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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, die ein System zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas des Verbrennungsmotors aufweisen. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas eines Fahrzeugs.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2006 057 247 A1 ist ein System zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas aus einem Verbrennungsmotor bekannt, das zur Nutzung einer Abwärme aus dem Abgas dient. Dazu ist in einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors ein Wärmetauscher eingesetzt, der Wärme aus dem Abgas auf ein in einem Wärmekreislauf strömendes Arbeitsmedium überträgt. Das Arbeitsmedium in dem Wärmekreislauf treibt eine Turbine oder eine Kolbenmaschine an, deren Rotationsenergie beispielsweise in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um sie im Bordnetz eines Fahrzeuges zu nutzen. Ein derartiges System ist auch unter dem Begriff „waste heat recovery“- System, kurz WHR-System bekannt.
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Aus der
DE 10 2008 019 159 A1 ist ein Verfahren zur Planung einer Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas bekannt, wobei ein Betriebsverhalten geschätzt wird und wobei die Planung der Rückgewinnung auf einer Wahrscheinlichkeit basiert, dass das geschätzte Betriebsverhalten einem für die Rückgewinnung geeignetem Betriebsverhalten entspricht. Die
JP 2010- 14 037 A lehrt durch geeignete Wahl einer Vorlaufzeit die thermische oder mechanische Trägheit eines Systems zu überwinden. Weiterhin ist aus der
US 2010 / 0 154 389 A1 ein Verfahren bekannt, Daten zur Fahrzeugroute zur Planung zu verwenden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Planung einer Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas eines Fahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrzeug mit der Steuervorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein Verfahren zur Planung einer Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas eines Fahrzeugs folgende Schritte:
- - Schätzen eines Betriebsverhaltens des Fahrzeuges auf einer mit dem Fahrzeug zu fahrenden Route; und
- - Planen der Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs basierend auf einer Wahrscheinlichkeit, dass das geschätzte Betriebsverhalten des Fahrzeugs einem für die Rückgewinnung geeigneten Betriebsverhalten entspricht.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass eine wirksame Nutzung des WHR-Systems vom Energiegehalt des vom Fahrzeug ausgestoßenen Abgases abhängig ist, da das Abgas zur erfolgreichen Rückgewinnung von Energie zunächst den beispielsweise durch den Phasenübergang des verwendeten Arbeitsmediums vorbestimmten Betriebsenergiebedarf des WHR-Systems selbst überwinden muss. Mit dem angegebenen Verfahren wird daher vorgeschlagen, anhand eines voraussichtlichen und damit geschätzten Betriebsverhaltens des Fahrzeuges zu erkennen, ob die Nutzung des WHR-Systems während der Fahrt mit dem Fahrzeug in einem bestimmten Streckenabschnitt oder Zeitraum sinnvoll wird und basierend darauf den Betrieb des WHR-Systems zu planen. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Fahrzeuges verbessert, da vom Fahrzeug weniger Verlustenergie abgegeben wird.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens bedingt das für die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs geeignete Betriebsverhalten einen Zustand des Fahrzeuges, der zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs wenigstens eine vorbestimmte Bedingung erfüllen muss. Der Weiterbildung des angegebenen Verfahrens liegt die Überlegung zugrunde, dass sich das Betriebsverhalten des Fahrzeuges und damit der Einsatz des WHR-Systems in einem Fahrzeug am besten anhand bestimmter von der Geschwindigkeit oder anderen Lastzuständen abhängiger Betriebspunkte des Fahrzeuges erkennen lässt. Diese Betriebspunkte lassen sich zeitlich abhängig analysieren, so dass ein Zeitraum für den Betrieb des WHR-Systems schon vor Eintritt in einen zur Nutzung des WHR-Systems geeigneten Betriebspunkt des Fahrzeuges bekannt ist.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist wenigstens eine vorbestimmte Bedingung von einer vorbestimmten thermodynamischen Energie abhängig, die das Abgas aufweisen muss. Dieser Weiterbildung des angegebenen Verfahrens liegt die Überlegung zugrunde, dass die Energie des Abgases im Wesentlichen von einem Lastmoment eines Verbrennungsmotors des Fahrzeuges abhängig ist. Je höher dieses Lastmoment ist, desto heißer ist das Abgas und umso höher sind der Massenstrom des Abgases und damit der Energiestrom. Insofern kann die Bedingung für den Zustand, den das Fahrzeug zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs erfüllen muss direkt von dieser thermodynamischen Energie des Abgases oder indirekt beispielsweise über das Lastmoment abhängig gemacht werden.
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In einer alternativen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Planen einer Überführung eines Systems zur Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs in einen betriebsbereiten Zustand, in einer Zeit bevor das geschätzte Betriebsverhalten dem geeigneten Betriebsverhalten entspricht, so dass das System zum Zeitpunkt, an dem das geschätzte Betriebsverhalten dem geeigneten Betriebsverhalten entspricht, einsatzbereit ist. Dieser Weiterbildung des angegebenen Verfahrens liegt die Überlegung zugrunde, dass das WHR-System unter Umständen vor einem Einsatz zunächst in einen betriebsbereiten Zustand überführt werden muss, was jedoch eine gewisse Zeit benötigt. Um ein Maximum an Energie aus dem Abgas des Fahrzeuges zurückzugewinnen, sollte das WHR-System daher in den betriebsbereiten Zustand noch vor dem Zeitpunkt überführt werden, an dem das Fahrzeug ein für die Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas geeignetes Betriebsverhalten aufweist. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Fahrzeuges weiter gesteigert.
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In einer besonderen Weiterbildung umfasst die Überführung des Systems Maßnahmen, eine thermische und/oder mechanische Trägheit des Systems zu überwinden. Derartige Maßnahmen können beispielsweise das Ausblasen von Kondensat mit frisch erzeugtem Dampf zum Kondensator des WHR-Systems umfassen, so dass die Turbine des WHR-Systems unmittelbar einsatzfähig ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Wahrscheinlichkeit, dass das geschätzte Betriebsverhalten dem geeigneten Betriebsverhalten entspricht, eine Wahrscheinlichkeit, ob das geeignete Betriebsverhalten mittels Hilfsaggregaten im Fahrzeug erzwungen werden kann. Diese Hilfsaggregate können jedes beliebige, das Betriebsverhalten des Fahrzeuges beeinflussende Hilfsaggregat sein. Sie sind weder auf einen aktiven Einfluss, wie eine Fahrzeugbatterie oder einen passiven Einfluss, wie einen elektrischen Verbraucher beschränkt. So können beispielsweise als Hilfsaggregat Steuerelemente des Verbrennungsmotors selbst genutzt werden, um mittels einer kurzzeitigen Verschlechterung des Verbrennungsmotorwirkungsgrades mehr Abgasenergie für das WHR-System zur Verfügung zu stellen. Als Steuerelement kann dabei ein Nockenwellenversteller die Einspritzung von Kraftstoffgemischen in den Verbrennungsmotor, eine Zündkerzenansteuerung die Verbrennung oder die Gangschaltung das auf den Verbrennungsmotor wirkende Lastdrehmoment den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors beeinflussen. Bei hybriden Antriebsstrangkonzepten mit der variablen Momentenaufteilung auf einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, kann beispielsweise geprüft werden, ob sich das geschätzte Betriebsverhalten durch ein kurzzeitiges Erhöhen des verbrennungsmotorischen Anteils und einer entsprechenden Senkung des elektromotorischen Anteils an das geeignete Betriebsverhalten anpassen lässt.
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In einer anderen bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Wahrscheinlichkeit, dass das geschätzte Betriebsverhalten dem geeigneten Betriebsverhalten entspricht, eine Wahrscheinlichkeit, ob das geeignete Betriebsverhalten mittels Hilfsaggregaten im Fahrzeug an das geschätzte Betriebsverhalten angepasst werden kann. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass das WHR-System im Fahrzeug in der Regel eine elektrische Energiequelle ersetzen soll. Das für den Betrieb des WHR-Systems geeignete Betriebsverhalten ist daher unter anderem davon abhängig, ob das WHR-System alle elektrischen Energieverbraucher beispielsweise in einem Bordnetz des Fahrzeuges während des geschätzten Betriebsverhaltens des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgen kann. Ergibt sich im Rahmen des angegebenen Verfahrens, dass es nicht möglich ist, alle elektrischen Energieverbraucher mit dem WHR-System im geschätzten Betriebsverhalten des Fahrzeuges zu versorgen kann beispielsweise untersucht werden, ob die Restenergie aktiv aus einer Hilfsenergiequelle bereitgestellt werden kann, oder ob die Last durch Manipulation einiger elektrischer Verbraucher wie Heizungen oder Klimaanlagen reduziert werden kann. Weiter alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Last beispielsweise auch durch eine kurzeitige Reduktion der Ladung elektrischer Energiespeicher im Fahrzeug, beispielsweise durch ein kurzzeitiges Umladen von elektrischen Energiespeichern in das betroffene Bordnetz z.B. bei 12V-48V Bordnetztopologien, die über DC/DC Wandler verbunden sind, manipuliert beziehungsweise beeinflusst werden.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst die Wahrscheinlichkeit, ob das geeignete Betriebsverhalten mittels Hilfsaggregaten im Fahrzeug erzwungen werden kann ein Wahrscheinlichkeit, ob eine Temperatur eines Abgases des Fahrzeuges mit den Hilfsaggregaten erhöht werden kann. Dies kann, wie bereits erwähnt beispielsweise durch Manipulation des Lastmomentes des Verbrennungsmotors geschehen.
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In einer anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Verbieten der Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs, wenn die Wahrscheinlichkeit, dass das geschätzte Betriebsverhalten dem geeigneten Betriebsverhalten entspricht, einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. Auf diese Weise wird verhindert, dass das WHR-System unnötigerweise gestartet wird.
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In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Auslesen der zu fahrenden Route aus einem Navigationsgerät; und Schätzen des Betriebsverhaltens des Fahrzeugs basierend auf vom Navigationsgerät über die zu fahrende Route bereitgestellten Informationen. Die vom Navigationsgerät bereitgestellten Informationen können beispielsweise Umwelt- oder Verkehrsdaten entspringen, wie sie beispielsweise über den Traffic Message Channel Dienst verteilt werden. So können beispielsweise bei einem vorhersehbaren Stau auf einer mit dem Fahrzeug befahrenen Straße die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs vermieden werden, die ein hochtouriges Betreiben des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges voraussetzen. Auch können aus dem Navigationsgerät Höhendaten, Klimadaten oder jede anderen Daten zur zu fahrenden Route abgefragt werden, die das Navigationsgerät bereitstellt.
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In einer anderen alternativen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte Schreiben eines Fahrtenbuch basierend auf einer mit dem Fahrzeug gefahrenen Route vor dem Fahren der zu fahrenden Route und Schätzen des Betriebsverhaltens des Fahrzeuges auf der mit dem Fahrzeug zu fahrenden Route basierend auf dem geschriebenen Fahrtenbuch. Durch das Fahrtenbuch können beispielsweise streckenabhängig Lastdaten des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges aufgezeichnet und zur Planung der die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs verwendet werden. Ergibt sich aufgrund eines bestimmten Fahrverhaltens des Fahrers, beispielsweise weil er täglich zwischen seiner Wohnung und seinem Arbeitsplatz pendelt, dass nach einer bestimmten Anzahl an gefahrenen Kilometern immer ein bestimmter Lastzustand erreicht wird, weil der Fahrer beispielsweise an einer Ampel halten muss, so kann dies wirkungsvoll für die Planung der die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs eingesetzt werden.
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In einer noch anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Schätzen des Betriebsverhaltens des Fahrzeuges basierend auf einem am Fahrzeug angebrachten Nahfeldsensor. Mit dem Nahfeldsensor können unmittelbar vor dem Fahrzeug auftretende, die die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs ausschließende Hindernisse oder für die Fahrzeugdiagnose geeignete äußere Zustände erfasst und zur Planung der Fahrzeugdiagnose herangezogen werden. So kann ein als Kamera ausgebildeter Nahfeldsensor beispielsweise anhand eines Ortsausgangsschildes eine unmittelbar bevorstehende Beschleunigung oder anhand eines langsam fahrenden Fahrzeuges ein unmittelbar bevorstehendes Bremsen vermuten. Auch können bereits für eine die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs bereits freigegebene Streckenabschnitte mit einem Nahfeldsensor nachträglich geblockt werden, wenn der Nahfeldsensor entsprechende die die Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeugs behindernde Umstände, wie beispielsweise einen sich langsam vor dem Fahrzeug bewegenden Traktor auf der Fahrbahn detektiert.
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In einer alternativen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte Erfassen eines Verhaltens eines Fahrers des Fahrzeuges und Schätzen des Betriebsverhaltens des Fahrzeuges basierend auf dem Verhalten des Fahrers des Fahrzeuges. So kann beispielsweise erkannt werden, ob ein Fahrer mit einem vergleichsweise hohen Drehmoment anfährt oder über vergleichsweise geringe Strecken stark abbremst. Im Zusammenhang mit den oben genannten gesammelten Informationen kann dann beispielsweise kurz vor einer Ampel auf der Straße ebenfalls eine geeignete Fahrzeugdiagnose geplant werden, weil zu erwarten ist, dass der Fahrer auch vor dieser Ampel stark abbremst oder nach der Ampel stark beschleunigt.
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In einer anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Planen einer Entladung eines an ein System zur Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeuges angeschlossenen elektrischen Energiespeichers, bevor das System zur Rückgewinnung der Energie aus dem Abgas des Fahrzeuges in einen betriebsbereiten Zustand überführt wird. Dem Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass die von dem WHR-System bereitgestellte elektrische Energie zu hoch sein könnte, um vollständig vom Fahrzeug verbraucht zu werden. Die Ursache dafür ist hauptsächlich darin zu suchen, dass für einen Verbrauch der bereitgestellten elektrischen Energie nicht immer geeignete Betriebsfälle gewährleistet sind, in denen das Fahrzeug auch genügend elektrische Verbraucher aufweist, die die bereitgestellte elektrische Energie aufnehmen. Bevor diese überschüssige elektrische Energie jedoch verloren geht, schlägt die Weiterbildung vor, in einer Phase vor dem Start des WHR-Systems die elektrischen Verbraucher statt aus der Lichtmaschine des Fahrzeuges aus dem elektrischen Energiespeicher zu versorgen und dann die durch das WHR-System erzeugte elektrische Energie in dem elektrischen Energiespeicher zu speichern. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Fahrzeuges weiter gesteigert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist, eines der angegebenen Verfahren durchzuführen.
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Weiterhin kann die Steuervorrichtung einen Speicher und einen Prozessor aufweisen. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fahrzeug vorgesehen, das die angegebene Steuervorrichtung umfasst.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines auf einer Straße fahrenden Fahrzeuges;
- 2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften „waste heat recovery“- Systems, kurz WHR-Systems;
- 3 eine beispielhafte Planung eines Einsatzes des WHR-Systems aus 2; und
- 4 eine Erweiterung der Planung aus 3 zum Einsatz des WHR-Systems aus 2.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In den Figuren werden Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines auf einer Straße 2 fahrenden Fahrzeuges 4 zeigt.
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Das Fahrzeug 4 bewegt sich auf der Straße 2 entlang einer Route 6. Zu einem angenommenen ersten Zeitpunkt befindet sich das Fahrzeug 4 an einer Stelle auf der Straße 2, bei der das Fahrzeug 4 in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Ferner ist das Fahrzeug 4 in 1 mit gepunkteten Linien noch einer zweiten und dritten Stelle eingezeichnet, an denen es sich vom ersten Zeitpunkt aus gesehen in der Zukunft zu einem zweiten und dritten Zeitpunkt befinden wird.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines beispielhaften „waste heat recovery“- Systems 8, kurz WHR-Systems 8 zeigt.
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Das WHR-System weist einen Leitungskreis 10, in dem ein noch zu beschreibendes Arbeitsmedium zirkuliert. Im Leitungskreis 10 sind mindestens ein Wärmetauscher 14, eine Expansionsmaschine 16, ein Kondensator 18 und eine Speisepumpe 20 angeordnet.
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Durch den Wärmetauscher 14 ist ferner ein Abgastrakt 22 eines Verbrennungsmotors 24 geführt, der Kraftstoff verbrennt, um mechanische Energie beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeuges zu erzeugen. Die hierbei entstehenden Abgase werden über den Abgastrakt 22, in der ein Abgaskatalysator 26 angeordnet sein kann, ausgestoßen.
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Wärmeenergie 28 aus den Abgasen wird so an das im Wärmetauscher 14 vorgesehene Arbeitsmedium abgegeben, so dass das Arbeitsmedium im Wärmetauscher 14 verdampft und überhitzt werden kann.
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Der Wärmetauscher 14 des Leitungskreises 10 ist mit der Expansionsmaschine 16 verbunden, die als Turbine oder Kolbenmaschine ausgestaltet sein kann. Auf diese Weise strömt das verdampfte Arbeitsmedium 27 zur Expansionsmaschine 16 und treibt diese an. Die Expansionsmaschine 16 weist eine nicht weiter dargestellte Abtriebswelle auf, über die die Expansionsmaschine 16 mit einer nicht weiter dargestellten Last verbunden ist. Hierdurch kann mechanische Energie 30 an die Last abgegeben werden, die beispielsweise ein elektrischer Generator, eine Pumpe oder dergleichen sein kann. Durch den Antrieb der Expansionsmaschine 16 wird das verdampfte Arbeitsmedium 27 entspannt.
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Nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine 16 wird das entspannte Arbeitsmedium 29 zum Kondensator 18 geführt über den das entspannte Arbeitsmedium 29 Wärmeenergie 34 an eine Kühlvorrichtung 32 abgeben kann. Bei dieser Kühlvorrichtung 32 kann es sich beispielsweise um einen Kühlkreislauf im Verbrennungsmotor 24 handeln.
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Das abgekühlte Arbeitsmedium 31 wird zur Speisepumpe 20 geführt, die das abgekühlte Arbeitsmedium 31 durch Zufuhr externer Energie 36 auf ein Druckniveau für die Verdampfung im Wärmetauscher 14 bringt.
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Anschließend wird an das komprimierte Arbeitsmedium 33 wieder Wärmeenergie 28 aus den Abgasen des Verbrennungsmotors 24 über den Wärmetauscher 14 abgegeben, so dass sich ein geschlossener Kreislauf ergibt.
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In der Regel wird die mechanische Energie 30 dadurch genutzt, dass sie über einen nicht weiter dargestellten Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator kann beispielsweise anstelle einer durch den Verbrennungsmotor 24 angetriebenen Lichtmaschine an ein nicht weiter dargestelltes Bordnetz im Fahrzeug 4 angeschlossen werden, so dass der Verbrennungsmotor 24 entlastet wird, und so weniger Kraftstoff verbraucht. Ebenfalls ist auch eine direkte mechanische Nutzung möglich, bei der mechanische Energie direkt auf den Antriebsstrang gekoppelt wird.
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Zum Einsatz des WHR-Systems 8 muss das Abgas aus dem Verbrennungsmotor 24 jedoch eine minimale Wärmeenergie 28 aufweisen. Beispielsweise ist aus 2 ersichtlich, dass dem WHR-System 8 externe Energie 36 zugeführt werden muss, um aus den den Abgastrakt 22 durchströmenden Abgasen des Verbrennungsmotors 24 die mechanische Energie 30 zu gewinnen. Das heißt jedoch auch, dass wenn die aus den Abgasen an das im WHR-System 8 strömenden Arbeitsmedium abgegebene Wärmeenergie 28 zu gering ist, dem WHR-System 8 mehr externe Energie 36 zugeführt werden muss, als sich mit diesem gewinnen lässt. Insofern muss die Wärmeenergie 28 der Abgase aus dem Verbrennungsmotor 24 größer sein als die externe Energie 36 sein, damit mit dem WHR-System 8 mechanische Energie 30 aus der Wärmeenergie 28 gewonnen werden kann.
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Die Wärmeenergie 28 der Abgase aus dem Verbrennungsmotor 24 ist in erster Linie vom Lastzustand des Verbrennungsmotors 24 abhängig. Die vorliegende Ausführung schlägt daher vor, die in 1 gezeigte Route 6 zu untersuchen und abzuschätzen, auf welchen Streckenabschnitten 38 das Fahrzeug 2 ein Betriebsverhalten aufweist, das für einen Einsatz des WHR-Systems 8 geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich können einzelne Streckenabschnitte 38 aber auch für einen Einsatz des WHR-Systems 8 als ungeeignet erkannt werden, woraufhin auf diesen Streckenabschnitten 32 der Einsatz des WHR-Systems 8 verboten wird.
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Die Untersuchung der Route 6 kann adaptiv beispielsweise basierend auf einer Erkennung erfolgen, ob diese Route 6 schon einmal gefahren wurde. Dazu kann beispielsweise in einem Speicher 40 des Fahrzeuges 2 eine Tabelle hinterlegt sein, in der beispielsweise der Lenkwinkel und die Geschwindigkeit des Fahrzeuges einem gefahrenen Weg und dem entsprechenden Lastprofil gegenübergestellt ist. Korreliert eine Gegenüberstellung des Weges der aktuellen Route 6 über den Lenkwinkel und der Geschwindigkeit mit der im Speicher 40 hinterlegten Gegenüberstellung, so kann auf eine bereits gefahrene Route geschlossen werden. Zusätzlich können im Speicher 40 Fahrerprofile abgelegt werden, aus denen sich das Fahrverhalten des Fahrers aus der Route ableiten lässt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Untersuchung der Route 6 auch prädiktiv mittels eines Navigationssystems 42 oder eines Nahfeldsensors 44, aus dem sich Umwelt- und Verkehrsdaten zur Route 6 ableiten lassen. Auch hier lässt sich das Fahrverhalten des Fahrers bei der Untersuchung der Route 6 mit einbeziehen. Beispielsweise könnten mit dem Navigationssystem 42 Staus auf der Route 6 erkannt werden. Auf Grundlage dieser erkannten Staus könnte dann der Einsatz des WHR-Systems 8 verboten werden, weil ausreichende Betriebsbedingungen für einen Betriebs des WHR-Systems 8 in der Regel erst oberhalb von 70km/h vorliegen. Alternativ oder zusätzlich könnte mit dem Nahfeldsensor 44 die Umgebung um das Fahrzeug 2 abgetastet werden. Dazu kann der Nahfeldsensor 44 beispielsweise ein Temperatursensor sein, mit dem sich die Außentemperatur um das Fahrzeug 2 erfassen ließe, die ebenfalls einen Einfluss auf die Wärmeenergie 28 des Abgases aus dem Verbrennungsmotor 24 hat.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine beispielhafte Planung eines Einsatzes des WHR-Systems 8 aus 2 zeigt. In 3 sind dazu drei Diagramme dargestellt, wobei in einem ersten Diagramm 46 eine Höhe 48 der mit dem Fahrzeug 4 der 1 zu fahrenden Route 6 über die Strecke 50 der Route 6, in einem zweiten Diagramm 52 ein Lastmoment 54 des Fahrzeuges 4 über die Strecke 50 auf der Route 6 und in einem dritten Diagramm 56 die Wärmeenergie 28 des Abgases aus dem Verbrennungsmotor 24 über die Strecke 50 auf der Route 6 dargestellt ist.
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Die in 1 und dem ersten Diagramm 46 der 3 dargestellte Route 6 kann vom Höhenprofil in verschiedene Streckenabschnitte unterteilt werden. In einem anfänglichen ersten Streckenabschnitt 58 fällt die Route 6 über die Strecke 50 mit einem Gefälle, während die Route 6 in einem zweiten Streckenabschnitt 60 über die Strecke 50 mit einer Steigung steigt. In einem dritten Streckenabschnitt 62 fällt die Route 6 wieder über die Strecke 50 mit einem Gefälle, das kleiner ist, als das Gefälle des ersten Streckenabschnittes 58, während die Route 6 in einem vierten Streckenabschnitt 38, der dem oben bereits erwähnten Streckenabschnitt 38 entsprechen soll, über die Strecke 50 mit einer Steigung steigt, die größer ist, als die Steigung des zweiten Streckenabschnittes 60. In einem fünften Streckenabschnitt 64 soll die Route 6 eben sein.
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Das im zweiten Diagramm 52 der 3 gezeigte Profil des Lastmomentes 54 kann basierend auf dem Streckenprofil des ersten Diagramms 46 der 3 geschätzt werden. In das Profil des Lastmomentes 54 können jedoch noch weitere Daten, wie beispielsweise eine zu erwartende Geschwindigkeit des Fahrzeuges 4 oder ein zu erwartender Gegenwind des Fahrzeuges 4 einfließen, die in der bereits erwähnten Weise beispielsweise mit dem Navigationssystem 42 erfasst werden können. Zudem können zum Schätzen des Lastmomentes 54 über die Strecke 50 Fahrzeugdaten wie Verbrennungsmotordaten, die Gesamtmasse des Fahrzeugs, oder ein cw-Wert berücksichtigt werden.
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Aus dem Profil des Lastmomentes 54 ergibt sich dann die zu erwartende Wärmeenergie 28 des Abgases aus dem Verbrennungsmotor 24, in das jedoch ebenfalls noch Daten, wie die bereits erwähnte Umgebungstemperatur um das Fahrzeug 4 mit einfließen können.
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Im dritten Diagramm 56 der 3 ist ein Schwellwert 66 für die Wärmeenergie 28 des Abgases aus dem Verbrennungsmotor 24 angedeutet, ab dem das WHR-System 8 eingesetzt werden kann. Um diesen Schwellwert 66 zu erreichen, muss das Lastmoment 54 des Verbrennungsmotors 24 einen bestimmten Schwellwert 68 überschreiten, der im zweiten Diagramm der 3 angedeutet ist.
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Aus dem zweiten Diagramm 52 der 3 ist ersichtlich, dass das Lastmoment 54 des Verbrennungsmotors 24 im vorliegenden Beispiel auf dem ersten Streckenabschnitt 58 und auf dem dritten Streckenabschnitt 62 voraussichtlich für einen Einsatz des WHR-Systems 8 zu klein sein wird. Daher könnte der Einsatz des WHR-Systems 8 zunächst einmal nur auf den verbleibenden Streckenabschnitten 60, 38, 64 geplant werden.
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Wie jedoch ebenfalls ersichtlich ist, steigt die Wärmeenergie 28 des Abgases des Verbrennungsmotors 24 nicht sprunghaft mit dem Anstieg des Lastmomentes 54 sondern stetig an, was eine entsprechende nicht weiter referenzierte Verzögerung auf dem zweiten und vierten Streckenabschnitt 60, 38 bedingt, bis das WHR-System 8 genutzt werden kann. Anderseits muss das WHR-System 8 für einen Einsatz vorbereitet werden. Dazu gehört beispielsweise, dass ein in einer Dampfstecke des Kondensators 18 vorhandenes Kondensat vorsichtig ausgeblasen werden muss, um Kavitation und damit Schäden zu vermeiden. Damit das WHR-System 8 beim Überschreiten des Schwellwertes 66 durch die Wärmeenergie 28 des Abgases an entsprechenden Startpunkten 70 der Route 6 auch einsatzbereit ist, schlägt die Ausführung vor, diese vorbereitenden Maßnahmen auf einer Vorbereitungsstrecke 72 durchzuführen, die vor diesen Startpunkten liegt. Die Vorbereitungsstrecke 72 wurde in der vorliegenden Ausführung direkt vor den Startpunkten 70 eingezeichnet, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. In diesen Vorbereitungsstrecken 72 kann das zuvor erwähnte Kondensat außerhalb des eigentlichen Arbeitsmittelkreislaufs (z.B. im Generatorgehäuse usw.) in den Arbeitsmittelkreislaufs z.B. zum Kondensator 18 zurückgeführt werden.
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Da die Wärmeenergie 28 des Abgases wie auch beim Ansteigen des Lastmomentes 54 sich beim Abfallen des Lastmomentes 54 nicht sprunghaft ändern kann, unterscheitet die Wärmeenergie 28 den Schwellwert 66 nicht auf dem zweiten Streckenabschnitt 60 sondern erst auf dem dritten Streckenabschnitt 62, was ebenfalls berücksichtigt werden kann. Auf dem fünften Streckenabschnitt wird die die Wärmeenergie 28 den Schwellwert 66 wahrscheinlich nicht mehr unterschreiten. Auf diese Weise ergeben sich für das WHR-System 8 Einsatzstrecken 74.
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Auf diesen Einsatzstrecken 74 kann daher die durch den Verbrennungsmotor 24 angetriebene Lichtmaschine des Fahrzeuges 4 durch das WHR-System ersetzt werden.
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Da der direkte Verbrauch der aus der vom WHR-System 8 zur Verfügung gestellten mechanischen Energie 30 umgewandelten elektrischen Energie in vielen Betriebsfällen nicht gewährleistet ist, kann die zuvor beschriebene Planung auf das Energiemanagement ausgedehnt werden, so dass die vom WHR-System 8 zur Verfügung gestellte mechanische Energie 30 möglichst vollständig genutzt werden kann. So könnte eine im Fahrzeug 4 vorhandene Batterie 76 die elektrische Energie aufnehmen, die basierend auf der vom WHR-System 8 erzeugten mechanischen Energie 30 erzeugt wird, so dass die erzeugte elektrische Energie nicht sofort in elektrischen Fahrzeugfunktionen verwendet werden muss. Alternativ kann die Batterie 76 auch lediglich überschüssige elektrische Energie aufnehmen, die nicht durch die elektrischen Fahrzeugfunktionen aufgenommen werden kann.
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Zudem könnte die Batterie 76 auch in einem ausreichenden Abstand vor den Startpunkten 70 entladen werden, um zu gewährleisten, dass sie die überschüssige elektrische Leistung auch aufnehmen kann und das WHR-System 8 nicht mit einer gedrosselten Leistung betrieben werden muss. Dies soll anhand 4 näher erläutert werden, die eine Erweiterung der Planung aus 3 zum Einsatz des WHR-Systems 8 aus 2 zeigt.
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Dabei ist in 4 wieder das erste Diagramm 46 und ein viertes Diagramm 78 dargestellt, in dem ein Ladestand 80 der Batterie 76 des Fahrzeugs 4 der 1 über die Strecke 50 der Route 6 gegenübergestellt ist. Die Batterie 76 kann dabei zwischen einer Ladeschlussspannung 82 geladen und einer Entladeschlussspannung 84 entladen werden. Wie aus dem vierten Diagramm der 4 ersichtlich kann das zuvor erwähnte Energiemanagement so ausgebildet sein, dass es die Batterie 76 bis zum Erreichen eines Startpunktes 70 auf die Entladeschlussspannung 84 entlädt. Im Betrieb kann dann die volle Kapazität der Batterie 76 genutzt werden, bis die Ladeschlussspannung 82 beispielswiese im fünften Streckenabschnitt 64 erreicht ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann beim realen Erreichen des jeweiligen Streckenabschnitts 60, 38, 64, der als für den Einsatz des WHR-Systems 8 als geeignet vorhergesagt wurde, die Prädiktion mit der Realität verglichen werden.
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Ferner oder im Rahmen einer anderen Erfindung können, um ein zu häufiges und kurzzeitiges Ausschalten des WHR-Systems 8 zu vermeiden, Maßnahmen in der Gesamtenergiebilanzierung ergriffen und der Betriebsstrategie des WHR-Systems 8 berücksichtigt werden. Diese Maßnahmen können beispielsweise:
- • eine kurzzeitige Verschlechterung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors 24 zur Erhöhung der Wärmeenergie 30 des Abgases für das WHR-System 8 durch beispielsweise späte Einspritzungen, später Zündwinkel, andere Gangwahl bei Automatikgetrieben und so weiter,
- • eine kurzzeitige Reduktion der elektrischen Energieverbraucher wie zum Beispiel Sitzheizung, Innenraumheizung, elektrische Klimaanlage die letztlich das Wärmespeicherpotential des Innenraums- bzw. Interieurs usw. nutzen,
- • eine kurzeitige Reduktion der Ladung der Batterie 76
- • ein kurzzeitiges Umladen von elektrischen Speichern in ein betroffenes Bordnetz zum Beispiel bei 12V-48V Bordnetztopologien, die über DC/DC Wandler verbunden sind oder
- • bei hybriden Antriebsstrangkonzepten mit der variablen Momentenaufteilung von Verbrennungsmotor 24 und Elektromotor, den verbrennungsmotorischen Anteil kurzzeitig zu erhöhen und den elektromotorischen Anteil dagegen kurzzeitig verringern umfassen, um die Last des Verbrennungsmotors und damit die Abgasenergie zu erhöhen.
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Ist die Einsatzstrecken 74 zu kurz, kann die Aktivierung des WHR-Systems 8 auch ganz unterlassen werden.
