fahrzeug zu speichern. Eine beispielhafte Hochspannungsbatterie 25 umfasst mehrere Lithium-Ionen-Zellen. Parametrische Zustände, die der Hochspannungsbatterie 25 zugeordnet sind, umfassen einen Ladezustand, Temperatur, verfügbare Spannung und verfügbare Batterieleistung, die von dem Steuersystem 10 überwacht werden. Es ist festzustellen, dass die Batterieleistung vermittels eines Parameters gemessen wird, der regelmäßig überwacht werden kann, z. B. eines Ladezustands (SOC von state of charge) oder eines anderen geeigneten Parameters.
Die Drehmomentmaschine/Drehmomentmaschinen 30 umfassen bevorzugt Mehrphasen-Elektromotoren/Generatoren, die mit dem Umrichter 27 elektrisch verbunden sind. Die Drehmomentmaschine/die Drehmomentmaschinen 30 wirkt/wirken mit dem Umrichter 27 zusammen, um gespeicherte elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 25 in mechanische Leistung umzuwandeln, und mechanische Leistung in elektrische Energie umzuwandeln, die in der Hochspannungsbatterie 25 gespeichert werden kann.
Mechanische Leistung, die von der Kraftmaschine 40 ausgeht, kann über ein Eingangselement 22 und das Hybridgetriebe 35 auf das Ausgangselement 62 und die Drehmomentmaschine/Drehmomentmaschinen 30 übertragen werden. Betriebsparameter, die derartiger Eingangsleistung von der Kraftmaschine 40 zugeordnet sind, umfassen Kraftmaschinendrehmoment T_e und Kraftmaschinendrehzahl N_e.
Mechanische Leistung, die von der Drehmomentmaschine/den Drehmomentmaschinen 30 ausgeht, kann über das Hybridgetriebe 35 auf das Ausgangselement 62 und die Kraftmaschine 40 übertragen werden. Betriebsparameter, die derartiger mechanischer Leistungsübertragung zugeordnet sind, umfassen Motordrehmoment T_m und Motordrehzahl N_m. Mechanische Leistung kann zwischen dem Hybridgetriebe 35 und dem Endantrieb 60 über das Ausgangselement 62 übertragen werden. Betriebsparameter, die derartiger mechanischer Leistungsübertragung zugeordnet sind, umfassen Ausgangsvolumen T_o und Ausgangsdrehzahl N_o.
Der Endantrieb 60 kann in einer Ausführungsform eine Differenzialzahnradeinrichtung 65 umfassen, die mechanisch mit einer Achse 64 oder Halbwelle gekoppelt ist, die mechanisch mit einem Rad 66 gekoppelt ist. Die Differenzialzahnradeinrichtung 65 ist mit dem Ausgangselement 62 des Hybridantriebsstrangsystems 20 gekoppelt und überträgt Ausgangsleistung dazwischen. Der Endantrieb 60 überträgt Zugleistung zwischen dem Hybridgetriebe 35 und einem Straßenbelag.
Das Steuersystem 10 umfasst ein Steuermodul 12, das signaltechnisch mit einer Bedienerschnittstelle 14 verbunden ist. Das Steuermodul 12 umfasst eine elektrische Niederspannungs-Stromversorgung, um geregelte elektrische Leistung dorthin zu liefern. Es ist festzustellen, dass es eine Vielzahl von Mensch/Maschine-Schnittstelleneinrichtungen geben kann, durch die der Fahrzeugbediener die Arbeit des Fahrzeugs 100 anweist, die z. B. einen Zündschalter umfassen, um es einem Bediener zu ermöglichen, die Kraftmaschine 40 anzulassen und zu starten, ein Gaspedal, ein Bremspedal und eine Getriebebereichswähleinrichtung (PRNDL). Obwohl das Steuermodul 12 und die Bedienerschnittstelle 14 als einzelne diskrete Elemente gezeigt sind, dient eine derartige Darstellung zur Erleichterung der Beschreibung. Es ist festzustellen, dass die Funktionen, die so beschrieben sind, dass sie von dem Steuermodul 12 durchgeführt werden, zu einer oder mehreren Einrichtungen kombiniert sein können, z. B. in Software, Hardware und/oder als anwendungsspezifische, integrierte Schaltung (ASIC) und ergänzenden Schaltkreisen implementiert sein können, die von dem Steuermodul 12 getrennt und unterschiedlich sind. Es ist festzustellen, dass eine Informationsübertragung zu und von dem Steuermodul 12 unter Verwendung von einer oder mehreren Kommunikationsstrecken, z. B. einem Kommunikationsbus 18, bewerkstelligt werden kann, der eine oder mehrere von einer direkten Verbindung, einem Bus eines lokalen Netzes und einem Bus einer seriellen peripheren Schnittstelle umfassen kann.
Das Steuermodul 12 ist bevorzugt signaltechnisch und funktional mit einzelnen Elementen des Hybridantriebsstrangsystems 20 über den Kommunikationsbus 18 verbunden. Das Steuermodul 12 ist signaltechnisch mit den Erfassungseinrichtungen von einem jedem von der Hochspannungsbatterie 25, der Drehmomentmaschine/den Drehmomentmaschinen 30, der Kraftmaschine 40 und dem Hybridgetriebe 35 verbunden, um den Betrieb zu überwachen und parametrische Zustände davon zu ermitteln.
Das Steuermodul 12 führt Steuerschemata aus, um den Betrieb der Kraftmaschine 40 zu steuern, koordiniert mit einer Steuerung des Gesamtbetriebes des Hybridantriebsstrangsystems 20, um die Übertragung von mechanischer Leistung auf den Endantrieb 60 zu verwalten und den elektrischen Stromfluss zu der Hochspannungsbatterie 25 zu verwalten. Derartige Steuerschemata umfassen das Ausbalancieren des Betriebs der Kraftmaschine 40 mit den zulässigen zu der Hochspannungsbatterie 25 gehörenden Batterieleistungsgrenzen, während an dem Endantrieb 60 ein Ausgangsdrehmoment in Reaktion auf eine Bedienerdrehmomentanforderung erreicht wird. Dies umfasst das Steuern des Betriebes der Kraftmaschine 40, um eine bevorzugte Kraftmaschinendrehzahl zu erreichen, die einer Spitze oder einer anderen bevorzugten Fähigkeit zugeordnet ist.
Die Kraftmaschine 40 umfasst ein Abgassystem, das Kraftmaschinenabgas zu einem Abgasnachbehandlungssystem 42 mitführt und kanalisiert. Es ist festzustellen, dass das Abgasnachbehandlungssystem 42 ausgestaltet ist, um Abgasbestandteile in Anwesenheit von einem oder mehreren darin enthaltenen katalytischen Elementen in inerte Gase umzuwandeln, die in die Atmosphäre ausgestoßen werden.
Das Abgasnachbehandlungssystem 42 umfasst einen oder mehrere katalytische Konverter 46 und einen Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70. Der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 umfasst eine Wärmeübertragungs-Oberfläche, die mit dem Abgaszufuhrstrom in Kontakt steht und diesem ausgesetzt ist. Der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 umfasst eine zweite Wärmeübertragungs-Oberfläche, die Teil eines Arbeitsfluidkreises 52 einer Stirlingmaschine 50 ist und ein Arbeitsfluid enthält. Das Arbeitsfluid kann z. B. Helium, Wasserstoff oder ein anderes geeignetes gasförmiges Fluid umfassen, das hohe Wärmeübertragungseigenschaften aufweist. Es ist festzustellen, dass die Wärmeübertragung in der Form von leitender, konvektiver und strahlender Wärmeübertragung abhängig von der besonderen Anwendung erfolgen kann. Es ist festzustellen, dass ein Fachmann bekannte Wärmeübertragungsgleichungen anwenden kann, um den Betrag an Wärmeübertragung entsprechend der besonderen Anwendung und zu dieser gehörenden Faktoren zu ermitteln.
Der Arbeitsfluidkreis 52 umfasst einen Einlasswärmeaustausch-Strömungskanal 52A, der fluidtechnisch mit dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 verbunden ist und fluidtechnisch mit einem Auslasswärmeaustausch-Strömungskanal 52B verbunden ist. Wie es gezeigt ist, umfasst das Abgasnachbehandlungssystem 42 einen einzigen Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70, der in den Abgaszufuhrstrom oberstromig des katalytischen Konverters/der katalytischen Konverter 46 angeordnet ist. Alternativ kann der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70' in das Abgasnachbehandlungssystem 42 als einer von dem katalytischen Konverter/den katalytischen Konvertern 46 integriert sein, wie es in 2 gezeigt ist. Der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 ist als oberstromig von dem katalytischen Konverter/den katalytischen Konvertern 46 in 1 gezeigt. Es ist festzustellen, dass der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 in dem Abgaszufuhrstrom unterstromig von dem ersten von dem katalytischen Konverter/den katalytischen Konvertern 46 und oberstromig von einem zweiten von dem katalytischen Konverter/den katalytischen Konvertern oder weiteren folgenden katalytischen Konverter(n) angeordnet sein kann. Ein Fachmann kann andere geeignete Ausgestaltungen des Abgasnachbehandlungssystems 42 erdenken, die den Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 und einen oder mehrere katalytische Wandler 46 umfassen.
2 zeigt eine Ausführungsform eines katalytischen Konverters 46', der den Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 umfasst, der darin als Wärmetauscher 70' vom Plattentyp integriert ist, welcher eine erste und zweite Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 bzw. 77 aufweist. Die erste Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 bildet ein Substrat, das mit einem Washcoat 75 beschichtet sein kann, der in von 2B im Detail gezeigt ist. Der Wärmetauscher vom Plattentyp 70' umfasst einen Einlassverteiler 71, der fluidtechnisch mit dem Einlasswärmeaustausch-Strömungskanal 52A des Arbeitsfluidkreises 52 der Stirlingmaschine 50 verbunden ist, und einen Auslassverteiler 72, der fluidtechnisch mit dem Abgaswärmeaustausch-Strömungskanal 52B des Arbeitsfluidkreises 52 der Stirlingmaschine 50 verbunden ist. Der Wärmetauscher vom Plattentyp 70' umfasst eine Mehrzahl hohler Platten 73, die darin angeordnet sind und bevorzugt derart orientiert sind, dass ihre planaren Oberflächen parallel zu einem Durchflussstrom des Abgaszufuhrstroms liegen. Jede der hohlen Platten 73 weist eine erste und zweite Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 bzw. 77 auf. Die hohlen Platten 73 sind fluidtechnisch parallel zwischen dem Einlassverteiler 71 und dem Auslassverteiler 72 geschaltet, und das Arbeitsfluid strömt dort hindurch, wobei es mit der zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche 77 in Kontakt ist. Die erste Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 ist dem Abgaszufuhrstrom ausgesetzt. Die erste Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 des Arbeitsfluid-Wärmetauschers 70 ist mit einem Washcoat 75 beschichtet, der bevorzugt ein ausgewähltes katalytisches Material umfasst. In einer Ausführungsform umfasst das ausgewählte katalytische Material des Washcoats 75 Platin, um Oxidationsreaktionen in dem Abgaszufuhrstrom zu erreichen. Andere geeignete katalytische Materialien können abhängig von den Besonderheiten der Antriebsstranganwendung und des Abgaszufuhrstroms verwendet werden.
1 zeigt weiter ein optionales zusätzliches Luftgebläse 48, das ausgestaltet ist, um Umgebungsluft in den Abgaszufuhrstrom oberstromig des Arbeitsfluid-Wärmetauschers 70 und des katalytischen Konverters/der katalytischen Konverter 46 zu pumpen. Das Steuermodul 12 ist mit dem zusätzlichen Luftgebläse 48 verbunden, um dessen Betrieb zu steuern. Das optionale zusätzliche Luftgebläse 48 ist unnötig, wenn der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 in den katalytischen Konverter/die katalytischen Konverter 46 integriert ist, wobei die erste Wärmeübertragungs-Oberfläche 76 des Arbeitsfluid-Wärmetauschers 70 einen Washcoat 75 aufweist, der katalytisches Material umfasst, wie es vorstehend anhand von 2 beschrieben wurde.
Der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70, der in den Abgaszufuhrstrom oberstromig des katalytischen Konverters/der katalytischen Konverter 46 eingesetzt ist, ist ausgestaltet, um Wärme zwischen dem Abgaszufuhrstrom und dem dort hindurch zirkulierenden Arbeitsfluid zu übertragen. Es ist festzustellen, dass die Richtung der Wärmeübertragung, d. h. von dem Abgaszufuhrstrom zu dem zirkulierenden Arbeitsfluid oder von dem zirkulierenden Arbeitsfluid zu dem Abgaszufuhrstrom von der Temperaturdifferenz zwischen dem Abgaszufuhrstrom und dem zirkulierenden Arbeitsfluid abhängt.
Die Kraftmaschine 40 umfasst ein Fluidkühlsystem, das einen Kühler 41 enthält, der eine Luft/F1uid-Wärmeaustauschfähigkeit bereitstellt. Der Kühler 41 ist fluidtechnisch mit Kühlkreisen in der Kraftmaschine 40 verbunden. Der Kühler 41 ist auch fluidtechnisch mit einem Wärmetauscher 56 verbunden, der thermisch mit einer kalten Seite 53 der Stirlingmaschine 50, vorzugsweise über einen zusätzlichen Kühlkreis 43, verbunden ist.
Die Stirlingmaschine 50 ist eine Energie zurückgewinnende Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Zyklus, die eine heiße Seite 51 mit einem Expansionszylinder und einem Arbeitskolben und die kalte Seite 53 mit einem Kompressionszylinder und einem Verdrängerkolben umfasst. Eine feste Menge des Arbeitsfluids ist permanent innerhalb der heißen Seite 51 und des Arbeitsfluidkreises 52 enthalten. Die heiße Seite 51 der Stirlingmaschine 50 ist fluidtechnisch mit den Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanälen 52A und 52B des Arbeitsfluidkreises 52, der den Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 enthält, verbunden und lässt das Arbeitsfluid dort hindurch zirkulieren. Die kalte Seite 53 der Stirlingmaschine 50 ist thermisch mit dem zusätzlichen Kühlkreis 43 unter Verwendung des Wärmetauschers 56 verbunden. Eine bevorzugte Ausgestaltung für die Stirlingmaschine 50 umfasst vorzugsweise eine Stirlingmaschine vom Beta-Typ. Alternativ kann eine Stirlingmaschine vom Alpha-Typ und eine Stirlingmaschine vom Gamma-Typ geeigneterweise angewandt werden.
Das Ausgangselement 58 der Stirlingmaschine 50 umfasst eine rotierbare oder lineare Welle, die mechanisch mit einem Elektromotor/Generator 80 gekoppelt ist. Der Elektromotor/Generator 80 ist in einer Ausführungsform ein asynchroner Induktionsmotor, der ausgestaltet ist, um mit einem relativ niedrigen Spannungspegel, z. B. 20 V, zu arbeiten. Ein alternativer Elektromotor/Generator 80 ist ein Mehrphasen-Synchronmotor, der ausgestaltet ist, um mit einem relativ höheren Spannungspegel zu arbeiten. Der Elektromotor/Generator 80 ist elektrisch mit einem elektrischen Stromumrichtermodul 82 verbunden, um elektrische Leistung bzw. elektrischen Strom umzuwandeln und zu übertragen. Das elektrische Stromumrichtermodul 82 ist elektrisch über einen elektrischen Leistungsbus 84 mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden. In einer Ausführungsform ist der elektrische Leistungsbus 84 ein Niederspannungsbus, der mit einer Batterie verbunden ist. In einer Ausführungsform ist der elektrische Leistungsbus 84 mit der Hochspannungsbatterie 25, z. B. über einem DC/DC-Transformator, verbunden. Das elektrische Stromumrichtermodul 82 ist in einer Ausführungsform signaltechnisch mit dem Steuersystem 10 über den Kommunikationsbus 18 verbunden.
Die Stirlingmaschine 50 wandelt von außen zugeführte Wärmeenergie, z. B. von dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70, der in dem Abgaszufuhrstrom angeordnet ist, in mechanische Arbeit um, die an das Ausgangselement 58 ausgegeben wird, indem das Arbeitsfluid wiederholt durch eine Kompression-Wärmeausdehnung-Kühlungs-Folge zirkulieren gelassen wird. Der Betrag an mechanischer Arbeit, der von der Stirlingmaschine 50 abgegeben wird, entspricht einer Temperaturdifferenz zwischen dem Expansionszylinder auf der heißen Seite 51 und dem Kompressionszylinder auf der kalten Seite 53. Die Stirlingmaschine 50 kann auch als eine Wärmepumpe arbeiten, indem mechanische Kraft auf das Ausgangselement 58 aufgebracht wird, um den Expansionszylinder und den Kompressionszylinder anzutreiben, wodurch auf der heißen Seite 51 der Stirlingmaschine 50 Wärme erzeugt wird, die auf das Arbeitsfluid zum Zirkulieren in dem Arbeitsfluidkreis 52 zu dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 übertragen werden kann.
Das vorstehend erwähnte System kann gesteuert werden, um in einem elektrischen Stromerzeugungsmodus und einem Wärmepumpenmodus zu arbeiten.
Der Betrieb in dem elektrischen Stromerzeugungsmodus ist wie folgt. Während des Betriebes der Kraftmaschine 40 kann der Abgaszufuhrstrom auf einer Temperatur sein, die 450°C oder höher ist, wobei die Umgebungstemperatur niedriger als 50°C ist, wobei ein Teil der Wärme, die in dem Abgaszufuhrstrom enthalten ist, als Abwärme in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Die Stirlingmaschine 50 gewinnt einen Teil der Abwärme in dem Abgaszufuhrstrom unter Verwendung des Arbeitsfluid-Wärmetauschers 70 zurück, die sie in mechanische Arbeit umwandelt, um elektrischen Strom zu erzeugen, wobei der Elektromotor/Generator 80 in einem elektrischen Stromerzeugungsmodus verwendet wird. Der erzeugte elektrische Strom kann in der Hochspannungsbatterie 25 gespeichert werden. Der unter Verwendung der Stirlingmaschine 50 erzeugte elektrische Strom kann elektrischen Strom, der durch Verbrennen von Kraftstoff in der Kraftmaschine 40 erzeugt wird, ausgleichen, wodurch der Gesamtkraftstoffverbrauch vermindert wird. Es ist festzustellen, dass der Betrag an elektrischem Strom, der aus der Abwärme extrahiert wird, eine Funktion des Betrages der Wärmeübertragung von dem Abgaszufuhrstrom zu dem Arbeitsfluid, der Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsfluid und dem Kühlmittel in dem zusätzlichen Kühlkreis 43, dem thermischen Wirkungsgrad der Stirlingmaschine 50 und dem elektrischen Wirkungsgrad des Elektromotors/Generators 80 ist. Der Betrag an Wärmeübertragung von dem Abgaszufuhrstrom zu dem Arbeitsfluid ist eine Funktion der Größe, Konstruktion und Wärmeübertragungskapazität des Arbeitsfluid-Wärmetauschers 70. Das Hybridantriebsstrangsystem 20 kann vorteilhaft die Stirlingmaschine 50 verwenden, um elektrischen Strom zu erzeugen, weil das Steuersystem 10 die Kraftmaschine 40 bevorzugt bei Drehzahl/Last-Arbeitspunkten betreibt, die den thermischen Wirkungsgrad der Kraftmaschine optimieren, was zu relativ hohen Temperaturen in dem Abgaszufuhrstrom führt.
Der Betrieb in dem Wärmepumpenmodus ist wie folgt. Die Kraftmaschine 40 ist in einem Aus-Zustand. Dies umfasst, dass die Kraftmaschine 40 vor einem Schlüsselstartereignis ausgeschaltet ist. Dies umfasst, dass die Kraftmaschine 40 während des Fahrzeugbetriebs angewiesen wird, auszuschalten, wenn der Hybridantriebsstrang 20 ein Autostoppereignis ausführt, um die Kraftmaschine 40 zu stoppen, während fortgefahren wird, unter Verwendung von elektrischer Energie zum Erzeugen von Traktionsleistung zu arbeiten. Dies umfasst, dass die Kraftmaschine 40 während des Fahrzeugbetriebs, wenn der Hybridantriebsstrang 20 unter Verwendung von elektrischer Energie zum Erzeugen von Traktionsleistung arbeitet, im Aus-Zustand ist und die Kraftmaschine 40 periodisch angewiesen wird, zu arbeiten, um elektrischen Strom zum Wiederaufladen der Hochspannungsbatterie 25 zu erzeugen. In jedem der vorstehenden Ereignisse kann Restwärme, die in dem Abgasnachbehandlungssystem 42 enthalten ist, dissipieren, und die Temperatur des Abgasnachbehandlungssystems 42 kann sich einer Umgebungstemperatur nähern. Vor dem Ausführen eines Kraftmaschinenstarts betreibt das Steuermodul 12 den Elektromotor/Generator 80 in einem Elektromotormodus, um Drehmoment zu erzeugen, das auf die Stirlingmaschine 50 übertragen wird. Die Stirlingmaschine 50 arbeitet als eine Wärmepumpe, um das Arbeitsfluid zu komprimieren und Wärme zu erzeugen, die auf den Arbeitsfluid-Wärmetaucher 70 übertragen wird. Das Steuermodul 12 kann die optionale zusätzliche Luftpumpe 48 betreiben, um Luft in den Abgaszufuhrstrom zu pumpen, die zu dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 gelangt und Wärme auf den katalytischen Konverter/die katalytischen Konverter 46 überträgt. Es ist festzustellen, dass in einer Ausführungsform, in der der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 in den katalytischen Konverter/die katalytischen Konverter 46 integriert ist, Wärme, die erzeugt wird, wenn die Stirlingmaschine 50 als eine Wärmepumpe arbeitet, ohne eine Notwendigkeit für die zusätzliche Luftpumpe 48 übertragen wird. Die Wärmeübertragung auf den katalytischen Konverter/die katalytischen Konverter 46 verringert die Kraftmaschinenbetriebszeit, die erforderlich ist, um ein Zünden des katalytischen Konverters/der katalytischen Konverter 46 zu erreichen, wodurch Abgasemissionen vermindert werden, die zu einem Kraftmaschinenstartereignis gehören, der einen Kaltstart oder einen Neustart umfasst.
Der Arbeitsfluidkreis 52, der den Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 enthält, kann ein einzelner kontinuierlicher Strömungskreis sein, der einen einzigen Einlasswärmeaustausch-Strömungskanal 52A für das Arbeitsfluid und einen einzigen Auslasswärmeaustausch-Strömungskanal 52B für das Arbeitsfluid umfasst.
Alternativ kann der Arbeitsfluidkreis 52 den Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 als eine parallele Strömungs-Wärmeaustauscheinrichtung umfassen, die einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler enthält und eine Vielzahl von parallelen Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanälen 52A und 52B dazwischen aufweist.
In einer Ausführungsform umfasst der Arbeitsfluidkreis 52 eine Vielzahl von Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanälen 52A und 52B, die alle derart angeordnet sind, dass die zugehörigen ersten Wärmeübertragungs-Oberflächen in einem einzigen Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70 einem einzigen Element an einem einzigen Ort ausgesetzt sind, z. B. dem Abgaszufuhrstrom oberstromig des katalytischen Konverters 46.
3 zeigt schematisch einen Arbeitsfluidkreis 52', der die Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanäle 52A und 52B umfasst, die fluidtechnisch mit der heißen Seite 51 der Stirlingmaschine 50 durch einen Einlassverteiler 57A und einen Auslassverteiler 57B verbunden sind. In einer Ausführungsform umfasst der Einlassverteiler 57A optional eine Vielzahl von selektiv aktivierbaren Durchflusssteuerventilen 59. Diese Anordnung gestattet es, dass die Einlass- und Auslasswärmeaustausch-Strömungskanäle 52A und 52B fluidtechnisch parallel mit einer Vielzahl von Arbeitsfluid-Wärmetauschern 70 geschaltet sein können, die thermisch mit einer Vielzahl von erwärmbaren Elementen in einer entsprechenden Vielzahl von unterschiedlichen Stellen verbunden sein können, z. B. dem Abgas-Zufuhrstrom oberstromig des katalytischen Konverters, Getriebefluid, das in einem Getriebeölsumpf enthalten ist, Motoröl, das in einem Motorölsumpf enthalten ist, Motorkühlmittel, das in einem Kühlmittelreservoir enthalten ist, rückgeführtem Abgas (AGR-Gas), über eine AGR-Gaswärmeaustauscheinrichtung und anderen Wärmequellen.
In einer Ausführungsform ist jedes der selektiv betätigbaren Durchflusssteuerventile 59 mit dem Steuermodul 12 über Kommunikationsbus 18 verbunden, der verwendet werden kann, um die Strömung des Arbeitsfluids zu jedem der vorstehend erwähnten Elemente einzeln zu steuern und zu verwalten. Die Stirlingmaschine 50 arbeitet, um von außen zugeführte Wärmeenergie, z. B. von einem oder von einer Vielzahl der Arbeitsfluid-Wärmetauscher 70, in mechanische Arbeit umzuwandeln, die an das Ausgangselement 58 ausgegeben wird. Die Stirlingmaschine 50 kann auch als eine Wärmepumpe arbeiten, indem mechanische Kraft auf das Ausgangselement 58 aufgebracht wird, um den Expansionszylinder und den Kompressionszylinder anzutreiben, wodurch auf der heißen Seite 51 der Stirlingmaschine 50 Wärme erzeugt wird, die auf das Arbeitsfluid übertragen werden kann, um in dem Arbeitsfluidkreis 52 zu einem ausgewählten oder mehreren der Vielzahl von Arbeitsfluid-Wärmetauschern 70 zu zirkulieren.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Abwandlungen daran beschrieben. Weitere Abwandlungen und Abänderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung in den Sinn kommen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform/die besonderen Ausführungsformen, die als die beste Art, die zum Ausführen dieser Offenbarung in Betracht gezogen wird, offenbart sind, beschränkt ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Abgasnachbehandlungssystem zum Behandeln eines Abgas-Zufuhrstroms einer Brennkraftmaschine, umfassend: einen katalytischen Konverter; einen Fluidkreis, der einen Arbeitsfluid-Wärmetauscher mit einer ersten Wärmeübertragungs-Oberfläche in Fluidkontakt mit dem Abgas-Zufuhrstrom und einer zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche umfasst, wobei der Fluidkreis ein Arbeitsfluid in Kontakt mit der zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche enthält; eine Stirlingmaschine, die eine Energie zurückgewinnende Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Zyklus mit einer heißen Seite, einer kalten Seite und einem Ausgangselement umfasst, wobei die heiße Seite fluidtechnisch mit dem Fluidkreis, der das Arbeitsfluid enthält, verbunden ist, und das Ausgangselement mechanisch mit einem Elektromotor/Generator gekoppelt ist; wobei die Stirlingmaschine ausgestaltet ist, um Wärmeenergie von dem Arbeitsfluid-Wärmetauscher in mechanische Leistung umzuwandeln, die auf den Elektromotor/Generator übertragbar ist, um elektrischen Strom zu erzeugen; und wobei die Stirlingmaschine ausgestaltet ist, um mechanische Leistung von dem Elektromotor/Generator in Wärmeenergie umzuwandeln, die auf den Arbeitsfluid-Wärmetauscher übertragbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmeübertragungs-Oberfläche mit dem Abgaszufuhrstrom oberstromig des katalytischen Konverters in Kontakt steht.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, das ferner eine Luftpumpe umfasst, die ausgestaltet ist, um atmosphärische Luft in den Abgaszufuhrstrom oberstromig des Arbeitsfluid-Wärmetauschers zu pumpen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Stirlingmaschine ausgestaltet ist, um als eine Wärmepumpe zu arbeiten, um mechanische Leistung von dem Elektromotor/Generator in Wärmeenergie in dem Arbeitsfluid umzuwandeln, die auf den Arbeitsfluid-Wärmetauscher übertragbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen zweiten Wärmetauscher umfasst, der thermisch mit der kalten Seite der Stirlingmaschine verbunden ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, das ferner einen Kühlmittelkreis der Brennkraftmaschine umfasst, der fluidtechnisch mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, das ferner ein Umrichtermodul umfasst, das elektrisch mit einem elektrischen Strombus verbunden ist, wobei das Umrichtermodul elektrisch mit der Elektromotor/Generator-Einrichtung verbunden ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, das ferner einen katalytischen Washcoat in Fluidkontakt mit dem Abgas-Zufuhrstrom umfasst, der an der ersten Wärmeübertragungs-Oberfläche angeordnet ist.
System zum Übertragen von Wärmeenergie in einem Hybridantriebsstrangsystem, das eine Brennkraftmaschine umfasst, umfassend: eine Stirlingmaschine, die eine Energie zurückgewinnende Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Zyklus mit einer heißen Seite, einer kalten Seite und einem Ausgangselement umfasst, wobei die heiße Seite fluidtechnisch mit einem Fluidkreis, der ein Arbeitsfluid enthält, verbunden ist, die kalte Seite thermisch mit einem Kühlmittelkreis gekoppelt ist, und das Ausgangselement mechanisch mit einem Elektromotor/Generator gekoppelt ist, der elektrisch mit einem Umrichtermodul verbunden ist, das elektrisch mit einem elektrischen Strombus verbunden ist; wobei der Fluidkreis einen Arbeitsfluid-Wärmetauscher mit einer ersten Wärmeübertragungs-Oberfläche, die thermisch mit einem erwärmbaren Element verbunden ist, das dem Hybridantriebsstrangsystem zugeordnet ist, und einer zweiten Wärmeübertragungs-Oberfläche in thermischem Kontakt mit dem Arbeitsfluid umfasst; wobei die Stirlingmaschine ausgestaltet ist, um Wärmeenergie, die von dem erwärmbaren Element übertragen wird, das dem Hybridantriebsstrangsystem zugeordnet ist, in mechanische Leistung umzuwandeln, die auf den Elektromotor/Generator übertragbar ist, um elektrischen Strom zu erzeugen; und wobei die Stirlingmaschine ausgestaltet ist, um mechanische Leistung von dem Elektromotor/Generator in Wärmeenergie umzuwandeln, die auf das erwärmbare Element übertragbar ist, das dem Hybridantriebsstrangsystem zugeordnet ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Fluidkreis ferner eine Vielzahl von Arbeitsfluid-Wärmetauschern umfasst, die jeweils eine erste Wärmeübertragungs-Oberfläche, die thermisch mit einem von einer Vielzahl von erwärmbaren Elementen verbunden ist, die dem Hybridantriebsstrangsystem zugeordnet sind.