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Fahrzeuge können Abgaswärme zur Übertragung auf verschiedene andere Systeme in einem Verbrennungsmotor zurückgewinnen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass in den meisten Systemen keine schnelle Wärme zur Verfügung steht, da die Systeme zunächst ein Erwärmen des Auslasssystems erfordern, bevor Abwärme des Motors zum Erwärmen verschiedener Komponenten verwendet werden kann. Des Weiteren verzögert das Wegleiten von Wärme von dem Auslasssystem bei Kaltstartbetrieb das Anspringen des Katalysators. Infolgedessen arbeitet der Katalysator nicht auf einer effizienten Temperatur zum Verbrennen von eingeschlossenen Kohlenwasserstoffen, wodurch Abgasemissionen erhöht werden.
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Somit ist ein beispielhafter Lösungsansatz zum Begegnen der obigen Probleme Anspruch 1.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Rückgewinnung von Abgaswärme, Reduzieren eines Volumens an zirkulierendem Wärmeübertragungsfluid und Entladen einer Wärmespeichervorrichtung zum Erwärmen einer Motorkomponente. Des Weiteren umfasst das Verfahren Verteilen des zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids auf ein oder mehrere Motorsysteme. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Wärmerückgewinnungssystem sowie ein Wärmeübertragungssystem. Somit kann Wärme direkt von einem Wärmerückgewinnungssystem abgeführt und einem anderen Motorsystem zugeführt werden. Dabei kann die Wärmespeichervorrichtung durch Reduzieren des Volumens des zirkulierenden Wärmeübertragungsfluids aufgeladen werden. Diese Konfiguration ermöglicht, dass von einem vorherigen Motorbetrieb gespeicherte Wärme bei Motorstart zur Verfügung steht, um verschiedene Motorkomponenten schnell zu erwärmen. Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung dazu vorgesehen ist, in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Erfindungsgegenstands aufzeigen, dessen Schutzbereich einzig durch die der ausführlichen Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Des Weiteren ist der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem anderen Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile lösen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A–1B zeigen schematisch eine beispielhafte Wärmespeichervorrichtung, die in einem Auslasssystem enthalten sein kann.
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1C zeigt schematisch einen beispielhaften Wärmetauscher, der an die Wärmespeichervorrichtung der 1A–1B gekoppelt werden kann.
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2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Wärmerückgewinnungssystem, das die Wärmespeichervorrichtung der 1A–1B enthält.
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3 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zum Betrieb des Wärmerückgewinnungssystems von 2.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung betrifft ein Wärmeübertragungssystem, das Phasenwechselmaterialien umfasst, die derart angeordnet sind, dass thermische Energie aus einem Auslasssystem zurückgewonnen werden kann. Als Phasenwechselmaterial wird ein Material bezeichnet, das zum Speichern einer großen Wärmemenge in Form latenter Schmelzwärme fähig ist. Die hierin beschriebenen beispielhaften Anordnungen gestatten, dass thermische Energie zurückgewonnen und zur späteren Erwärmung zum Beispiel eines Fahrzeuginnenraums gespeichert werden kann. Ein Wärmeübertragungssystem kann eine Wärmespeichervorrichtung verwenden, um Wärme zu übertragen, selbst wenn der Motor nicht in Betrieb ist. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung mit einer Auslasssystemkomponente, die dem Katalysator nachgeschaltet ist, etwa über einen Wärmetauscher, in Strömungsverbindung stehen. Auf diese Weise kann sich Wärme von der Wärmespeichervorrichtung übertragen, selbst wenn der Motor nicht mehr in Betrieb ist. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung isoliert sein, um aus dem Auslasssystem zurückgewonnene Wärme zu speichern, die zur sofortigen Verwendung bei Start des Motors verfügbar sein kann.
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Darüber hinaus kann das Wärmeübertragungssystem verschiedene Wärmeübertragungsfluide zum Gewinnen thermischer Energie aus dem Auslasssystem unter den verschiedensten Betriebsbedingungen enthalten. Auf diese Weise kann thermische Energie aus dem Auslasssystem zurückgewonnen werden, um für verschiedene andere Systeme, etwa ein Innenraumheizungssystem, Schmiersysteme und/oder andere Auslasssystemkomponenten, falls gewünscht, Wärme bereitzustellen.
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Des Weiteren ermöglichen die beispielhaften Systeme im Vergleich zu herkömmlichen Ausgestaltungen eine einfachere Ausgestaltung. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung für ein Innenraumheizungssystem bei Start eines Motors Wärme bereitstellen, wie oben vorgestellt. Durch Koppeln der Wärmespeichervorrichtung an eine Komponente des dem Katalysator nachgeschalteten Auslasssystems kann das Innenraumheizungssystem bei Start eines Motors für den Fahrzeuginnenraum Wärme bereitstellen, ohne auf einem Kühlsystem zu beruhen und deshalb ohne darauf zu warten, dass sich das Kühlsystem bei Start des Motors erwärmt. Des Weiteren kann das System die gespeicherte Wärme für das Innenraumheizungssystem bereitstellen, ohne das Anspringen des Katalysators zu verzögern, wie oben beschrieben.
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Die 1A und 1B zeigen eine Wärmespeichervorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 1A zeigt eine perspektivische Außenansicht, und 1B zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht der Wärmespeichervorrichtung 100 entlang der Ebene B. 1 zeigt einen beispielhaften Bypass-Wärmetauscher, der an die Wärmespeichervorrichtung 100 gekoppelt sein kann.
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Zunächst auf 1A Bezug nehmend, kann die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Zylinderform haben. Mit anderen Worten, die Wärmespeichervorrichtung 100 kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Des Weiteren kann die Wärmespeichervorrichtung 100 um einen Winkel 101 von einer Horizontalen geneigt sein. Ein derartiger Winkel kann eine effiziente Wärmeübertragung durch die Vorrichtung erleichtern. Die Horizontale, wie hierin verwendet, bezieht sich auf den Boden, über den sich das Fahrzeug fortbewegt. Zum Beispiel zeigt 1A eine horizontale Achse 102 und eine vertikale Achse 104. Die vertikale Achse kann zur horizontalen Achse orthogonal sein. Deshalb kann die vertikale Achse zum Boden, über den sich das Fahrzeug fortbewegt, orthogonal sein. Wie gezeigt, kann die Wärmespeichervorrichtung 100 um einen Winkel 101 von einer horizontalen Achse 102 geneigt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Wärmespeichervorrichtung 100 um 5° von der Horizontalen geneigt sein; es ist jedoch ersichtlich, dass auch andere Winkel möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren ist die Wärmespeichervorrichtung 100 in einigen Ausführungsformen eventuell nicht geneigt. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung 100 mit der Horizontalen auf gleicher Höhe sein. Mit anderen Worten, der Winkel 101 kann null Grad betragen.
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Wie gezeigt, umfasst die Wärmespeichervorrichtung 100 einen Eintrittskanal 106 und einen Austrittskanal 108. Der Eintritts- und der Austrittskanal können ein Wärmeübertragungsfluid befördern. Des Weiteren kann die Wärmespeichervorrichtung ein Phasenwechselmaterial (Phase Changing Material, PCM) enthalten.
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Der Eintrittskanal 106 kann an einer mittleren Stelle an die Wärmespeichervorrichtung 100 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der Eintrittskanal 106 an ein erstes Ende 110 der Wärmespeichervorrichtung 100 an der mittleren Stelle gekoppelt sein. Mit anderen Worten, der Eintrittskanal 106 kann eine mittlere Achse 112 aufweisen, die einer mittleren Achse eines Endes 110 gemein ist und des Weiteren einer mittleren Achse der Wärmespeichervorrichtung 100 gemein ist. Der Eintrittskanal 106 kann zum Beispiel so konfiguriert sein, dass er die Wärmespeichervorrichtung 100 mit aus dem Auslasssystem zurückgewonnener Wärme versorgt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Wärmeübertragungsfluid des Eintrittskanals 106 an eine Pumpe (nicht gezeigt) gekoppelt sein, um eine Bewegung des Wärmeübertragungsfluids anzutreiben. Des Weiteren kann ein umgehbarer Wärmetauscher dem Eintrittskanal 106 vorgeschaltet positioniert sein. Ein derartiger Wärmetauscher wird mit Bezug zu 1C weiter erörtert. Des Weiteren kann der Eintrittskanal 106 einen Abschnitt umfassen, der sich in einem Inneren 114 der Wärmespeichervorrichtung 100 erstreckt.
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Der Austrittskanal 108 kann an einer oberen Stelle an die Wärmespeichervorrichtung 100 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der Austrittskanal 108 an ein zweites Ende 116 der Wärmespeichervorrichtung 100 an der oberen Stelle gekoppelt sein. Mit anderen Worten, der Austrittskanal 108 kann eine mittlere Achse 118 aufweisen, die sich in einem Abstand 120 zur gemeinsamen Achse 112 in vertikaler Richtung (z. B. entlang der vertikalen Achse 104) befindet. Auf diese Weise ist der Austrittskanal 108 zu einer Peripherie eines Endes 116 hin positioniert, statt mittig positioniert zu sein, um eine Blasenansammlung im Wärmeübertragungsfluid vorteilhaft zu reduzieren. Jedoch kann der Austrittskanal 108 bei einigen Ausführungsformen, falls gewünscht, mittig am Ende 116 positioniert sein. Der Austrittskanal 108 kann so konfiguriert sein, dass er Wärme von der Wärmespeichervorrichtung 100 auf ein anderes System des Fahrzeugs überträgt. Zum Beispiel kann der Austrittskanal 108 gespeicherte Wärme auf das Innenraumheizungssystem, das Kühlsystem, das Schmiersystem und/oder ein anderes System des Fahrzeugs übertragen. Des Weiteren kann der Austrittskanal 108 einen Abschnitt umfassen, der sich in das Innere 114 der Wärmespeichervorrichtung 100 erstreckt.
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Wie gezeigt, enthält die Wärmespeichervorrichtung 100 einen Vakuumkanal 122. Zum Beispiel kann der Vakuumkanal 122 am Ende 116 an die Wärmespeichervorrichtung 100 gekoppelt sein. Der Vakuumkanal 122 kann an sowohl die Wärmespeichervorrichtung 100 als auch eine Vakuumpumpe (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung 100 bei einigen Ausführungsformen einen Vakuummantel umfassen, und der Vakuumkanal 122 kann eine Leitung zum Evakuieren eines Luftraums innerhalb des Vakuummantels sein. Auf diese Weise kann ein Druck innerhalb mindestens eines Abschnitts des Inneren 114 reduziert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Druck im Inneren 114 auf 1 Mikrobar oder weniger reduziert werden.
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1B zeigt eine perspektivische Innenansicht der Wärmespeichervorrichtung 100. Wie gezeigt, kann die Wärmespeichervorrichtung 100 doppelwandig sein. Mit anderen Worten, die Wärmespeichervorrichtung 100 kann ein äußeres Behältnis 124 und ein inneres Behältnis 126 umfassen. Zum Beispiel kann die Wärmespeichervorrichtung äußere Wände 128 und innere Wände 130 umfassen. Des Weiteren kann die Wärmespeichervorrichtung einen zwischen äußeren Wänden 128 und inneren Wänden 130 positionierten Vakuummantel 132 umfassen. Wie oben beschrieben, kann der Vakuumkanal 122 zusammen mit einer Vakuumpumpe Luft aus dem Vakuummantel 132 saugen, so dass ein Druck innerhalb des Vakuummantels 132 reduziert wird.
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Der Vakuummantel 132 kann einen reduzierten Druck um eine Außenseite des inneren Behältnisses 126 halten, wenn ein Vakuum angelegt wird. Durch Anlegen eines Vakuums können Wasserdampf und andere gasförmige Verbindungen von den Oberflächen der isolierenden Schichten evakuiert werden, wenn heißes Fluid durch die Wärmeübertragungsfluidkanäle gepumpt wird. Des Weiteren kann der Vakuummantel 132 eine oder mehrere Strahlenschutzfolien 134 umfassen, die Wärmeverlust an die umliegende Umgebung über Strahlung reduzieren.
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Es versteht sich, dass die perspektivische Ansicht von 1B einen Längsquerschnitt der Wärmespeichervorrichtung 100 zeigt, somit ist ersichtlich, dass sich die äußeren Wände 128, die inneren Wände 130 und der Vakuummantel 132 um einen Umfang der Wärmespeichervorrichtung 100 und in Längsrichtung, zum Beispiel entlang der Achse 112, erstrecken. Des Weiteren kann mindestens ein Abschnitt des Eintrittskanals 106 und des Austrittskanals 108 doppelwandig sein und einen Vakuumraum umfassen. Zum Beispiel können Abschnitte 136 außen an der Wärmespeichervorrichtung 100 ähnlich dem inneren und dem äußeren Behältnis doppelwandig sein. Des Weiteren können sich die Vakuumräume 138 des Einlass- und des Austrittskanals mit dem Vakuummantel 132 der Wärmespeichervorrichtung vereinigen.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 kann einen oder mehrere axiale Träger 140 umfassen. Die axialen Träger 140 können das innere Behältnis 126 an das äußere Behältnis 124 koppeln, so dass das innere Behältnis innerhalb des äußeren Behältnisses aufgehängt und getragen wird. Wie gezeigt, können die axialen Träger 140 an äußere Wände 128 und innere Wände 130 gekoppelt sein und können somit innerhalb des Vakuummantels 132 positioniert sein. Die axialen Träger können aus einem Material mit Eigenschaften geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Zum Beispiel können die axialen Träger 140 aus Titan oder einem Verbundwerkstoff mit Titan oder einem anderen Material mit Eigenschaften geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Des Weiteren können die axialen Träger bei einigen Ausführungsformen perforiert sein, um Wärmeverlust an die umliegende Umgebung weiter zu reduzieren.
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Des Weiteren kann das innere Behältnis zusätzlich und/oder alternativ durch radiale Träger 142 getragen werden. Derartige radiale Träger können sich um den Umfang an verschiedenen Stellen befinden. Wie gezeigt, können die radialen Träger 142 an äußere Wände 128 und innere Wände 130 gekoppelt sein und können somit innerhalb des Vakuummantels 132 positioniert sein. Ähnlich wie die axialen Träger können die radialen Träger 142 aus Titan oder einem Verbundwerkstoff mit Titan oder einem anderen Material mit Eigenschaften geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Des Weiteren können die radialen Träger bei einigen Ausführungsformen perforiert sein, um Wärmeverlust an die umliegende Umgebung weiter zu reduzieren.
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Wie gezeigt, umfasst die Wärmespeichervorrichtung 100 zwei axiale Träger am Ende 110, einen axialen Träger am Ende 116 und vier radiale Träger 142. Es ist ersichtlich, dass die Anzahl der gezeigten axialen und radialen Träger nicht einschränkend ist und eine andere Anzahl von Trägern und/oder eine andere Konfiguration von Trägern möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Die Träger werden dazu bereitgestellt, ein allgemeines Konzept einer Konfiguration zu veranschaulichen, die bewirkt, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 Erdbeschleunigungskräften standhält, die auftreten können, wenn die Wärmespeichervorrichtung 100 starr an die Fahrzeugkarosserie gekoppelt ist.
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Die Wärmespeichervorrichtung 100 kann des Weiteren einen zwischen Halteplatten 146 über eine oder mehrere Federn 148 getragenen Stapel 144 aus Phasenwechselmaterial (Phase Changing Material, PCM) enthalten. Der PCM-Stapel 144 kann mehrere PCM-Elemente 150 enthalten, die radial um einen mittleren Zufuhrkanal 152 angeordnet sind. Bei einigen Ausführungsformen ist die Konfiguration des PCM-Stapels derart, dass der PCM-Stapel 80 % der gespeicherten Wärme mindestens 16 Stunden lang hält, die als Wärmequelle bei Start des Motors verwendet werden kann, um den Fahrzeuginnenraum zu erwärmen, wie oben beschrieben. Des Weiteren kann im PCM-Stapel 144 gespeicherte Wärme abgegeben werden, um den Fahrzeuginnenraum oder ein anderes Motorsystem zu erwärmen, ohne den Motor anzulassen. Zum Beispiel kann die PCM-Stapel-Entladung entfernt ausgelöst werden und muss nicht zwangsläufig mit dem Start des Motors zusammenfallen. Jedoch kann die PCM-Stapel-Entladung auch zusammen mit dem Start des Motors entfernt ausgelöst werden, zum Beispiel unter Verwendung eines Fernstarters zum Starten des Motors 12.
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Die mehreren PCM-Elemente 150 enthalten ein Phasenwechselmaterial, das zum Speichern einer großen Wärmemenge in Form latenter Schmelzwärme fähig ist. Dadurch, dass die mehreren PCM-Elemente 150 von der Doppelwandkonfiguration umgeben wird, werden die Wärmespeicherfähigkeiten verbessert. Mit anderen Worten, die Doppelwandkonfiguration wirkt wie eine Thermosflasche zum Halten von innerhalb der mehreren PCM-Elemente 150 gespeicherter Wärme. Bei einigen Ausführungsformen kann jedes PCM-Element das gleiche Phasenwechselmaterial umfassen, und somit kann der PCM-Stapel eine einzige Phasenübergangstemperatur aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen kann der PCM-Stapel PCM-Elemente mit unterschiedlichen Phasenwechselmaterialien umfassen, wobei jedes unterschiedliche Phasenwechselmaterial eine andere Phasenübergangstemperatur aufweist. In einem derartigen Beispiel kann eine Zeit zum Laden des PCM-Stapels reduziert werden. Mit anderen Worten, die Zeit dafür, dass der PCM-Stapel ein maximales Wärmespeicherpotenzial erreicht, kann reduziert werden.
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Wie gezeigt, kann das Wärmeübertragungsfluid über einen mittig positionierten Eintrittskanal 106 und des Weiteren über einen mittleren Zufuhrkanal 152 dem PCM-Stapel 144 zugeführt werden. Somit ist ersichtlich, dass der Eintrittskanal 106 mit dem mittleren Zufuhrkanal 152 in Strömungsverbindung steht. Somit strömt das Wärmeübertragungsfluid radial vom mittleren Zufuhrkanal 152 an die mehreren PCM-Elemente 150. Das Wärmeübertragungsfluid tritt über den in der oberen Stelle angeordneten Austrittskanal 108, wie oben beschrieben, aus der Wärmespeichervorrichtung aus. Wenn das Wärmeübertragungsfluid durch den PCM-Stapel strömt, erfolgt ein Druckabfall. Um den Druckabfall zu reduzieren, sind der Eintrittskanal 106 und der Austrittskanal 108 gerade. Mit anderen Worten, der Eintrittskanal 106 und der Austrittskanal 108 umfassen keine Biegungen. Des Weiteren umfassen der Eintrittskanal 106 und der Austrittskanal 108 keine Wellungen. Infolge des Nichtvorhandenseins von Wellungen kann sich eine Wärmeverlustrate potenziell erhöhen. Da der Eintritts- und der Austrittskanal einen Vakuumraum um einen Umfang dieser Kanäle umfassen, wird jedoch ein derartiges Wärmeverlustpotenzial reduziert.
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Wie gezeigt, können die Halteplatten 146 an einem der beiden Enden des PCM-Stapels 144 positioniert sein. Zum Beispiel kann eine Halteplatte 146 nahe dem Ende 110 positioniert sein, und eine andere Halteplatte 146 kann nahe dem Ende 116 positioniert sein. Die Halteplatten 146 können eine Kreisform haben und können einen Durchmesser aufweisen, der einem Durchmesser des PCM-Stapels 144 annähernd gleich ist. Ein anderes Beispiel ist, dass die Halteplatten 146 einen größeren Durchmesser oder einen kleineren Durchmesser als der PCM-Stapel 144 aufweisen können. Die Halteplatten können über eine oder mehrere Plattenverlängerungen mit Fenstern 154 an das innere Behältnis gekoppelt sein, damit das Wärmeübertragungsfluid den Ausgang 108 erreichen kann. Sechs axiale Stäbe (nicht gezeigt) gestatten das Halten des PCM-Stapels in Radial- und Umfangsrichtung. Die Stäbe sind mit den Halteplatten verschweißt. Somit wird der PCM-Stapel im Inneren des inneren Behältnisses 126 festgehalten, um eine eventuelle Stapel-Element-Verschiebung und/oder -Drehung während des Fahrzeugbetriebs zu reduzieren.
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Des Weiteren können eine oder mehrere Federn 148 die Position des PCM-Stapels weiter aufrechterhalten. Wie gezeigt, können eine oder mehrere Federn 148 nahe dem Ende 116 zwischen der Halteplatte 146 und den Innenwänden 130 positioniert sein. Die Federn 148 können dazu konfiguriert sein, einen ordnungsgemäßen Kontakt zwischen den PCM-Elementen während der Wärmeausdehnung und der Wärmekompression, die aus der Wärmeübertragungsfluiderwärmung und -abkühlung resultieren, sicherzustellen. Bei einigen Ausführungsformen können die Federn 148 eine Gesamtkraft von 100 Newton oder mehr aufweisen, um einen ordnungsgemäßen Kontakt zwischen den PCM-Elementen beizubehalten. Wie in 1B gezeigt, kann die Wärmespeichervorrichtung 100 fünf Federn umfassen; jedoch kann die Wärmespeichervorrichtung, falls gewünscht, auch mehr als fünf Federn oder weniger als fünf Federn umfassen.
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1C zeigt schematisch einen Wärmetauscher 156, der thermisch an den Auslasskanal 14 gekoppelt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 156 an einer Stelle zwischen dem Motor 12 und einer oder mehreren Abgasreinigungsvorrichtungen 16 thermisch an den Auslasskanal 14 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 156 thermisch an den Auslasskanal 14 gekoppelt sein, der einem Oxidationskatalysator, etwa einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), vorgeschaltet ist. Der Wärmetauscher 156 kann über einen Eintrittskanal 106 mit der Wärmespeichervorrichtung 100 strömungsverbunden sein. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 156 an einer stromaufwärts der Wärmespeichervorrichtung 100 liegenden Stelle thermisch an den Eintrittskanal 106 gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 156 ein Verdampfungsbereich sein, um Wärme aus dem Wärmekanal 14 zu gewinnen und die Wärme über den Eintrittskanal 106 für die Wärmespeichervorrichtung 100 bereitzustellen. Zum Beispiel kann der Wärmetauscher 156 Wärmeübertragungsrohre umfassen, die Wärmeübertragungsfluid befördern, das von einer durch einen Motor angetriebenen Pumpe eingespeist wird, um in das Innere der Rohre zu strömen. Ein anderes Beispiel ist, dass die Wärmeübertragungsrohre Wärmeübertragungsfluid befördern können, das von einer elektrisch angetriebenen Pumpe eingespeist wird, um in das Innere der Rohre zu fließen.
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Eine derartige Konfiguration der Wärmeübertragungsrohre kann mit dem Eintrittskanal 106 strömungsverbunden sein. Ein Beispiel ist, dass das Wärmeübertragungsfluid der Rohre dem Wärmeübertragungsfluid des Eintrittskanals 106 entsprechen kann. Ein anderes Beispiel ist, dass das Wärmeübertragungsfluid der Rohre ein anderes Fluid als das Wärmeübertragungsfluid des Eintrittskanals 106 sein kann.
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Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmetauscher 156 ein Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher. Bei anderen Ausführungsformen könnte der Wärmetauscher 156 ein Gas-Flüssig- oder Gas-Thermosiphon-Wärmetauscher sein.
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Des Weiteren kann der Auslasskanal 14 ein Bypass-Ventil 158 umfassen, das Abgasstrom durch den Wärmetauscher 156 leitet. Das Bypass-Ventil 158 ist in 1C in einer Bypass-Position (z. B. einer geschlossenen Position) gezeigt. Das Bypass-Ventil 158 kann über eine Steuerung betätigt werden, oder das Bypass-Ventil 158 kann ein passives Ventil sein, falls gewünscht. Das Bypass-Ventil 158 kann sich in einer geöffneten Position befinden (Abgase werden z. B. nicht zum Wärmetauscher 156 umgelenkt), wenn der Abgasgegendruck einen Schwellwert erreicht. Zum Beispiel kann das Bypass-Ventil 158 bei starken Abgasströmen und/oder hohen Abgastemperaturen geschlossen sein. Somit kann das Bypass-Ventil 158 Verlust von Motorleistung reduzieren und kann deshalb den Kraftstoffverbrauch reduzieren.
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Es versteht sich, dass das offenbarte System mehr als einen Wärmetauscher umfassen kann. Zum Beispiel kann ein Wärmetauscher dem Eintrittskanal 106 vorgeschaltet positioniert sein, und ein oder mehrere Wärmetauscher können dem Austrittskanal 108 nachgeschaltet positioniert sein. Zum Beispiel kann ein Wärmetauscher an einer Schnittstelle zwischen dem Wärmerückgewinnungssystem und einem anderen System des Fahrzeugs positioniert sein. Eine derartige Konfiguration wird ausführlicher mit Bezug auf 2 beschrieben.
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Es versteht sich, dass die 1A–1C in vereinfachter Form gezeigt sind und dass zahlreiche Variationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren kann die Wärmespeichervorrichtung 100 zusätzliche und/oder alternative Komponenten zu den in den 1A und 1B veranschaulichten umfassen. Außerdem versteht sich, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 bereitgestellt wird, um ein allgemeines Konzept zu veranschaulichen, und somit zahlreiche geometrische Konfigurationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen.
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2 zeigt schematisch ein Wärmerückgewinnungssystem 200, das eine Wärmespeichervorrichtung 100 und mehrere Wärmetauscher umfasst. 2 umfasst ähnliche Merkmale wie 1, und gleiche Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Derartige Merkmale werden der Kürze halber nicht wiederholt erörtert.
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Wie gezeigt, umfasst das Wärmerückgewinnungssystem 200 einen Wärmetauscher 156 zum Zurückgewinnen von Wärme aus dem Auslasssystem 10, wie oben beschrieben. Das Wärmerückgewinnungssystem 200 kann des Weiteren einen oder mehrere zusätzliche Wärmetauscher 202 umfassen. Die Wärmetauscher 202 können Wärme zwischen dem Wärmerückgewinnungssystem 200 und einem anderen Motorsystem 203 übertragen. Zum Beispiel können die Wärmetauscher 202 Wärme an ein Kühlsystem 204, ein Fahrzeuginnenraumheizungssystem 228 und/oder ein Getriebesystem 206 übertragen. Mit anderen Worten, die Wärmetauscher 202 können mit einem Fluid des Kühlsystems 204, des Fahrzeuginnenraumheizungssystems 228 und/oder des Getriebesystems 206 thermisch gekoppelt (z. B. in thermischem Kontakt) sein, um Wärme auf jedes jeweilige System zu übertragen.
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Es versteht sich, dass alle der Motorsysteme 203 vom Wärmerückgewinnungssystem 200 und vom Auslasssystem 10 getrennte Systeme sind. Daher umfassen die Motorsysteme 203 Komponenten, die von den Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems 200 und des Auslasssystems 10 getrennt sind. Somit umfassen die Motorsysteme 203 nicht den Wärmetauscher 156, die Wärmetauscher 202, die Wärmespeichervorrichtung 100 oder eine andere Komponente des Wärmerückgewinnungssystems 200 und des Auslasssystems 10. Zum Beispiel kann das Innenraumheizungssystem 228 einen Heizungswärmetauscher und ein Gebläse umfassen, wobei der Heizungswärmetauscher und das Gebläse von dem Wärmerückgewinnungssystem und dem Auslasssystem getrennt sind. Somit liegt auf der Hand, dass nur eine Fluidleitung (z.B. ein Kühlmittelkanal) jedes Motorsystems 203 zum Beispiel an einer mit dem Wärmetauscher 202 zusammenfallenden Stelle mit dem Wärmerückgewinnungssystem 200 in thermischem Kontakt steht. Auf diese Weise erfolgt die Wärmeübertragung am Wärmetauscher.
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Es versteht sich, dass ein oder mehrere der Wärmetauscher Gas-Flüssig- und/oder Gas-Thermosiphon-Wärmetauscher sein können. Wie gezeigt, können Wärmetauscher 202 parallel an ein Motorsystem thermisch gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen können Wärmetauscher 202 in Reihe an jedes der Motorsysteme thermisch gekoppelt sein. Zum Beispiel kann Wärmeübertragungsfluid durch eine Reihe von Wärmetauschern 202 fließen, die mit einem gemeinsamen Wärmeübertragungsfluidkanal strömungsverbunden sind. Wie gezeigt, kann Wärmeübertragungsfluid (HTF – Heat Transfer Fluid) durch einen Wärmetauscher fließen und kann Wärme auf ein Fluid eines oder mehrerer der zuvor erwähnten Systeme thermisch übertragen. Die Pfeile 208 geben allgemein eine Richtung von HTF-Strom an, und die Pfeile 210 geben allgemein eine Richtung von Fluidstrom für jedes Motorsystem an. Die Pumpe 212 kann HTF-Fluidstrom durch das Wärmerückgewinnungssystem 200 antreiben. Wie gezeigt, ist die Pumpe 212 dem Wärmetauscher 156 vorgeschaltet positioniert; jedoch ist auch eine andere Position möglich, ohne von dem Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren ist ersichtlich, dass das Kühlsystem 204, das Innenraumheizungssystem 228 und/oder das Getriebesystem 206 einen anderen Antriebsmechanismus zum Antreiben von Fluidstrom durch jedes jeweilige System aufweisen können. Zum Beispiel kann jedes Motorsystem 203 eine der Pumpe 212 ähnliche Pumpe, die mit dem Fluidstrom strömungsverbunden ist, aufweisen.
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Das Wärmerückgewinnungssystem 200 kann des Weiteren ein oder mehrere Steuerventile 214, ein oder mehrere verstellbare Ventile 216, einen oder mehrere Verteiler, wie zum Beispiel den Verteiler 218 und den Verteiler 220, und eine Ausdehnungsvorrichtung 222 umfassen.
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Die Steuerventile 214 können durch eine Steuerung (nicht gezeigt) betätigt werden, um HTF-Strom durch das Wärmerückgewinnungssystem 200 zu regulieren. Wie gezeigt, kann ein Steuerventil einem der Wärmetauscher 202 vorgeschaltet, der Wärmespeichervorrichtung 100 vorgeschaltet und/oder an einer anderen Stelle innerhalb des Wärmerückgewinnungssystems 200 zum Regulieren von HTF-Strom positioniert sein. Abhängig von einem Betriebszustand des Fahrzeugs können ein oder mehrere der Steuerventile betätigt werden, um eine Temperatur des HTF zu regulieren. Zum Beispiel kann, wenn ein oder mehrere Steuerventile geschlossen werden, ein Volumen von zirkulierendem HTF reduziert werden, so dass sich die Temperatur des HTF schneller erhöhen kann.
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Des Weiteren kann die HTF-Temperatur über die Betätigung eines verstellbaren Steuerventils 216 reguliert werden. Ein derartiges Steuerventil kann so betätigt werden, dass es sich unterschiedlich weit öffnet, um einen Fluidstrom des durch das verstellbare Steuerventil 216 passierenden HTF zu ändern. Wie gezeigt, ist das verstellbare Steuerventil 216 dem Verteiler 220 vorgeschaltet positioniert und ist in einem Bypass-Kreislauf 224 enthalten. Der Bypass-Kreislauf 224 kann die Wärmespeichervorrichtung 100 umgehen. Deshalb kann der Bypass-Kreislauf 224 gestatten, dass HTF zirkuliert, ohne durch die Wärmespeichervorrichtung 100 zu passieren. Zum Beispiel kann, um in der Wärmespeichervorrichtung 100 gespeicherte Wärme zu halten, das verstellbare Steuerventil 216 so eingestellt werden, dass HTF-Fluidstrom durch den Bypass-Kreislauf 224 strömen kann. Mit anderen Worten, der Bypass-Kreislauf 224 kann ein Mischkreislauf sein, der kühleres HTF-Fluid mit wärmerem HTF-Fluid mischt, das durch den Wärmetauscher 156, die Wärmespeichervorrichtung 100 und/oder einen oder mehrere Wärmetauscher 202 zirkuliert. Durch Mischen von durch den Bypass-Kreislauf 224 zirkulierendem HTF mit anderem zirkulierendem HTF-Strom kann eine Gesamttemperatur des zirkulierenden HTF reduziert werden.
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Darüber hinaus kann die HTF-Temperatur reguliert werden, indem der ganze zirkulierende HTF-Strom durch den Bypass-Kreislauf 226 geleitet wird. Abhängig vom Betriebszustand des Motors 12 und/oder der Wärmekapazität der Wärmespeichervorrichtung 100 kann zum Beispiel der Bypass-Kreislauf 226 ein Abgastemperaturerhöhungskreislauf sein und der Bypass-Kreislauf 226 kann ein Wärmeaufladungskreislauf sein. Zum Beispiel kann der Bypass-Kreislauf 226 als Abgastemperaturerhöhungskreislauf fungieren, wenn die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Wärmeladung hält und die Abgastemperatur unter einem Schwellwert liegt. Des Weiteren kann der Wärmetauscher 156 einem oder mehreren Abgasreinigungsvorrichtungen vorgeschaltet positioniert sein und die Wärmespeichervorrichtung 100 kann erwärmtes HTF, das dem Wärmetauscher 156 zugeführt werden soll, entladen. Auf diese Weise kann erwärmtes HTF nur durch den Bypass-Kreislauf 226 zirkuliert werden, um eine Temperatur des Abgasstroms zu erhöhen, so dass eine Zeit zum Erreichen des Anspringens des Katalysators reduziert wird.
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Des Weiteren kann der Bypass-Kreislauf 226 als Wärmeaufladungskreislauf Wärme aus dem Abgasstrom zum Aufladen der Wärmespeichervorrichtung 100 gewinnen. Somit kann HTF nur durch den Wärmeladungskreislauf 225 zum Erhöhen der Temperatur von HTF über den Wärmetauscher 156 fließen. Auf diese Weise kann HTF durch den Abgasstrom zum Aufladen der Wärmespeichervorrichtung 100 mit Wärmekapazität erwärmt werden. Es kann vorteilhaft sein, die Wärmespeichervorrichtung 100 auf diese Weise aufzuladen, wenn eine Temperatur der Wärmespeichervorrichtung unter einem Schwellwert liegt, nachdem zum Beispiel die Wärmespeichervorrichtung ihre Wärmekapazität entladen hat und/oder nachdem die verschiedenen Motorsysteme ausreichend warm sind. Mit anderen Worten, ein oder mehrere Steuerventile 214, die den Wärmetauschern 202 vorgeschaltet positioniert sind, können geschlossen werden, um ein Volumen von zirkulierendem HTF zu reduzieren, und/oder ein verstellbares Steuerventil 216 kann auch geschlossen werden, so dass zirkulierendes HTF nur durch den Bypass-Kreislauf 226, den Wärmetauscher 156 und die Wärmespeichervorrichtung 100 passiert. Ein Verfahren zum Regulieren von HTF-Strom durch das Wärmerückgewinnungssystem 200 durch Betätigen eines oder mehrerer Steuerventile wird mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Wie gezeigt, können die Verteiler 218 und 220 dort im Wärmerückgewinnungssystem 200 positioniert sein, wo mehrere HTF-Fluid befördernde Rohre zusammentreffen. Zum Beispiel kann der Verteiler 218 zum Empfang von HTF-Fluid von einem Rohr konfiguriert sein und kann zwei HTF-Auslässe umfassen. Als anderes Beispiel kann der Verteiler 220 zum Empfang von HTF-Fluid von mehr als einem Rohr konfiguriert sein und mehr als einen Auslass umfassen. Wie gezeigt, empfängt der Verteiler 220 HTF-Strom von der Wärmespeichervorrichtung 100 und vom Bypass-Kreislauf 224. Des Weiteren kann der Verteiler 220 einen zu jedem Wärmetauscher 202 und/oder zum Wärmeladungskreislauf 225 hin gerichteten Auslass aufweisen. Es ist ersichtlich, dass die Verteiler 218 und 220 als nicht einschränkende Beispiele bereitgestellt werden, und somit sind auch andere Konfigurationen möglich, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen.
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Die Ausdehnungsvorrichtung 222 kann den mehreren Wärmetauschern 202 nachgeschaltet positioniert sein. Wie gezeigt, ist die Ausdehnungsvorrichtung 222 zum Empfang von HTF von jedem der Wärmetauscher 202 sowie dem Wärmeaufladungskreislauf 225 konfiguriert. Zum Beispiel kann die Ausdehnungsvorrichtung 222 zur Entgasung bereitgestellt sein. Mit anderen Worten, die Ausdehnungsvorrichtung 222 kann den Wärmetauschern 202 und dem Wärmeaufladungskreislauf 225 nachgeschaltet positioniert sein, um einen Druck des eintretenden HTF-Stromes zu regulieren.
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Es versteht sich, dass das Wärmerückgewinnungssystem 200 beispielhaft bereitgestellt ist und somit nicht als einschränkend aufzufassen ist. Deshalb sollte auf der Hand liegen, dass das Wärmerückgewinnungssystem 200 zusätzliche und/oder alternative Merkmale zu den in 2 veranschaulichten umfassen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Wärmerückgewinnungssystem ein Dreiwegeventil zum Regulieren von HTF-Strom zu mehr als einem Motorsystem enthalten.
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3 zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren 300, das zum Betreiben des Wärmerückgewinnungssystems 200 verwendet werden kann.
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Bei 302 umfasst das Verfahren 300 Bestimmen, ob ein Motor angelassen wurde. Falls die Antwort auf 302 NEIN lautet, endet das Verfahren 300. Falls die Antwort auf 302 JA lautet, wird das Verfahren bei 304 fortgesetzt.
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Bei 304 umfasst das Verfahren 300 Bestimmen, ob eine HTF-Temperatur unter einem Schwellwert liegt. Zum Beispiel kann die Abgastemperatur eine einer Abgasreinigungsvorrichtung vor- und/oder nachgeschaltete Abgastemperatur sein. Falls die Antwort auf 304 JA lautet, wird das Verfahren 300 bei 306 fortgesetzt. Falls die Antwort auf 304 NEIN lautet, wird das Verfahren 300 bei 308 fortgesetzt.
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Bei 306 umfasst das Verfahren 300 Reduzieren eines Volumens von zirkulierendem Wärmeübertragungsfluid (Heat Transfer Fluid, HTF) und Entladen einer Wärmespeichervorrichtung (z. B. der Wärmespeichervorrichtung 100), um eine Auslasssystemkomponente, wie zum Beispiel eine Auslasssystemkomponente, zu erwärmen. Zum Beispiel kann Reduzieren des Volumens Schließen eines oder mehrerer Steuerventile umfassen, um zu verhindern, dass das zirkulierende Wärmeübertragungsfluid an ein oder mehrere Motorsysteme verteilt wird. Des Weiteren kann Entladen der Wärmespeichervorrichtung Entladen gespeicherter thermischer Energie der Wärmespeichervorrichtung umfassen, wobei die gespeicherte thermische Energie eines vorherigen Motorbetriebs gespeichert wird. Außerdem kann die gespeicherte thermische Energie auf das zirkulierende Wärmeübertragungsfluid übertragen und an die Auslasssystemkomponente verteilt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Auslasssystemkomponente einer Abgasreinigungsvorrichtung vorgeschaltet sein.
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Bei 308 umfasst das Verfahren 300 Verteilen von zirkulierendem HTF an ein oder mehrere Motorsysteme. Zum Beispiel können ein oder mehrere Steuerventile so betätigt werden, dass sie zirkulierendes HTF an ein Innenraumheizungssystem und/oder ein Motorkühlsystem und/oder ein Getriebesystem etc. verteilen.
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Bei 310 umfasst das Verfahren 300 Bestimmen, ob das eine oder die mehreren Motorsysteme ausreichend warm sind. Falls die Antwort auf 310 NEIN lautet, kehrt das Verfahren 300 zu 306 zurück. Falls die Antwort auf 310 JA lautet, wird das Verfahren 300 bei 312 fortgesetzt.
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Bei 312 umfasst das Verfahren 300 Aufladen der Wärmespeichervorrichtung. Zum Beispiel kann das Volumen von zirkulierendem HTF reduziert werden und/oder ein Bypass-Kreislauf kann geöffnet werden, so dass HTF durch einen thermisch an das Auslasssystem gekoppelten Wärmetauscher und durch die Wärmespeichervorrichtung zirkuliert wird. Auf diese Weise kann eine Wärmekapazität der Wärmespeichervorrichtung erhöht werden.
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Bei 314 umfasst das Verfahren 300 Bestimmen, ob eine HTF-Temperatur über einem Schwellwert liegt. Zum Beispiel kann das HTF zu warm werden, wenn das Fahrzeug über einen längeren Zeitraum in Betrieb ist. Falls die Antwort auf 314 NEIN lautet, wird das Verfahren 300 bei 316 fortgesetzt. Falls die Antwort auf 314 JA lautet, wird das Verfahren 300 bei 318 fortgesetzt.
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Bei 316 umfasst das Verfahren 300 Schließen eines Mischkreislaufs. Daher wird das Volumen von zirkulierendem HTF als Reaktion auf die Temperatur des HTF nicht eingestellt.
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Bei 318 umfasst das Verfahren 300 Einstellen eines verstellbaren Ventils des Mischkreislaufs. Daher wird ein Totvolumen von HTF aus dem Mischkreislauf abgegeben, um die Temperatur des zirkulierenden HTF zu reduzieren. Wie oben beschrieben, kann die Temperatur des HTF basierend auf einer Position des verstellbaren Ventils reguliert werden. Zum Beispiel kann das Ventil vollständig geöffnet werden, um das HTF schnell abzukühlen. Als weiteres Beispiel kann das Ventil teilweise geöffnet werden, um das HTF mäßig abzukühlen.
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Es versteht sich, dass das Verfahren 300 beispielhaft bereitgestellt wird und somit nicht als einschränkend aufzufassen ist. Deshalb sollte auf der Hand liegen, dass das Verfahren 300 zusätzliche und/oder alternative Schritte zu den in 3 veranschaulichten umfassen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren versteht sich, dass das Verfahren 300 nicht auf die veranschaulichte Reihenfolge beschränkt ist; vielmehr können ein oder mehrere Schritte anders angeordnet oder ausgelassen werden, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können ein oder mehrere Abschnitte des Verfahrens 300 ohne Start des Motors erfolgen. Wie oben beschrieben, kann die Wärmespeichervorrichtung zum Entladen aktiviert werden, ohne den Motor zu betreiben.
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Verschiedene Leitungen können als Rohre bezeichnet werden, die verschiedene Formen von Leitungen, Kanälen, Verbindungen etc. umfassen können, und sind nicht auf irgendeine spezielle Querschnittsgeometrie, irgendein spezielles Material, irgendeine spezielle Länge etc. beschränkt.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen rein beispielhaft sind und dass diese bestimmten Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden sollen, da zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motortypen angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt somit alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart sind, ein.
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Die folgenden Ansprüche weisen speziell auf bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hin, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten als den Einschluss von einem oder mehreren solchen Elementen umfassend verstanden werden, wobei sie zwei oder mehr solche Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage von neuen Ansprüchen in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder anders in Bezug auf die ursprünglichen Ansprüche ist, auch als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
