DE102016217743A1 - Hybrid system for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Hybridsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (110), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (110) eines Fahrzeugs. Das Hybridsystem (1) umfasst ein Abwärmerückgewinnungssystem (100) und ein Rekuperationssystem (120). Das Abwärmerückgewinnungssystem (100) weist einen ein Arbeitsmedium führenden Kreislauf (100a) auf. Der Kreislauf (100a) umfasst in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe (102), einen Verdampfer (103), eine Expansionsmaschine (104) und einen Kondensator (105). Die Expansionsmaschine (104) ist mechanisch mit einem Generator (106) verbunden. Das Rekuperationssystem (120) weist eine elektrische Maschine (122) auf. Die elektrische Maschine (122) ist mittels eines Übertragungselements (123) mit einer Kurbelwelle (121) der Brennkraftmaschine (110) verbindbar. Der Generator (106) und die elektrische Maschine (122) sind elektrisch mit einem gemeinsamen Energiespeicher (10), vorzugsweise einer 48V-Batterie, verbunden. Das Abwärmerückgewinnungssystem (100) und das Rekuperationssystem (120) weisen eine gemeinsame Steuerungslogik auf.Hybrid system (1) for an internal combustion engine (110), in particular for an internal combustion engine (110) of a vehicle. The hybrid system (1) includes a waste heat recovery system (100) and a recuperation system (120). The waste heat recovery system (100) comprises a circulation medium (100a) carrying a working medium. The circuit (100a) comprises, in the direction of flow of the working medium, a feed fluid pump (102), an evaporator (103), an expansion machine (104) and a condenser (105). The expansion machine (104) is mechanically connected to a generator (106). The recuperation system (120) has an electrical machine (122). The electric machine (122) can be connected to a crankshaft (121) of the internal combustion engine (110) by means of a transmission element (123). The generator (106) and the electric machine (122) are electrically connected to a common energy store (10), preferably a 48V battery. The waste heat recovery system (100) and the recuperation system (120) have common control logic.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, zur effizienten Energienutzung.The present invention relates to a hybrid system for an internal combustion engine, in particular for an internal combustion engine for a vehicle, for the efficient use of energy.
Stand der TechnikState of the art
Man kann Fahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennkraftmaschine mit einem Rekuperationssystem ausrüsten, das in Verbindung mit einem elektrischen Speicher (Batterie) eine Rückgewinnung überschüssiger kinetischer Energie erlaubt. Hierzu wird eine elektrische Maschine beim Betätigen des Bremspedals generatorisch betrieben, so dass kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie gewandelt und in der Batterie gespeichert wird. Ein derartiges Rekuperationssystem ist aus der Offenlegungsschrift
Weiterhin sind Abwärmerückgewinnungssysteme für Brennkraftmaschinen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
Sowohl Rekuperationssystem als auch Abwärmerückgewinnungssystem sind Gegenstand ständiger Weiterentwicklungen um die Effizienz zu steigern und damit letztendlich den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Verwendung in Fahrzeugen, zu senken. Both recuperation system and waste heat recovery system are the subject of constant development to increase the efficiency and thus ultimately to reduce the fuel consumption of the internal combustion engine, especially when used in vehicles.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Hybridsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, weist den Vorteil auf, dass es eigentliche Verlustenergien der Brennkraftmaschine besonders effizient nutzt. Dabei werden ein Abwärmerückgewinnungssystem und ein Rekuperationssystem zusammengeführt, wobei Synergien genutzt, Komponenten eingespart und Parameter für die gemeinsame Steuerung bzw. Regelung vorteilhaft kombiniert werden.The hybrid system according to the invention for an internal combustion engine, in particular for an internal combustion engine of a vehicle, has the advantage that it uses actual energy losses of the internal combustion engine particularly efficiently. In this case, a waste heat recovery system and a recuperation system are brought together, whereby synergies used, components saved and parameters for the common control or regulation are combined advantageously.
Dazu umfasst das Hybridsystem ein Abwärmerückgewinnungssystem und ein Rekuperationssystem. Das Abwärmerückgewinnungssystem weist einen ein Arbeitsmedium führenden Clausius-Rankine-Kreislauf mit einer Expansionsmaschine auf. Die Expansionsmaschine ist mechanisch mit einem Generator verbunden. Das Rekuperationssystem weist eine elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine ist mittels eines Übertragungselements mit einem Abtrieb der Brennkraftmaschine, beispielsweise mit einer Kurbelwelle, verbindbar. Der Generator und die elektrische Maschine sind elektrisch mit einem gemeinsamen Energiespeicher, vorzugsweise einer 48V-Batterie, verbunden. Vorzugsweise umfasst der Clausius-Rankine-Kreislauf in Flussrichtung des Arbeitsmediums eine Speisefluidpumpe, einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine und einen Kondensator.For this purpose, the hybrid system comprises a waste heat recovery system and a recuperation system. The waste heat recovery system comprises a Clausius Rankine cycle leading to a working medium with an expansion machine. The expansion machine is mechanically connected to a generator. The recuperation system has an electric machine. The electric machine is connected by means of a transmission element with an output of the internal combustion engine, for example with a crankshaft. The generator and the electric machine are electrically connected to a common energy storage, preferably a 48V battery. Preferably, the Rankine cycle in the flow direction of the working medium comprises a feed fluid pump, an evaporator, an expansion machine and a condenser.
Der Energiespeicher wird somit – abhängig von den Betriebspunkten der Brennkraftmaschine und des Hybridsystems – sowohl über das Abwärmerückgewinnungssystem als auch über das Rekuperationssystem aufgeladen. Dementsprechend kann der Energiespeicher auch über einen vergleichsweise langen Zeitraum elektrische Energie, für diverse Verbraucher, aber insbesondere für die Brennkraftmaschine, zur Verfügung stellen.The energy storage is thus - depending on the operating points of the internal combustion engine and the hybrid system - charged both via the waste heat recovery system and the recuperation system. Accordingly, the energy storage device can also provide electrical energy for a relatively long period of time for various consumers, but in particular for the internal combustion engine.
Vorteilhafterweise weisen das Abwärmerückgewinnungssystem und das Rekuperationssystem eine gemeinsame Steuerungslogik auf. Die gemeinsame Steuerungslogik von Abwärmerückgewinnungssystem und Rekuperationssystem führt zu verbesserten Steuerungsalgorithmen für beide Systeme. Beispielsweise kann so der Ladezustand des Energiespeichers für die Steuerung bzw. Regelung beider Systeme verwendet werden. Ebenso können die Energiezustände der beiden Systeme aufeinander abgestimmt werden. Zusätzlich kann eine Energienachfrage für diverse Verbraucher ermittelt werden. Es kann also das Energieangebot mit der Energienachfrage abgestimmt werden. Idealerweise wird dabei die Energie sehr effizient über eine möglichst kurze Wirkungsgradkette bereitgestellt.Advantageously, the waste heat recovery system and the recuperation system have a common control logic. The common control logic of the waste heat recovery system and recuperation system results in improved control algorithms for both systems. For example, the state of charge of the energy store can thus be used for controlling or regulating both systems. Likewise, the energy states of the two systems can be coordinated. In addition, an energy demand for various consumers can be determined. So it can be tuned with the energy demand energy supply. Ideally, the energy is provided very efficiently over the shortest possible efficiency chain.
In vorteilhaften Ausführungen regeln kommunizierende Steuergeräte, vorzugsweise ein gemeinsames Steuergerät, das Abwärmerückgewinnungssystem und das Rekuperationssystem mittels der gemeinsamen Steuerungslogik. Das Hybridsystem wird somit komponentensparend von nur einem Steuergerät geregelt, welches die gemeinsame Steuerungslogik der beiden Systeme beinhaltet bzw. aus dieser Steuerungslogik Ansteuersignal für beide Systeme erzeugt. Ersatzweise können dafür auch mehrere kommunizierende Steuergeräte verwendet werden. Durch die Verwendung nur eines Steuergeräts oder mehrerer kommunizierender Steuergeräte können für die Steuerungslogik Synergien und Algorithmen verwendet werden, welche Wechselwirkungen zwischen Abwärmerückgewinnungssystem und Rekuperationssystem berücksichtigen, wodurch Synergien im Hybridsystem entstehen. Die Steuerungslogik ist vorzugsweise so unterteilt, dass ein Energiespeichermanager für den Ladezustand des Energiespeichers relevante Eingangs- und Ausgangsdaten behandelt und dass ein Abwärmerückgewinnungskoordinator die für die Steuerung bzw. Regelung des Abwärmerückgewinnungssystems relevanten Daten behandelt. Der Energiespeichermanager berücksichtigt dabei vorzugsweise Leistungsangebot und Leistungsnachfrage sowie Ladzustände des Energiespeichers und optionaler weiterer Energiespeicher im Fahrzeug. In advantageous embodiments, communicating control units, preferably a common control unit, regulate the waste heat recovery system and the recuperation system by means of the common control logic. The hybrid system is thus component-saving controlled by only one control unit, which includes the common control logic of the two systems or generated from this control logic drive signal for both systems. Alternatively, several communicating ECUs can be used for this purpose. By using only one controller or multiple communicating controllers, synergies and algorithms can be used for the control logic that take into account interactions between the waste heat recovery system and the recuperation system, thereby creating synergies in the hybrid system. The control logic is preferably subdivided such that an energy storage manager for the state of charge of the energy storage device handles relevant input and output data and that a waste heat recovery coordinator handles the data relevant to the control of the waste heat recovery system. The energy storage manager preferably takes into account the range of services and the demand for power as well as the charging states of the battery Energy storage and optional further energy storage in the vehicle.
Vorteilhafterweise ist die elektrische Maschine bezüglich der Brennkraftmaschine sowohl als Generator als auch als Motor betreibbar. Läuft die elektrische Maschine als Motor, so versorgt die elektrische Maschine beispielsweise die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mit einem zusätzlichen Drehmoment, wobei dieses letztendlich auch aus dem Abwärmerückgewinnungssystem gewonnen wird. Läuft die elektrische Maschine als Generator, so fungiert sie als Motorbremse, also als Bremse für die Brennkraftmaschine, indem sie auf die Kurbelwelle ein Drehmoment aufbringt, welches dem Drehmoment der Brennkraftmaschine entgegen wirkt. In diesem generatorischen Zustand speist die elektrische Maschine Energie in den Energiespeicher ein.Advantageously, the electric machine with respect to the internal combustion engine is operable both as a generator and as a motor. When the electric machine is running as an engine, for example, the electric machine supplies the crankshaft of the internal combustion engine with an additional torque, which ultimately is also obtained from the waste heat recovery system. If the electric machine runs as a generator, it acts as an engine brake, ie as a brake for the internal combustion engine, by applying torque to the crankshaft, which counteracts the torque of the internal combustion engine. In this regenerative state, the electric machine feeds energy into the energy store.
Durch die gemeinsame Nutzung des Energiespeichers mit übergeordneter Steuerungslogik wird die Energieeffizienz der beiden Systeme Abwärmerückgewinnungssystem und Rekuperationssystem optimiert. Dadurch wird letztendlich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine reduziert. Dabei werden eigentliche Verlustenergien der Brennkraftmaschine, beispielsweise Wärmeenergie des Abgases und Bremsenergie der Räder eines Fahrzeugs, verwendet, um sie dem Energiespeicher zur Verfügung zu stellen.By sharing the energy storage with superordinate control logic, the energy efficiency of the two systems waste heat recovery system and recuperation system is optimized. As a result, the fuel consumption of the internal combustion engine is ultimately reduced. In this case, actual energy losses of the internal combustion engine, such as heat energy of the exhaust gas and braking energy of the wheels of a vehicle, used to provide them to the energy storage available.
Vorteilhafterweise dient der Energiespeicher als Zwischenpuffer, um eine Energieflussoptimierung zwischen dem Abwärmerückgewinnungssystem und dem Rekuperationssystem zu ermöglichen. Durch die Speicherfähigkeit des Energiespeichers können Energieangebot und Energienachfrage vorausschauend aufeinander abgestimmt werden.Advantageously, the energy store serves as an intermediate buffer to enable energy flow optimization between the waste heat recovery system and the recuperation system. Through the storage capacity of the energy storage, energy supply and energy demand can be coordinated with each other in a proactive way.
In vorteilhaften Weiterbildungen sind an den Energiespeicher dabei neben der Brennkraftmaschine auch weitere Verbraucher angehängt, beispielsweise ein Bordnetz eines Fahrzeugs. Dies eröffnet die Möglichkeit die benötigte Energie effizienter, im besten Fall kraftstoffneutral, zur Verfügung stellen zu können. Dies hat zur Folge, dass Komponenten, welche heute die Aufgabe haben elektrische Energie aus Kraftstoff zur Verfügung zu stellen, beispielsweise eine Lichtmaschine, entlastet werden können oder sogar entfallen.In advantageous developments, additional consumers are attached to the energy store besides the internal combustion engine, for example a vehicle electrical system of a vehicle. This opens up the possibility of providing the required energy more efficiently, in the best case fuel neutral. As a result, components which today have the task of providing electrical energy from fuel, for example an alternator, can be relieved or even eliminated.
Versorgt das Abwärmerückgewinnungssystem über den Energiespeicher die elektrische Maschine mit Antriebsleistung, welche in den Abtrieb der Brennkraftmaschine als zusätzliches Drehmoment eingekoppelt wird, so liegt eine direkte elektrische Nutzung des Hybridsystems vor. Demzufolge kann das Hybridsystem als elektrisches Getriebe zwischen Abwärmerückgewinnungssystem und Rekuperationssystem betrieben werden; in den entsprechenden Betriebszuständen wird ein zusätzliches Drehmoment somit mittelbar vom Abwärmerückgewinnungssystem in den Abtrieb der Brennkraftmaschine eingekoppelt. Dieser Betrieb ist vorteilhaft, wenn aktuell keine indirekte Nutzung der elektrischen Energie möglich ist und eine Unterstützung der Brennkraftmaschine aus energetischer Sicht sinnvoller erscheint als eine Speicherung der Energie im Energiespeicher.If the waste heat recovery system supplies the electric machine with drive power via the energy store, which is coupled into the output of the internal combustion engine as additional torque, then there is direct electrical utilization of the hybrid system. As a result, the hybrid system can be operated as an electric transmission between the waste heat recovery system and the recuperation system; In the corresponding operating states, an additional torque is thus coupled indirectly from the waste heat recovery system in the output of the internal combustion engine. This operation is advantageous if currently no indirect use of electrical energy is possible and an assistance of the internal combustion engine from an energy point of view seems more useful than a storage of energy in the energy storage.
Versorgt das Abwärmerückgewinnungssystem weitere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit elektrischer Energie ohne Zwischenspeicherung in dem Energiespeicher, so liegt eine indirekte elektrische Nutzung des Hybridsystems vor. Des Weiteren liegt eine indirekte Nutzung vor, wenn die zur Verfügung stehende Energie in einem Energiespeicher zwischengespeichert wird.If the waste heat recovery system supplies further electric consumers of the vehicle with electrical energy without intermediate storage in the energy store, then there is indirect electrical use of the hybrid system. Furthermore, there is an indirect use when the available energy is cached in an energy storage.
Eine ausschließlich indirekte elektrische Nutzung der vom Abwärmerückgewinnungssystem oder vom Rekuperationssystem alleine abgegebenen Leistung wäre, ohne die hier beschriebene Zusammenführung zu einem Hybridsystem, aufgrund der im Verhältnis zum Energiebedarf heutiger Bordnetze hohen Ausgangsleistung des Abwärmerückgewinnungssystems bzw. des Rekuperationssystems, nicht energieeffizient. Erst die Kombination der beiden Systeme zum Hybridsystem eröffnet die Möglichkeit, die erzeugte Energie wieder abzugeben indem bedarfsgerecht zwischen direkter und indirekter Nutzung gewählt werden kann. Der Wirkungsgrad der beiden Einzelsysteme wird somit erst durch die Zusammenfassung zum Hybridsystem verbessert.An exclusively indirect electrical utilization of the power output by the waste heat recovery system or by the recuperation system alone would not be energy efficient without the merger into a hybrid system described here due to the high output power of the waste heat recovery system or the recuperation system in relation to the energy requirements of today's vehicle electrical systems. Only the combination of the two systems to the hybrid system opens up the possibility to release the generated energy again by choosing between direct and indirect use as needed. The efficiency of the two individual systems is thus improved only by the summary of the hybrid system.
Weiterhin eröffnet sich aufgrund des durch das Abwärmerückgewinnungssystem erhöhten Energieangebots im Bordnetz des Fahrzeugs die Möglichkeit, deutlich mehr Nebenverbraucher zu elektrifizieren als derzeit möglich, beispielsweise eine Wasserpumpe, einen Kompressor, einen Klimakompressor, eine Lenkunterstützung, oder weitere Komfortfunktionen. Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass das Abwärmerückgewinnungssystem die elektrische Zusatzenergie kraftstoffneutral zur Verfügung stellt, da sie aus der Abwärme der Brennkraftmaschine, also einer Verlustenergie, bezogen wird. Eine Lichtmaschine oder auch die elektrische Maschine wären zwar ebenfalls in der Lage die Zusatzenergie für elektrifizierte Nebenverbraucher aufzubringen, allerdings würde dadurch über die Zusatzlast der Lichtmaschine der Kraftstoffverbrauch steigen und der Systemwirkungsgrad wäre aufgrund der längeren Verlustkette schlechter. Furthermore, opens up the possibility of significantly more auxiliary consumers to electrify than currently possible, for example, a water pump, a compressor, an air compressor, a steering assistance, or other comfort functions due to the increased energy through the waste heat recovery system in the electrical system of the vehicle. In particular, it should be noted that the waste heat recovery system provides the additional electrical energy fuel neutral, as it is based on the waste heat of the internal combustion engine, ie a loss energy. Although an alternator or the electric machine would also be able to apply the additional energy for electrified secondary consumers, but this would increase the additional load of the alternator fuel consumption and the system efficiency would be worse due to the longer loss chain.
In weiteren Ausführungen ist der Verdampfer des Abwärmerückgewinnungssystems in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet. Dadurch wird die Wärmeenergie des Abgases der Brennkraftmaschine mit möglichst geringen Übertragungsverlusten in den Kreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems eingespeist.In further embodiments, the evaporator of the waste heat recovery system is arranged in an exhaust pipe of the internal combustion engine. As a result, the heat energy of the exhaust gas of the internal combustion engine with the lowest possible Transmission losses fed into the cycle of the waste heat recovery system.
In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Abgasleitung parallel zu dem Verdampfer ein Abgasbypass geschaltet. Eine Abgasbypassklappe ist in der Abgasleitung angeordnet und teilt den Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine in den Verdampfer und in den Abgasbypass auf. Dadurch kann ein Überhitzen des Kreislaufs des Abwärmerückgewinnungssystems verhindert werden. Vorzugsweise kann die Abgasbypassklappe den Abgasmassenstrom dabei proportional aufteilen. Auch ein komplettes Verschließen der Zugänge in den Verdampfer oder in den Abgasbypass ist dabei möglich.In advantageous developments, an exhaust gas bypass is connected in parallel to the evaporator in the exhaust pipe. An exhaust bypass door is disposed in the exhaust passage and divides the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine into the evaporator and the exhaust gas bypass. Thereby, overheating of the cycle of the waste heat recovery system can be prevented. Preferably, the exhaust gas bypass valve can divide the exhaust gas mass flow proportionally. A complete closing of the entrances in the evaporator or in the exhaust gas bypass is possible.
In vorteilhaften Verwendungen sind die oben beschriebenen Hybridsysteme in Fahrzeugen eingesetzt. Speziell die Synergieeffekte durch die gemeinsame Steuerungslogik führen zu Kraftstoffeinsparungen, was besonders bei mobilen Anwendungen sehr vorteilhaft ist. Durch die Steigerung der Effizienz der Brennkraftmaschine werden auch Schadstoffe reduziert, beispielsweise wird der CO2 Ausstoß verringert.In advantageous uses, the hybrid systems described above are used in vehicles. In particular, the synergy effects through the common control logic lead to fuel savings, which is very advantageous, especially in mobile applications. By increasing the efficiency of the internal combustion engine and pollutants are reduced, for example, the CO 2 emissions is reduced.
In weiterführenden Verwendungen ist der Energiespeicher des Hybridsystems mit weiteren Verbrauchern des Fahrzeugs verbunden, beispielsweise mit einem Bordnetz, vorzugsweise über einen Gleichstromwandler. Dadurch können Nebenverbraucher im Fahrzeug, wie beispielsweise Autoradio, Abblendlicht etc. über das Hybridsystem mit elektrischer Energie versorgt werden.In further applications, the energy storage of the hybrid system is connected to other consumers of the vehicle, for example with an electrical system, preferably via a DC-DC converter. As a result, auxiliary consumers in the vehicle, such as car radio, low beam, etc., can be supplied with electrical energy via the hybrid system.
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Hybridsystems dargelegt:
Dazu weist das Hybridsystem eine Steuerungslogik auf, welches sowohl das Rekuperationssystem als auch das Abwärmerückgewinnungssystem regelt. In einem erfindungsgemäßen Verfahren führt die Steuerungslogik eine Energieflussoptimierung zwischen dem Abwärmerückgewinnungssystem, dem Rekuperationssystem und einem Energiebedarf des Fahrzeugs durch. Durch vorangehend schon beschriebene Synergieeffekte kann so beispielsweise der Energiebedarf von weiteren Nebenverbrauchern des Fahrzeugs dabei idealerweise kraftstoffneutral bedient werden. In the following, methods according to the invention for operating the above-described hybrid system are set forth:
For this purpose, the hybrid system has a control logic which regulates both the recuperation system and the waste heat recovery system. In a method according to the invention, the control logic implements an energy flow optimization between the waste heat recovery system, the recuperation system and an energy requirement of the vehicle. By synergistic effects already described above, for example, the energy requirements of other auxiliary consumers of the vehicle can ideally be operated fuel neutral.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ermittelt die Steuerungslogik einen Ladezustand des Energiespeichers, einen Energiebedarf des Fahrzeugs und ein Energieangebot des Hybridsystems. Der Ladezustand ist eine zentrale Größe zur Steuerung des Hybridsystems, welcher mit Kenntnis von Energieangebot und Energienachfrage bzw. Energiebedarf optimiert wird. Der Ladezustand legt vor allem für das vergleichsweise träge Abwärmerückgewinnungssystem die Regelung bzw. Steuerung der Komponenten fest und dient als Zwischenpuffer, um kurzzeitige Schwankungen von Energieangebot und/oder Energienachfrage auszugleichen. In an advantageous development, the control logic determines a state of charge of the energy store, an energy requirement of the vehicle and an energy supply of the hybrid system. The state of charge is a central variable for controlling the hybrid system, which is optimized with knowledge of energy supply and energy demand or energy demand. The state of charge determines, especially for the comparatively slow waste heat recovery system, the regulation or control of the components and serves as an intermediate buffer to compensate for short-term fluctuations in energy supply and / or energy demand.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ermittelt das Steuergerät bzw. die Steuerungslogik eine maximal erlaubte Ausgangsleistung des Generators in Abhängigkeit des Ladezustands, des Energieangebots und des Energiebedarfs. Dadurch wird eine Überlastung des Energiespeichers verhindert. In an advantageous embodiment of the method, the control unit or the control logic determines a maximum permitted output power of the generator as a function of the state of charge, the energy supply and the energy requirement. As a result, an overload of the energy storage is prevented.
In vorteilhaften Weiterbildungen berücksichtigt das Steuergerät bzw. die Steuerungslogik zur Ermittlung der Änderung des Ladezustands den zukünftigen Energiebedarf des Fahrzeugs, insbesondere von Nebenverbrauchern. Vorzugsweise kann die Steuerungslogik dabei den Betrieb der Nebenverbraucher steuern bzw. regeln. Derartige Nebenverbraucher können beispielsweise sein: ein Bordnetz eines Fahrzeugs, eine Wasserpumpe, ein Klimakompressor, eine Lenkunterstützung, ein Kompressor oder Komfortfunktionen eines Fahrzeugs. Dadurch kann das Steuergerät das Abwärmerückgewinnungssystem und seine Komponenten sowie die Nebenverbraucher vorausschauend ansteuern, was besonders vorteilhaft ist, da das Abwärmerückgewinnungssystem vergleichsweise träge reagiert. Vorzugsweise regelt der Energiespeichermanager aktiv die Nebenverbraucher ja nach Energieangebot des Hybridsystems. In advantageous developments, the control unit or the control logic for determining the change in the state of charge takes into account the future energy requirement of the vehicle, in particular of secondary consumers. Preferably, the control logic can control or regulate the operation of the auxiliary consumers. Such auxiliary consumers may be, for example: a vehicle electrical system, a water pump, an air-conditioning compressor, a steering assistance, a compressor or comfort functions of a vehicle. As a result, the control unit can control the waste heat recovery system and its components as well as the secondary consumers in a predictive manner, which is particularly advantageous because the waste heat recovery system reacts relatively slowly. Preferably, the energy storage manager actively controls the auxiliary consumers according to the energy supply of the hybrid system.
In vorteilhaften Ausführungen präzidiert die Steuerungslogik die Entwicklung der Abwärme der Brennkraftmaschine und die Entwicklung des Energiebedarfs der Nebenverbraucher. Dadurch können das zukünftige Energieangebot und die zukünftige Energienachfrage besser berechnet werden. Dies ermöglicht eine effizientere Regelung zwischen Energieangebot und Energienachfrage. In advantageous embodiments, the control logic predicts the development of the waste heat of the internal combustion engine and the development of the energy requirement of the secondary consumers. As a result, future energy supply and future energy demand can be better calculated. This allows a more efficient regulation between energy supply and energy demand.
In vorteilhaften Ausführungen weist das Abwärmerückgewinnungssystem eine parallel zur Expansionsmaschine geschaltete Bypassleitung auf. Ein Bypassventil teilt den Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine und in die Bypassleitung auf. Das Bypassventil kann dabei auch den Zufluss des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine oder in die Bypassleitung gänzlich unterbinden. Das Steuergerät steuert bei Überschreitung der maximal erlaubten Ausgangsleistung das Bypassventil so an, dass der Massenstrom des Arbeitsmediums in die Expansionsmaschine verringert wird. Dadurch verringert sich auch die dem Generator zur Verfügung gestellte Rotationsenergie, so dass die Ausgangsleistung des Abwärmerückgewinnungssystems verringert wird. Eine Überlastung des Energiespeichers wird somit vermieden. In advantageous embodiments, the waste heat recovery system has a parallel to the expansion machine switched bypass line. A bypass valve divides the mass flow of the working medium into the expansion machine and into the bypass line. The bypass valve can also completely prevent the inflow of the working medium in the expansion machine or in the bypass line. When the maximum output power is exceeded, the control unit controls the bypass valve in such a way that the mass flow of the working medium into the expansion machine is reduced. As a result, the rotational energy supplied to the generator also decreases, so that the output of the waste heat recovery system is reduced. An overload of the energy storage is thus avoided.
In vorteilhaften Ausführungen weist das Abwärmerückgewinnungssystem einen parallel zum Verdampfer geschalteten Abgasbypass auf. Eine Abgasbypassklappe teilt den Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine in den Verdampfer und in den Abgasbypass auf. Die Abgasbypassklappe kann dabei auch den Zufluss des Abgases in den Verdampfer oder in den Abgasbypass gänzlich unterbinden. Das Steuergerät steuert bei Überschreitung der maximal erlaubten Ausgangsleistung die Abgasbypassklappe so an, dass der Massenstrom des Abgases in den Verdampfer verringert wird. Dadurch verringert sich auch die dem Kreislauf zur Verfügung gestellte Wärmeenergie, so dass die Ausgangsleistung des Abwärmerückgewinnungssystems verringert wird. Eine Überlastung des Energiespeichers wird somit vermieden.In advantageous embodiments, the waste heat recovery system has a parallel to the evaporator connected exhaust gas bypass. An exhaust bypass door divides the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine into the evaporator and into the exhaust gas bypass. The exhaust gas bypass flap can also completely prevent the inflow of the exhaust gas into the evaporator or into the exhaust gas bypass. When the maximum output power is exceeded, the control unit controls the exhaust gas bypass flap in such a way that the mass flow of the exhaust gas into the evaporator is reduced. As a result, the heat energy provided to the circuit also decreases, so that the output of the waste heat recovery system is reduced. An overload of the energy storage is thus avoided.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Brennkraftmaschine
Das Abwärmerückgewinnungssystem
Der Verdampfer
Die Expansionsmaschine
Die Funktionsweise des Abwärmerückgewinnungssystems
Flüssiges Arbeitsmedium wird durch die Speisefluidpumpe
Liquid working fluid is passed through the
Das Rekuperationssystem
Die Brennkraftmaschine
Das Rekuperationssystem
Der Abtrieb bzw. die Kurbelwelle
Der Energiespeicher
Erfindungsgemäß ist der Energiespeicher
Der Energiespeicher
Damit lassen sich folgende Vorteile für das Hybridsystem
- – Gemeinsame Nutzung der elektrischen Maschine
122 : über dieelektrische Maschine 122 wird der Energiespeicher10 elektrisch aufgeladen, wenndie elektrische Maschine 122 im Generatorbetrieb läuft. Läuftdie elektrische Maschine 122 im Motorbetrieb, so wird derKurbelwelle 121 Energieaus dem Energiespeicher 10 zugeführt.Der Energiespeicher 10 wird dabei betriebspunktabhängig sowohlvon dem Generator 106 desAbwärmerückgewinnungssystems 100 als auch von der elektrischen Maschine122 desRekuperationssystems 120 mit Energie befüllt. - – Gemeinsame Nutzung des Energiespeichers
10 als Zwischenspeicher; vorzugsweiseist der Zwischenspeicher 10 dabei als 48V-Batterie ausgeführt. - – Gemeinsame Nutzung des DC/
DC Wandlers 20 zur Versorgung von konventionellen Nebenverbrauchern, beispielsweise zur Versorgung des Bordnetzes30 mit einer Spannung von 24V. - – Möglichkeit zur Verwendung eines gemeinsamen Steuergeräts für
das Abwärmerückgewinnungssystem 100 und das Rekuperationssystem 120 . - – Möglichkeit der Optimierung von
Komponenten des Hybridsystems 1 . Beispielsweise kann dieelektrische Maschine 122 durch das Abwärmerückgewinnungssystem 100 entlastet und damit auch kleiner dimensioniert werden.
- - sharing the electric machine
122 : over theelectric machine 122 becomes theenergy store 10 electrically charged when theelectric machine 122 in generator mode is running. Is the electric machine running?122 in engine operation, so will thecrankshaft 121 Energy from theenergy storage 10 fed. Theenergy storage 10 becomes operating point dependent both from thegenerator 106 the wasteheat recovery system 100 as well as from theelectric machine 122 of therecuperation system 120 filled with energy. - - Sharing the
energy storage 10 as a cache; Preferably, the cache is10 it is designed as a 48V battery. - - Sharing the DC /
DC converter 20 for the supply of conventional secondary consumers, for example for the supply of the electrical system30 with a voltage of 24V. - Possibility to use a common control unit for the waste
heat recovery system 100 and therecuperation system 120 , - - Possibility of optimizing components of the
hybrid system 1 , For example, theelectric machine 122 through the wasteheat recovery system 100 relieved and thus smaller dimensions.
Des Weiteren ergeben sich folgende Vorteile im Hinblick auf die elektrischen Nebenverbraucher bzw. das gesamte Fahrzeugbordnetz:
Eine indirekte elektrische Nutzung der vom Abwärmerückgewinnungssystem
An indirect electrical use of the waste
Aufgrund des durch das Abwärmerückgewinnungssystem
Die
Das Steuergerät
Die
Der Generatorregler
Der Energiespeichermanager
Der Energiespeichermanager
Der Energiespeichermanager
Optional kann der Energiespeichermanager
Der Abwärmerückgewinnungskoordinator
Der Abwärmerückgewinnungskoordinator
Der Fahrzeugkoordinator
Der Fahrzeugkoordinator
Der Momentenkoordinator
Damit beinhaltet das Momenten-Signal
Die gemeinsame Steuerungslogik für ein Abwärmerückgewinnungssystem
Diese gemeinsame Steuerungslogik ermöglichen neben den bekannten Funktionalitäten eines Rekuperationssystems
weitere neue Zusatzfunktionalitäten:
- • Direkte elektrische Nutzung der gewonnenen Leistung aus
dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 im Antriebsstrang. - • Indirekte elektrische Nutzung der gewonnenen Leistung aus
dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 durch Nebenverbraucher, beispielsweise durch das Bordnetz30 . - • Indirekte elektrische Nutzung der gewonnenen Leistung bzw. Energie
aus dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 durch Zwischenspeicherung indem Energiespeicher 10 .
further new additional functionalities:
- • Direct electrical use of the recovered power from the waste
heat recovery system 100 in the drive train. - • Indirect electrical utilization of the recovered power from the waste
heat recovery system 100 by auxiliary consumers, for example by the electrical system30 , - • Indirect electrical utilization of the recovered power or energy from the waste
heat recovery system 100 by intermediate storage in theenergy storage 10 ,
Das Abwärmerückgewinnungssystem
Zusätzlich verfügt der Fahrzeugkoordinator
Der Abwärmerückgewinnungskoordinator
- • Drehzahlregelung bzw. -steuerung
durch den Generatorregler 55 , die eine Kommunikationsschnittstelle zumGenerator 106 hat, dermit der Expansionsmaschine 104 gekoppelt ist. - • Hochdruck- und/oder Temperaturregelung bzw. -steuerung
durch den Pumpenregler 56 , dieder Speisefluidpumpe 102 eine Drehzahl, einen Massen- oder einen Volumenstrom vorgibt, und damit den Hochdruck bzw. die Temperatur in Abhängigkeit der verfügbaren Abgasexergie regelt. - • Niederdruckregelung bzw. -steuerung (optional)
durch den Tankregler 57 , welche überden Sammelbehälter 101 denNiederdruckbereich des Abwärmerückgewinnungssystems 100 zwecks Energieoptimierung führt. - • Begrenzungs- bzw. Sicherheitsfunktionen
durch den Sicherheitsregler 58 , dieüber das Bypassventil 108 und/oder dieAbgasbypassklappe 114 die Einhaltung der zulässigen Betriebsparameter des Kreislaufs100a sicherstellen.Das Bypassventil 108 und dieAbgasbypassklappe 114 und die zugehörige Ansteuerung können dabei beispielsweise als Proportionalventile ausgeführt sein.
- • Speed control or control by the
generator controller 55 , which is a communication interface to thegenerator 106 has that with theexpansion machine 104 is coupled. - • High pressure and / or temperature control by the
pump regulator 56 that of thefeed fluid pump 102 specifies a speed, a mass flow or a volume flow, and thus regulates the high pressure or the temperature as a function of the available exhaust gas energy. - • Low pressure control (optional) through the
tank controller 57 which over the collectingcontainer 101 the low pressure area of the wasteheat recovery system 100 for the purpose of optimizing energy. - • Limiting or safety functions through the
safety controller 58 passing thebypass valve 108 and / or theexhaust bypass door 114 compliance with the permissible operating parameters of thecircuit 100a to ensure. Thebypass valve 108 and theexhaust bypass door 114 and the associated control can be carried out for example as proportional valves.
Der Energiespeichermanager
Um die Energieflüsse des gesamten Hybridsystems
Der Energiespeichermanager
Zwecks Vorsteuerung bzw. aus Stabilitätsgründen des Bordnetzes
Für die direkte elektrische Nutzung verfügt der Energiespeichermanager
In einer erweiterten Ausführung verfügt das Steuergerät
Durch die gemeinsame Steuerungslogik des Hybridsystems
- – Erst durch die gemeinsame Steuerungslogik wird ein bedarfsgerechter Wechsel zwischen direkter und indirekter elektrischer Nutzung der Leistung aus
dem Abwärmerückgewinnungssystem 100 möglich. Dadurch kann, abhängig vom Energiebedarf des elektrischen Bordnetzes30 bzw. des Fahrzeugs, die Leistung desAbwärmerückgewinnungssystems 100 entweder für den Antriebsstrang – also für dieKurbelwelle 121 – oder für die Nebenverbraucher bzw. für das Bordnetz30 genutzt werden oder indem Energiespeicher 10 zwischengespeichert werden, was die Energieeffizienz desAbwärmerückgewinnungssystems 100 erhöht und damit den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs reduziert. - – Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den unterschiedlichen
Dynamiken von Rekuperationssystem 120 und Abwärmerückgewinnungssystem 100 . Während die Leistung der elektrischen Maschine122 desRekuperationssystems 120 schnell variieren kann,hat das Abwärmerückgewinnungssystem 100 eine hohe thermische Trägheit, wodurch die abgegebene elektrische Leistung desGenerators 106 über längere Zeit vergleichsweise konstant ist. Der Gesamtleistungsbedarf für die direkte und indirekte Nutzung bzw. zum Laden desEnergiespeichers 10 kann somit in einen Grund- und einen Spitzenlastanteil zerlegt werden, wobei nur noch letzterer durch dieelektrische Maschine 122 oder einen weiteren Generator bzw. einen weiteren Energiespeicher15 abgedeckt werden muss. Zum einen ermöglicht dies eine Optimierung der Wirkungsgradketten der Energieerzeugung, zum anderen kann dieelektrische Maschine 122 und/oder der weitere Generator kleiner dimensioniert werden, was wiederum Kosten und Gewicht spart. - – Weiterhin eröffnet sich die Möglichkeit durch prädiktive Funktionen die verhältnismäßig dynamische elektrische Energiebilanz des
Rekuperationssystems 120 sowie die verhältnismäßig träge verfügbare thermische Energie desAbwärmerückgewinnungssystems 100 in die Zukunft zu extrapolieren und im Energiemanagement zu berücksichtigen. Beispielweise ist zu Beginn vonVolllastphasen der Brennkraftmaschine 110 eine Erhöhung der Abgasabwärme im Bereich einiger Minuten in die Zukunft abzusehen. Wird in solchen Situationen der Ladezustand des Energiespeichers10 gesenkt, steht mehr Speicherkapazität zum Speichern der folgenden thermischen Leistungsspitze zur Verfügung. Nutzt man innerhalb der gemeinsamen Steuerungslogik also auch die Prädiktionsfunktionen zur Vorhersage derBetriebspunkte von Brennkraftmaschine 110 undAbwärmerückgewinnungssystem 100 , so lässt sich die elektrische Energieproduktion und der Bedarf (speziell die indirekte Nutzung) auch über längere Zeiträume besser anpassen, was eine weitere Erhöhung der Effizienz zur Folge hat und damit eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.
- - Only through the common control logic is a demand-driven change between direct and indirect electrical use of the power from the waste
heat recovery system 100 possible. This can, depending on the energy requirements of the electrical system30 or the vehicle, the performance of the wasteheat recovery system 100 either for the powertrain - so for the crankshaft121 - or for the secondary consumers or for the electrical system30 be used or in theenergy storage 10 cached, reflecting the energy efficiency of the wasteheat recovery system 100 increases and thus reduces the fuel consumption of the vehicle. - - Another advantage arises from the different dynamics of
recuperation system 120 and wasteheat recovery system 100 , While the power of theelectric machine 122 of therecuperation system 120 can vary quickly, has the wasteheat recovery system 100 a high thermal inertia, reducing the output electric power of thegenerator 106 is relatively constant over a long period of time. The total power requirement for the direct and indirect use or for charging theenergy storage 10 can thus be broken down into a basic and a peak load, with only the latter by theelectric machine 122 or another generator or afurther energy store 15 must be covered. On the one hand, this allows an optimization of the energy efficiency chains, on the other hand, theelectric machine 122 and / or the further generator are dimensioned smaller, which in turn saves costs and weight. - - Furthermore, the possibility opens up by predictive functions, the relatively dynamic electrical energy balance of the
recuperation 120 and the relatively slow available thermal energy of the wasteheat recovery system 100 to extrapolate into the future and to consider in energy management. For example, at the beginning of full-load phases of the internal combustion engine110 a Increase the exhaust heat in the range of a few minutes in the future. In such situations, the state of charge of theenergy storage 10 lowered, more storage capacity is available for storing the following thermal performance peak. Within the common control logic, therefore, one also uses the prediction functions for the prediction of the operating points of theinternal combustion engine 110 and wasteheat recovery system 100 Thus, electrical energy production and demand (especially indirect use) can be better adapted over longer periods of time, resulting in a further increase in efficiency and thus a reduction in fuel consumption.
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- 2017-08-22 WO PCT/EP2017/071115 patent/WO2018050409A2/en active Application Filing
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