DE102015008998A1

DE102015008998A1 - Method for using the exhaust heat of an internal combustion engine in a motor vehicle in non-constant operating conditions

Info

Publication number: DE102015008998A1
Application number: DE102015008998.6A
Authority: DE
Inventors: Josef Mercz; Robert Breinl; Manuel Vogel
Original assignee: qpunkt Deutschland GmbH
Current assignee: AVL Deutschland GmbH
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Dem Stand der Technik entspricht ein Kreisprozess, bei dem mit Hilfe einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit oder elektrische Energie mit dem Ziel der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erzeugt wird. Das Problem bei bekannten Lösungen ist, dass in den im Fahrzeugbetrieb auftretenden instationären Betriebszuständen Abgaswärme nur eingeschränkt genutzt werden kann oder eine Regelung nur in Abhängigkeit des Abgasmassenstromes vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die dem Verdampfer zugeführte oder die von diesem aufgenommene Wärmemenge sowohl vom Abgasmassenstrom, als auch von der aktuellen Abgastemperatur und dem aktuellen Wärmeübertragungskoeffizienten abhängt. Eine bedarfsgerechte Regelung der an den Verdampfer geführten Abgasmenge mit einer dynamischen Regelstrategie und Auswertung der GPS-Daten sowie mit einem thermischen Energiespeicher ermöglicht die Berücksichtigung dieser Parameter. Dadurch wird die Nutzung von Abgaswärme von Verbrennungsmotoren in einem erweiterten Betriebsbereich möglich, mit dem Effekt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs im reellen Fahrbetrieb.The invention relates to a method for using the exhaust heat of an internal combustion engine in a motor vehicle. The state of the art corresponds to a cyclic process in which mechanical work or electrical energy is generated with the aid of an expansion machine with the aim of reducing fuel consumption. The problem with known solutions is that in the transient operating conditions occurring during vehicle operation, exhaust heat can only be used to a limited extent or regulation is provided only as a function of the exhaust gas mass flow. The present invention is based on the recognition that the amount of heat supplied to or absorbed by the evaporator depends both on the exhaust gas mass flow and on the current exhaust gas temperature and the current heat transfer coefficient. On-demand control of the amount of exhaust gas routed to the evaporator with a dynamic control strategy and evaluation of the GPS data as well as with a thermal energy storage enables the consideration of these parameters. This makes it possible to use exhaust heat from internal combustion engines in an extended operating range, with the effect of improving fuel consumption in real driving.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug. Dieses Verfahren ist in verschiedenen Ausführungen bekannt. Dem Stand der Technik entspricht ein Kreisprozess, bekannt als Clausius-Rankine-Kreisprozess, bei dem die hohe Temperatur der Abgase des Verbrennungsmotors dazu genutzt wird, ein Arbeitsfluid in einem Wärmetauscher (in einem Verdampfer) zu verdampfen. Dabei tritt eine Druckerhöhung ein, und durch eine Expansion kann das Arbeitsfluid wieder verflüssigt werden. Die Expansionsmaschine (in der Regel eine Turbine oder eine Kolbenmaschine) leistet mechanische Arbeit, die durch eine mechanische Kopplung direkt an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors wirken oder durch Antreiben eines elektrischen Generators als in der Batterie gespeicherte elektrische Energie genutzt werden kann.The invention relates to a method for using the exhaust heat of an internal combustion engine in a motor vehicle. This method is known in various designs. The prior art corresponds to a cycle known as the Rankine cycle in which the high temperature of the exhaust gases of the internal combustion engine is used to vaporize a working fluid in a heat exchanger (in an evaporator). In this case, an increase in pressure occurs, and by expansion, the working fluid can be liquefied again. The expansion machine (typically a turbine or a piston engine) performs mechanical work that acts directly on the crankshaft of the engine through mechanical coupling or can be used by driving an electrical generator as electrical energy stored in the battery.

Sowohl die mechanische Zurückspeisung als auch die gewonnene elektrische Energie führt zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs. Die Höhe dieser Einsparung hängt in erster Linie vom Wirkungsgrad des Kreisprozesses und von der zur Verfügung stehenden Abgaswärmemenge ab. Optimale Wirkungsgrade stellen sich in stationären, also eingeschwungenen Betriebspunkten ein. Der charakteristische Fahrzeugbetrieb von Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen besteht allerdings überwiegend aus instationären Betriebspunkten, wie Beschleunigung, Verzögerung und Lastwechsel, wobei als Last eines Verbrennungsmotors das Drehmoment oder der damit proportionale effektive Mitteldruck definiert wird. Die Änderungen der Motordrehzahl und des Motordrehmomentes führen zu einer Änderung der Temperatur und der Menge der Abgase, die den Verdampfer umströmen. Die Nutzung der höheren Wirkungsgrade in den stationären, eingeschwungenen Betriebspunkten ist damit nicht möglich. Gleichzeitig sind bei den hohen Abgaswärmeströmen (Volllastlinie des Verbrennungsmoors) die Grenzwerte des Kreislaufes (maximaler Druck und maximale Temperatur) einzuhalten, um mechanische Schäden an den das Arbeitsfluid führenden Teilen zu vermeiden. Eine Auslegung des Kreislaufes an die maximalen Wärmeströme würde eine Wirkungsgradverschlechterung in den Betriebspunkten mit niedrigeren Lasten (Teillastbetrieb) verursachen und das Einsparpotential an Kraftstoff deutlich reduzieren.Both the mechanical recovery and the recovered electrical energy leads to an improvement in the fuel consumption of the motor vehicle. The amount of this saving depends primarily on the efficiency of the cycle and on the amount of exhaust heat available. Optimal efficiencies set in stationary, so steady operating points. However, the characteristic vehicle operation of passenger cars and commercial vehicles consists predominantly of unsteady operating points, such as acceleration, deceleration and load changes, with the torque or the effective mean effective pressure proportional thereto being defined as the load of an internal combustion engine. The changes in engine speed and engine torque result in a change in the temperature and amount of exhaust gases that bypass the evaporator. The use of the higher efficiencies in stationary steady state operating points is therefore not possible. At the same time, in the case of the high exhaust gas heat flows (full load line of the combustion chamber), the limit values of the circuit (maximum pressure and maximum temperature) must be observed in order to avoid mechanical damage to the parts carrying the working fluid. A design of the circuit to the maximum heat flows would cause an efficiency deterioration in the operating points with lower loads (partial load operation) and significantly reduce the fuel savings potential.

Einige Patentanmeldungen wie die Offenlegungsschriften DE 10 2008 012 907 A1 oder DE 10 2007 062 580 A1 schlagen zur Lösung dieses Problems eine Regelung der Drehzahl der Förderpumpe und damit eine variable, den Abgasmassenströmen angepasste Arbeitsfluidmenge pro Zeiteinheit vor. Die Transportleistung der Pumpe wird in Abhängigkeit durch jeweils den aktuellen Abgasmassenstrom gesteuert, also zeitveränderlich eingestellt. Dabei wird vorausgesetzt, dass die im Verdampfer übertragbare Wärmemenge nur durch den Abgasmassenstrom beeinflusst wird.Some patent applications such as the patents DE 10 2008 012 907 A1 or DE 10 2007 062 580 A1 propose to solve this problem, a control of the speed of the feed pump and thus a variable, the exhaust gas mass flow adjusted working fluid per unit time. The transport performance of the pump is controlled in dependence on each of the current exhaust gas mass flow, so set time variable. It is assumed that the amount of heat transferable in the evaporator is influenced only by the exhaust gas mass flow.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die dem Verdampfer zugeführte oder die von diesem aufgenommene Wärmemenge sowohl vom Abgasmassenstrom, als auch von der aktuellen Abgastemperatur und dem aktuellen Wärmeübertragungskoeffizienten abhängt. Unter diesen Größen kann die Abgastemperatur nur aufwändig und nicht unabhängig von einem dem Fahrerwunsch entsprechenden Motorbetriebspunkt verändert werden und ist von den durch das Steuergerät des Verbrennungsmotors entsprechend vorgegebenen Motorparametern abhängig. Der Wärmeübertragungskoeffizient bleibt bei Beibehaltung der Strömungsverhältnisse, also identischen Temperaturen, Drücken und Abgasmassenströmen sowie Anströmverhältnissen konstant. Eine optimale Einstellung des Kreisprozesses auf einen nahezu stationären Betriebspunkt kann also vorteilhaft durch die bedarfsgerechte Regelung der an den Verdampfer geführten Abgasmenge, die auch in der Funktion der Abgastemperatur und des näherungsweise bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten geändert wird, realisiert werden. Durch die Trennung des Abgasstromes in eine Teilmenge, die an den Verdampfer geführt und eine Bypassmenge, die den Verdampfer umgeht, kann der Kreisprozess auf einen mittleren optimalen Betriebspunkt ausgelegt und in einem breiten Kennfeldbereich des Verbrennungsmotors betrieben werden.The present invention is based on the recognition that the amount of heat supplied to or absorbed by the evaporator depends both on the exhaust gas mass flow and on the current exhaust gas temperature and the current heat transfer coefficient. Under these parameters, the exhaust gas temperature can be changed only consuming and not independent of an engine operating point corresponding to the driver's request and is dependent on the motor parameters set by the control unit of the internal combustion engine. The heat transfer coefficient remains constant while maintaining the flow conditions, ie identical temperatures, pressures and exhaust gas mass flows and flow conditions. An optimal adjustment of the cycle to an almost stationary operating point can thus be advantageously realized by the demand-controlled control of the guided to the evaporator amount of exhaust gas, which is also changed in the function of the exhaust gas temperature and the approximately determined heat transfer coefficient. By separating the exhaust gas stream into a subset, which leads to the evaporator and a bypass amount that bypasses the evaporator, the cycle can be designed for a medium optimum operating point and operated in a wide map range of the engine.

Für die Regelung der an den Verdampfer strömenden Abgasmenge sind mehrere Arten der Abgasventile oder -klappen geeignet. Eine mögliche Konstruktion zylindrischer Bauart als Drehventil zeigt 1, eine Ausführung als Abgasklappe 2.For the regulation of the amount of exhaust gas flowing to the evaporator, several types of exhaust valves or flaps are suitable. A possible design of cylindrical design as a rotary valve shows 1 , an execution as exhaust flap 2 ,

Weitere Ausführungen eines Schrägtellerventils sind in der Offenlegungsschrift DE 00 0010 321 638 A1 , eine Ausführung als Drehkolbenventil in DE 10 2005 041 146 A1 beschrieben.Other versions of a Schrägtellerventils are in the published patent application DE 00 0010 321 638 A1 , a version as rotary valve in DE 10 2005 041 146 A1 described.

Bei der Anwendung dieser Regelorgane ist darauf zu achten, dass der volle Querschnitt des als Verdampfer eingesetzten Wärmetauschers durchströmt wird, um ein gleichmäßiges Temperaturprofil des Arbeitsmediums in dem Verdampfer sicherzustellen. Das bedeutet, dass bei Betriebspunkten mit niedrigen Lasten und damit niedrigen Abgasmassenströmen der gesamte Abgasmassenstrom durch den Verdampfer durchtritt, während bei hohen Lasten und damit hohen Abgaswärmeströmen durch Öffnen des Abgasventils oder der Abgasklappe ein größerer Bypass-Querschnitt freigegeben und ein zunehmender Anteil der Abgase an dem Verdampfer vorbeigeleitet wird.When using these control devices, care must be taken to ensure that the full cross-section of the heat exchanger used as the evaporator is flowed through in order to ensure a uniform temperature profile of the working medium in the evaporator. This means that at operating points with low loads and thus low exhaust gas mass flows through the entire exhaust gas mass flow through the evaporator, released at high loads and high exhaust heat flows by opening the exhaust valve or the exhaust valve a larger bypass cross section and an increasing proportion of exhaust gases to the Evaporator is passed.

Die Regelung ist unter Berücksichtigung des Abgaswärmestromes auszulegen, dass in erster Näherung als Produkt der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms abgebildet werden kann. Die Berücksichtigung der augenblicklichen Wärmeübertragungskoeffizienten kann mit guter Näherung aus der Differenz der Abgas- und der Arbeitsfluidtemperatur sowie der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, die sich aus den Zustandswerten (Abgasdruck, Abgastemperatur) ergibt, bestimmt werden. Zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird der Abgasmassenstrom als die Summe der angesaugten Luftmenge und der verbrauchten Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit mit einer berechneten Molzahländerung aus der Gaskonstante der Verbrennungsgase von durchschnittlich 287,5 J/kgK nach „ R. Pischinger, M. Klell, Th. Sams: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, Springer Verlag/Reihe Der Fahrzeugantrieb, Anhang A, Tabelle A.11. ” benutzt werden. Die angesaugte Luftmenge und verbrauchte Kraftstoffmenge pro Zeiteinheit sowie die Abgastemperatur und -druck werden bei modernen Verbrennungsmotoren im Fahrzeugeinsatz erfasst und dem Steuergerät des Verbrennungsmotors und somit der erfindungsgemäßen Regelung zur Verfügung gestellt. The control is to be interpreted taking into account the exhaust gas heat flow, which can be shown as a first approximation as the product of the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow. The consideration of the instantaneous heat transfer coefficients can be determined to a good approximation from the difference between the exhaust gas and the working fluid temperature and the flow rate of the exhaust gas, which results from the state values (exhaust gas pressure, exhaust gas temperature). For determining the flow rate of the exhaust gas, the exhaust gas mass flow is calculated as the sum of the intake air quantity and the consumed fuel quantity per unit time with a calculated number of moles from the gas constant of the combustion gases averaging 287.5 J / kgK. R. Pischinger, M. Klell, Th. Sams: Thermodynamics of Internal Combustion Engines, Springer Verlag / Series The Vehicle Drive, Appendix A, Table A.11. " to be used. The intake air quantity and fuel consumption per unit time and the exhaust gas temperature and pressure are detected in modern internal combustion engines in vehicle use and provided to the control unit of the internal combustion engine and thus the control according to the invention.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine dynamische Regelstrategie vorgesehen, die die thermischen und mechanischen Trägheiten der Komponenten des Kreislaufs berücksichtigt und den Abgasmassenstrom so regelt, dass an den Verdampfer beim Aufheizvorgang höhere, beim Abkühlvorgang niedrigere Abgasmassenströme und damit Wärmeströme geleitet werden, als das im stationären Betriebspunkt nach Erreichen des eingeschwungenen Zustandes der Fall wäre und damit der instationäre Betriebszustand schneller in einen stationären Betriebszustand überführt wird.In a further embodiment of the invention, a dynamic control strategy is provided, which takes into account the thermal and mechanical inertia of the components of the circuit and controls the exhaust gas mass flow so that higher, exhaust gas mass flows and thus heat flows are conducted to the evaporator during the heating process than in the stationary operating point after reaching the steady state would be the case and thus the transient operating state is transferred faster to a steady state operating condition.

Eine weitere regelungstechnische Maßnahme ist die Berücksichtigung der zu erwartenden Betriebspunkte des Verbrennungsmotors in der Abhängigkeit des Geländeprofils und abgeleitet aus den GPS-Daten aus dem Navigationsgerät. Besonders bei Berg- und Talfahrten kann eine vorausschauende Regelung des Kreislaufs ein weiteres Einsparpotential im Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs durch die zusätzlich gewonnene Energie aus der Abgaswärme erzeugen.Another control measure is the consideration of the expected operating points of the internal combustion engine in the dependence of the terrain profile and derived from the GPS data from the navigation device. Particularly in the case of ascents and descents, a forward-looking control of the cycle can generate a further savings potential in the fuel consumption of the vehicle due to the additionally obtained energy from the exhaust gas heat.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Integration eines Speicherbehälters gefüllt mit thermischem Energiespeichermaterial (phase change material, Latentwärmespeicher) so in die Abgasleitung integriert, dass bei hohen Lasten und hohen Abgastemperaturen aus dem Bypass-Abgasstrom Überschusswärme in dem thermischem Energiespeichermaterial gespeichert und bei Bedarf in niedrigen Lastpunkten mit niedrigen Abgastemperaturen diese dem Kreislauf zur Verfügung gestellt und damit eine kürzere Aufheizzeit des Verdampfers sowie ein nahezu stationärer Betriebspunkt im zeitlichen Verlauf erreicht. Geeignete Materialien sind z. B. Metallhydride mit einer möglichen Arbeitstemperatur bis 500°C.In a further embodiment of the invention, the integration of a storage tank filled with thermal energy storage material (phase change material, latent heat storage) is integrated into the exhaust pipe that stored at high loads and high exhaust gas temperatures from the bypass exhaust gas flow excess heat in the thermal energy storage material and, if necessary in low load points with low exhaust gas temperatures this made available to the circuit and thus achieves a shorter heating time of the evaporator and a near stationary operating point over time. Suitable materials are for. As metal hydrides with a possible working temperature up to 500 ° C.

Die dargestellte Erfindung ermöglicht die Nutzung von Abgaswärme von Verbrennungsmotoren im Fahrzeugbetrieb unter Erweiterung des Betriebsbereiches im Motorkennfeld mit dem Effekt der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und damit der Reduzierung der klimaschädlichen CO₂-Emission auch im reellen Fahrbetrieb mit charakteristischen instationären Betriebspunkten.The illustrated invention allows the use of exhaust heat of internal combustion engines in vehicle operation with expansion of the operating range in the engine map with the effect of improving fuel consumption and thus the reduction of climate-damaging CO ₂ emissions even in real driving with characteristic transient operating points.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008012907 A1 [0003]
DE 102007062580 A1 [0003]
DE 000010321638 A1 [0006]
DE 102005041146 A1 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

R. Pischinger, M. Klell, Th. Sams: Thermodynamics of Internal Combustion Engines, Springer Verlag / Series The Vehicle Drive, Appendix A, Table A.11. [0008]

Claims

Method for using the exhaust heat of an internal combustion engine in a motor vehicle, characterized in that a Rankine cycle cycle is provided on an internal combustion engine with an exhaust gas heat exchanger (evaporator), before the exhaust gas volume flow by means of an exhaust valve or an exhaust valve with a variable cross section through the divided in a full cross-section of the evaporator flowing partial flow and in a guided outside the evaporator defined partial flow and thus the cycle is designed for a mean optimum operating point for exhaust heat recovery and can be operated in an extended map range of the engine in transient operating conditions. 1 shows an example of a possible actuator in the form of a cylindrical rotary valve ( 3 ) with three opening cross-sections (0%, 50%, 100%), which regulates the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) attributable partial volume flow within the exhaust pipe ( 2 ) of the internal combustion engine. 2 schematically shows an exhaust flap ( 4 ) in three different regulations.

A method according to claim 1, characterized in that the outside of the evaporator controlled defined partial flow rate as a function of the exhaust gas mass flow, the exhaust gas temperature and the proportionality factor of the heat transfer coefficient, which is calculated as a first approximation as a product of the exhaust gas mass flow and the temperature difference between the exhaust gas inlet and working fluid. Consideration of other important influencing factors, size, shape and roughness of the contact surface, speed and type of flow, such as laminar or turbulent is also provided. For calculating the flow rate of the exhaust gases, the exhaust gas mass flow is used as the sum of the intake air quantity and the consumed fuel quantity per unit time with a calculated number of moles from the gas constant of the combustion gases averaging 287.5 J / kgK.

A method according to claim 1 and 2, characterized in that a dynamic control strategy is provided, which takes into account the thermal and mechanical inertia of the components of the circuit and thus these as time-variable control parameters with defined time constants and controls the exhaust gas mass flow so that the evaporator at Heating process higher, during the cooling process lower exhaust gas mass flows and thus heat flows are passed, as would be the case at steady state operating point after reaching the steady state and thus the transient operating state is transferred faster in a steady state operating condition.

A method according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the expected in the time sequence of the vehicle driving operation points of the internal combustion engine derived from the GPS data from the navigation device of the vehicle in the dependence of the terrain profile are calculated in advance and the control strategy to the expected heat flows, that is adapted to the expected exhaust gas temperatures, exhaust gas mass flows and heat transfer coefficients on the evaporator. Particularly in the case of ascents and descents, a forward-looking control of the cycle can generate a further savings potential in the fuel consumption of the vehicle due to the additionally obtained energy from the exhaust gas heat.

A method according to claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that in the exhaust pipe of the internal combustion engine, a storage tank filled with thermal energy storage material (phase change material, latent heat storage) is integrated so that at high loads and high exhaust gas temperatures from the outside of the evaporator led defined Partial volume flow not used in the evaporator excess heat stored in the thermal energy storage material and if necessary in low load points with low heat flows, ie low exhaust gas temperatures and exhaust gas mass flows this additionally provided the circuit and thus a shorter heating time of the evaporator with a faster adjustment of the steady-state operating point and a uniform heat flow in the time course of transient vehicle operation is achieved. Suitable materials are for. As metal hydrides with a possible working temperature up to 500 ° C.