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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Bei Systemen zur Abwärmerückgewinnung in mobilen Anwendungen, wie zum Beispiel PKW und Nutzfahrzeugen, wird Wärme aus einem Abgas und/oder aus einem Kühlmittel mittels eines thermodynamischen Kreislaufs in kinetische Energie umgewandelt, welche dann in einen Antriebssprang eingespeist wird und zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt und/oder in elektrische Energie umgewandelt und in eine elektrisches Netz eingespeist wird. Ziel ist es dabei, den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Thermodynamische Kreisläufe zur Energierückgewinnung, beispielsweise ein Clausius Rankine Cycle, werden üblicherweise mit einem geeigneten Arbeitsmedium geführt. Das Arbeitsmedium wird durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende, heiße Dampf über eine geeignete Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird. Zum Schluss wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert und erneut der Pumpe zugeführt.
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Die kinetische Energie des Expanders kann beispielsweise mechanisch über einen Nebenabtrieb auf einer Primärseite des Antriebsstrangs an der Verbrennungskraftmaschine eingespeist werden. Ebenso kann eine Einspeisung an einer Sekundärseite des Antriebsstrangs, das heißt an einem Getriebe, erfolgen.
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Die
EP 1 249 585 A1 offenbart ein Abwärme-Wiedergewinnungssystem für einen Verbrennungsmotor, ein Kraftübertragungssystem, das einen Expander des Abwärme-Wiedergewinnungssystems mit einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors verbindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbessertes Kraftfahrzeug und ein verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Kraftfahrzeug einen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe sowie einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, die zum Einspeisen von aus Abwärme gewonnener mechanischer Energie am Getriebe eingerichtet ist, wobei mindestens eine Steuerungseinheit zum Steuern und/oder Regeln des Antriebsstrangs vorgesehen ist. Die mindestens eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, während einer Rollphase des Kraftfahrzeugs mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung so in den Antriebsstrang einzuspeisen, dass die Rollphase sich verlängert. Die Einspeisung am Getriebe, das heißt auf einer Sekundärseite des Antriebsstrangs, insbesondere abtriebsseitig hinter einer Kupplung, hat den Vorteil, dass in Rollphasen auch bei geöffneter Kupplung mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung zur Einspeisung mechanischer Energie an einem Eingang des Getriebes angeordnet. Auf diese Weise kann in Rollphasen auch bei geöffneter Kupplung mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung zur Einspeisung mechanischer Energie an einem Ausgang des Getriebes angeordnet. Auf diese Weise kann in Rollphasen, auch wenn das Getriebe in einer Neutralstellung ist, mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Antriebsstrang mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Getriebe sowie einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, die zum Einspeisen von aus Abwärme gewonnener mechanischer Energie am Getriebe eingerichtet ist, wird der Antriebsstrang mittels mindestens einer Steuerungseinheit gesteuert und/oder geregelt. Die mindestens eine Steuereinheit steuert und/oder regelt den Antriebsstrang so, dass während einer Rollphase des Kraftfahrzeugs mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist wird, um die Rollphase zu verlängern. Die Einspeisung am Getriebe, das heißt auf einer Sekundärseite des Antriebsstrangs, insbesondere abtriebsseitig hinter einer Kupplung, hat den Vorteil, dass in Rollphasen auch bei geöffneter Kupplung mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Einspeisung mechanischer Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung an einem Eingang des Getriebes, wobei eine zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe angeordnete Kupplung während einer Rollphase geöffnet und im Getriebe ein Gang eingelegt ist oder wird. Auf diese Weise kann in Rollphasen auch bei geöffneter Kupplung mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Einspeisung mechanischer Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung an einem Ausgang des Getriebes, wobei während einer Rollphase das Getriebe in eine Neutralstellung gebracht ist oder wird oder wobei eine zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Getriebe angeordnete Kupplung geöffnet wird. Auf diese Weise kann in Rollphasen, auch wenn das Getriebe in einer Neutralstellung ist, mechanische Energie aus der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung in den Antriebsstrang eingespeist werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die mindestens eine Steuerungseinheit ein Prädiktions-Modul, mittels dessen eine verfügbare Leistung der Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung unter Berücksichtigung einer bekannten oder mittels eines Vorausschauhorizont-Moduls ermittelten Topografie einer vorausliegenden Fahrstrecke simuliert und eine Rollphase entsprechend geplant, gestartet und beendet wird. Auf diese Weise kann der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs besonders verbrauchsgünstig gestaltet werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei einer mittels des Prädiktions-Moduls ermittelten bevorstehenden Rollphase die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung so gesteuert und/oder geregelt, dass ein Verdampfer überhitzt und/oder ein Wärme- oder Dampfspeicher befüllt wird. Auf diese Weise kann bei vorheriger Kenntnis einer Rollphase die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung auf eine Rollphase mit niedrigerer Abgaswärme vorbereitet werden, so dass die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung etwas länger mechanische Leistung abgeben kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei Überschreitung einer vorgegebenen oberen Rollgeschwindigkeitsgrenze die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung so gesteuert und/oder geregelt werden, dass sie ein Bremsmoment erzeugt. Wird das Fahrzeug während einer Rollphase vorübergehend schneller als die vorgegebene obere Rollgeschwindigkeitsgrenze, so kann die Geschwindigkeit mittels des Bremsmoments wieder entsprechend verringert werden, um die obere Rollgeschwindigkeitsgrenze einzuhalten. Erfolgt dies mittels des Prädiktions-Moduls frühzeitig, kann eine Überhöhung der Geschwindigkeit und ggf. eine Abschaltung der Rollphase vermieden werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei Überschreitung einer vorgegebenen oberen Rollgeschwindigkeitsgrenze ebenso die Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung mittels einer weiteren Kupplung vom Getriebe getrennt und mittels einer Bremsvorrichtung ein Bremsmoment im Antriebsstrang erzeugt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Kraftfahrzeugs mit einem Antriebsstrang und einer Vorrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Teils eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs, mit einem Antriebsstrang 1 und einer Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung. Der Antriebsstrang 1 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 3, eine Kupplung 4, ein Getriebe 5 und eine Abtriebswelle 6. Weiter sind eine Motorsteuerungseinheit 7 zur Steuerung und/oder Regelung der Verbrennungskraftmaschine 3, eine Abgasnachbehandlungs-Steuerungseinheit 8 zur Steuerung und/oder Regelung einer Abgasnachbehandlung und eine Getriebe-Steuerungseinheit 9 zur Steuerung und/oder Regelung des Getriebes 5 vorgesehen.
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Weiter ist eine Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung vorgesehen, die einen nicht näher dargestellten Arbeitskreislauf zur Abwärmerückgewinnung umfasst, wobei Wärme aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 3 mittels eines thermodynamischen Kreislaufs, beispielsweise Clausius Rankine Cycle oder Organic Rankine Cycle, in kinetische Energie umgewandelt wird, welche dann zum Vortrieb des Fahrzeugs beiträgt. Dabei wird im Arbeitskreislauf ein Arbeitsmedium durch eine Pumpe zunächst auf eine höhere Drucklage verdichtet. Dann wird dem Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher Wärme, beispielsweise aus dem Abgas, zugeführt, um es zu verdampfen. Anschließend wird dieser unter hohem Druck stehende heiße Dampf über eine geeignete Expansionsmaschine entspannt, wobei kinetische Energie über eine Welle abgegeben wird. Zum Schluss wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator zurück in die flüssige Phase kondensiert und erneut der Pumpe zugeführt. Zur Steuerung und/oder Regelung der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung ist eine Abgaswärmerückgewinnung-Steuerungseinheit 10 vorgesehen. Die von der Expansionsmaschine aus Wärme gewonnene kinetische Energie wird auf einer Sekundärseite des Antriebsstrangs 1, das heißt nach der Kupplung 4, insbesondere an einem Ausgang 5.2 oder Eingang 5.1 des Getriebes 5, in den Antriebsstrang 1 eingespeist.
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Ferner sind eine Dauerbremsvorrichtung 11 und eine Dauerbremsvorrichtungs-Steuerungseinheit 12 vorgesehen.
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Die Motor-Steuerungseinheit 7, die Abgasnachbehandlungs-Steuerungseinheit 8, die Getriebe-Steuerungseinheit 9, die Abgaswärmerückgewinnung-Steuerungseinheit 10 und die Dauerbremsvorrichtungs-Steuerungseinheit 12 sind ihrerseits mit einem zentralen Antriebssteuerungs-Modul 13 verbunden und werden von diesem gesteuert und/oder geregelt. Das Antriebssteuerungs-Modul 13 umfasst ein Geschwindigkeitsregel-Modul 14, ein Schaltstrategie-Modul 15 und ein Abwärmeschnittstellen-Modul 16.
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Das zentrale Antriebssteuerungs-Modul 13 ist mit einem Prädiktions-Modul 17 verbunden und wird von diesem gesteuert und/oder geregelt. 1. Dabei erfolgt eine prädiktive Betriebsstrategie mit integrierter prädiktiver Fahrstrategie zur Steuerung und/oder Regelung des Geschwindigkeitsregel-Moduls 14, des Schaltstrategie-Moduls 15 und des Abwärmeschnittstellen-Moduls 16.
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Das Geschwindigkeitsregel-Modul 14 ist zur Regelung einer von einem Fahrer vorgegebenen Sollgeschwindigkeit ausgebildet, wird über einen veränderbaren Unschärfebereich über eine vorausschauende Fahrstrategie beeinflusst und ermittelt ein gesamtes erforderliches Antriebs- und/oder Bremsmoment.
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Das Schaltstrategiemodul 15 ermittelt einen optimalen Gang oder eine optimale Fahrstufe des Getriebes 5, wird dabei beispielsweise von der vorausschauenden Fahrstrategie beeinflusst und übermittelt den ermittelten Gang an die Getriebe-Steuerungseinheit 9.
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Das Abwärmeschnittstellen-Modul 16 stellt eine Schnittstelle zwischen Prädiktions-Modul 17, Gesamtfahrzeug- und Antriebstrangsteuerung, das heißt Motor-Steuerungseinheit 7, Abgasnachbehandlungs-Steuerungseinheit 8, Getriebe-Steuerungseinheit 9, Abgaswärmerückgewinnung-Steuerungseinheit 10 und Dauerbremsvorrichtungs-Steuerungseinheit 12 dar.
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Ein Vorausschauhorizont-Modul 18 ist mit dem Prädiktions-Modul 17 verbunden und beeinflusst dieses. Das Vorausschauhorizont-Modul 18 erzeugt mithilfe einem beispielsweise satellitengestützen Ortungs-Modul 19 und einer digitalen Karte einen Vorausschauhorizont, der beispielsweise ein Steigungs- und/oder Krümmungsprofil über eine gewählte Horizontlänge enthält.
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Die Motor-Steuerungseinheit 7, die Abgasnachbehandlungs-Steuerungseinheit 8, die Getriebe-Steuerungseinheit 9, die Abgaswärmerückgewinnung-Steuerungseinheit 10, die Dauerbremsvorrichtungs-Steuerungseinheit 12, das Antriebssteuerungs-Modul 13, das Geschwindigkeitsregel-Modul 14, das Schaltstrategie-Modul 15, das Abwärmeschnittstellen-Modul 16, das Prädiktions-Modul 17, das Vorausschauhorizont-Modul 18 und das Ortungs-Modul 19 können als einzelne Steuerungseinheiten oder als Module einer oder mehrerer Steuerungseinheiten ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann nur ein Teil der genannten Steuerungseinheiten und Module 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 sowie der von ihnen jeweils gesteuerten und/oder geregelten Komponenten des Antriebsstrangs 1 vorgesehen sein.
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Durch die Einspeisung der mechanischen Leistung der Expansionsmaschine der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung auf der Sekundärseite des Antriebsstrangs 1, insbesondere am Ausgang 5.2 oder am Eingang 5.1 des Getriebes 5, ergibt sich die Möglichkeit, diese mechanische Leistung in Rollphasen zu nutzen, beispielsweise wenn die Kupplung 4 geöffnet ist. Die Kupplung 4 kann beispielsweise mittels der Getriebe-Steuerungseinheit 9 oder mittels einer anderen Steuerungseinheit dann getrennt werden, wenn eine Leistungsanforderung um die Nulllast liegt.
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Entscheidungen über das Auftrennen und Wiederherstellen der Antriebsverbindung mittels der Kupplung 4 können durch das Prädiktions-Modul 17 unter Berücksichtigung von Informationen des Vorausschauhorizont-Moduls 18 getroffen werden. Dabei kann das von der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung bereitgestellte zusätzliche Antriebsmoment genutzt werden, Rollphasen bei Erreichen einer unteren Roll-Geschwindigkeitsschwelle zu verlängern.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Prädiktions-Modul 17 mit einer prädiktiven Fahrstrategie, die durch Voraussimulation die verfügbare Leistung der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung und die Länge und Energiebilanz einer Rollphase durch Berücksichtigung der vom Vorausschauhorizont-Moduls 18 bereitgestellten Topografie ermitteln und die Rollphase entsprechend planen, starten und beenden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Leistung der Expansionsmaschine der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung am Eingang 5.1 des Getriebes 5 eingespeist. In diesem Fall werden die Kupplung 4 und das Getriebe 5 während einer Rollphase so gesteuert und/oder geregelt, dass die Kupplung 4 geöffnet ist und im Getriebe 5 ein Gang eingelegt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Nulllastanforderung die Kupplung 4 auch stufenweise oder stufenlos soweit geöffnet werden, dass sich ein bestimmter Schlupf ergibt. Während einer Nulllastanforderung kann die Verbrennungskraftmaschine 3 bei getrennter Kupplung 4 auch abgeschaltet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die mechanische Leistung der Expansionsmaschine der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung am Ausgang 5.2 des Getriebes 5 eingespeist. In diesem Fall kann das Getriebe 5 während einer Rollphase in eine Neutralstellung gebracht werden, so dass kein Gang eingelegt ist, sofern die Rollphase keine Bremsleistung benötigt. Die Kupplung 4 kann in diesem Fall offen oder geschlossen sein. Während einer Nulllastanforderung kann die Verbrennungskraftmaschine 3 auch abgeschaltet werden, wenn das Getriebe 5 in der Neutralstellung ist.
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Das Prädiktions-Modul 17 kann bei vorheriger Kenntnis einer Rollphase die Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung so auf eine Rollphase mit niedrigerer Abgaswärme vorbereiten, dass die Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung etwas länger mechanische Leistung abgeben kann. Dies kann zum Beispiel durch vorübergehende leichte Überhitzung der Verdampfer oder durch Befüllung eines Wärme- oder Dampfspeichers erfolgen.
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Wird das Fahrzeug während einer Rollphase vorübergehend schneller als eine, beispielsweise durch das Geschwindigkeitsregel-Modul 14, vorgegebene obere Rollgeschwindigkeitsgrenze, so kann das Antriebssteuerungs-Modul 13 den Antriebsstrang 1 so steuern und/oder regeln, dass ein Bremsmoment generiert wird, um die obere Rollgeschwindigkeitsgrenze einzuhalten, beispielsweise durch entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Dauerbremsvorrichtung 11 oder der Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung. Dabei kann die Vorrichtung 2 zur Abgaswärmerückgewinnung entweder rechtzeitig mithilfe einer weiteren Kupplung (nicht dargestellt) abgekoppelt oder die Expansionsmaschine in einen Bremsbetrieb umgeschaltet werden. Erfolgt dies mittels des Prädiktions-Moduls 17 frühzeitig, kann eine Überhöhung der Geschwindigkeit und ggf. eine Abschaltung der Rollphase vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1249585 A1 [0004]
- EP 1326017 A1 [0005]
