DE112009000588T5 - Thermisches Management für einen verbesserten Motorbetrieb - Google Patents

Thermisches Management für einen verbesserten Motorbetrieb Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren umfasst, dass ein Motorverbrennungsabgas durch eine thermoelektrische Einrichtung strömt und dass ein Motorkühlmittel durch die thermoelektrische Einrichtung strömt, um für ein schnelleres Aufwärmen des Motors und des Getriebes (des Kühlmittels, des Öls) zu sorgen.

Description

  • Eine oder mehrere hierin dargelegte Erfindungen wurden gemäß dem Regierungsvertrag Nr. DE-FC27-04NT42278 erstellt. Die Regierung kann bestimmte Rechte an einer oder mehreren hierin beschriebenen Erfindungen haben.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, auf das sich die Offenbarung allgemein bezieht, umfasst ein thermisches Management von Motorbetriebsweisen und Fahrzeugsysteme, die Komponenten zum thermischen Management aufweisen.
  • HINTERGRUND
  • Es wurde entdeckt, dass ein Motor mit einer besseren Effizienz und geringeren Emissionen arbeitet, wenn die Temperaturen des Motors, des Kühlmittels, des Öls und des Getriebes jeweils in einem optimalen Bereich liegen. Die Wärme eines Motorkühlmittels wird typischerweise verwendet, um das Motoröl und das Getriebefluid aufzuwärmen, und diese Verfahren werden in dieser Ausführungsform nicht abgedeckt.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ein Motorverbrennungsabgas durch eine thermoelektrische Einrichtung strömt und dass ein Motorkühlmittel durch die thermoelektrische Einrichtung strömt.
  • Eine andere beispielhafte Ausführungsform kann ein System umfassen, das umfasst, dass ein Motor derart angeschlossen ist, dass ein Verbrennungsabgas von dem Motor durch eine thermoelektrische Einrichtung strömt, und dass der Motor derart angeschlossen ist, dass ein Kühlmittel durch die thermoelektrische Einrichtung strömt.
  • Eine andere beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ein Verbrennungsmotor gestartet wird, dass ermittelt wird, ob sich ein durch den Verbrennungsmotor strömendes Kühlmittel oberhalb eines minimalen Schwellenwerts befindet, und wenn nicht, dass das Motorkühlmittel von dem Motor zu einer thermoelektrischen Einrichtung strömt, so dass Wärme von einem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Abgas von dem Motor mit dem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Kühlmittel ausgetauscht wird und dass dann, wenn sich das durch den Motor strömende Kühlmittel oberhalb eines Schwellenwerts für eine minimale Temperatur befindet, die Strömung des Kühlmittels durch die thermoelektrische Einrichtung gestoppt wird und das Kühlmittel durch einen Kühler strömt, um das Kühlmittel zu kühlen.
  • Eine andere beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ermittelt wird, ob sich ein Motorkühlmittel in einem Fahrzeug unterhalb einer optimalen Temperatur befindet, und wenn ja, dass das Kühlmittel von dem Motor zu der kalten Seite eines thermoelektrischen Generators geleitet wird, der mit dem Abgassystem des Motors verbunden ist, um Wärme von den Abgasen in dem Abgassystem auszutauschen, um das Motorkühlmittel aufzuheizen, und dass das Kühlmittel anschließend zu dem Motor zurückkehrt, um den Motor aufzuwärmen.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der nachstehend vorgesehenen ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und die speziellen Beispiele, obgleich sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Darstellungszwecken gedacht sind und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen verständlicher werden, wobei:
  • 1 ein Fahrzeugsystem darstellt, das gemäß einer Ausführungsform eine thermoelektrische Einrichtung umfasst, die mit dem Abgassystem eines Verbrennungsmotors verbunden ist.
  • 2 ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugsystems für ein thermisches Management eines Motorkühlmittels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
  • 3 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Steuern der Strömung eines Motorkühlmittels in einem Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt.
  • 4 eine schematische Darstellung eines Systems zum Steuern der Strömung eines Motorkühlmittels gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist.
  • 5 eine schematische Darstellung einer thermoelektrischen Einrichtung, die als ein elektrischer Generator arbeitet, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist nur beispielhafter (darstellender) Natur und ist in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen einzuschränken.
  • Nun auf 1 Bezug nehmend, umfasst eine beispielhafte Ausführungsform ein Fahrzeug 10 mit einem Motor 12 und einem Motorlüftungssystem, das einen Lufteinlasskanal 14, der mit dem Motor verbunden ist, und einen Abgaskanal 16 umfasst, der mit dem Motor verbunden ist und ein offenes Ende aufweist, um Verbrennungsabgase nach einer Behandlung in die Atmosphäre zu entladen. Das Fahrzeug kann auch eine thermoelektrische Einrichtung 18 aufweisen, die mit dem Abgaskanal 16 verbunden sein kann. Die thermoelektrische Einrichtung 18 kann auch derart an einen Kühler 24 und an den Motor 12 angeschlossen sein, dass ein Kühlmittel oder Kühlungsfluid selektiv zu und von dem Motor 12 und dem Kühler 24 strömt. Die thermoelektrische Einrichtung 18 kann konstruiert und angeordnet sein, um als ein Generator zu arbeiten, um Elektrizität zur Verwendung durch eine Last 20 zu erzeugen, die Fahrzeugleuchten, Ventilatoren, Pumpen, Energiespeichereinrichtungen, wie beispielsweise, ohne auf diese beschränkt zu sein, eine Batterie und/oder einen Antriebsmotor bzw. Antriebsmotoren in dem Fall eines Hybridfahrzeugs, ohne Beschränkung auf diese umfasst. Das Fahrzeug 10 kann auch eine Energiequelle 22 aufweisen, wie beispielsweise eine Batterie, um einen Strom an die thermoelektrische Einrichtung 18 zu liefern, um die Verwendung derselben als eine Wärmepumpe zu ermöglichen.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend, umfasst eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ein System, das einen Motor 12 und eine erste Pumpe 28 aufweist, die mit dem Motor 12 derart verbunden ist, dass ein Kühlmittel durch den Motor 12 strömt, um selbigen zu kühlen. Die Pumpe 28 kann einen Pumpeneinlass 30 aufweisen, der dieser zugeordnet ist. Ein Kopfauslass 33 kann mit dem Motor 12 verbunden sein, und er kann konstruiert und angeordnet sein, um das Kühlmittel durch eine Leitung 32 zu einem Heizkern 34 zu liefern, der verwendet werden kann, um den Fahrgastraum des Fahrzeugs 10 zu heizen. Eine Kühlmittelleitung 36 kann von dem Heizkern 34 zu dem Pumpeneinlass 30 vorgesehen sein. Das Kühlmittel kann auch durch eine Leitung 38 zu der heißen Seite des Kühlers 24 und durch den Kühler 24 strömen, an dem zumindest ein Ventilator 40 angeordnet ist, um das Kühlungsfluid zu kühlen, das sich durch den Kühler bewegt. Das Kühlungsfluid kann auch von dem Kopfauslass 33 durch eine Leitung 42 zu einem ersten Ventil 44 strömen. Wenn das erste Ventil 44 offen ist, kann das Kühlmittel durch das erste Ventil 44 und durch eine Leitung 46 in eine zweite Pumpe 48 strömen. Das Kühlmittel kann von der zweiten Pumpe 48 durch eine Leitung 50 zu einer thermoelektrischen Einrichtung 18 strömen, die ein Generator sein kann. Das Kühlmittel kann über die kalte Seite der thermoelektrischen Einrichtung 18 strömen, die als eine Wärmesenke für Wärme wirkt, die von der Abgasleitung 16 übertragen wird, um das Kühlmittel aufzuwärmen. Das warme Kühlmittel kann durch eine Leitung 52, durch ein zweites Ventil 54 und entweder durch eine Leitung 56 über den Pumpeneinlass 30 und die Pumpe 28 zurück zu dem Motor 12 oder durch eine Leitung 58 in den Kühler 24 strömen. Das Kühlmittel, das den Kühler 24 verlässt, kann sich durch eine Leitung 60 zu dem ersten Ventil 44 und/oder durch eine Leitung 62 über ein drittes Ventil 64 sowie den Pumpeneinlass 30 und die Pumpe 12 in den Motor 12 bewegen. Das Kühlmittel kann auch von dem Kopfauslass 33 durch eine Leitung 66 und über ein viertes Ventil 68, den Pumpeneinlass 30 und die Pumpe 28 in den Motor 12 strömen.
  • Optional kann ein fünftes Ventil 70 in der Leitung 38 vorgesehen sein, um zu verhindern, dass das Kühlmittel von dem Motor 12 zurück zu dem Kühler 24 strömt, wenn dies gewünscht ist. Temperatursensoren 72 können überall in dem System 26 vorgesehen sein, einschließlich in den Leitungen 62, 56 und/oder 52, ohne auf diese beschränkt zu sein, um zu ermitteln, ob sich das Kühlmittel in einem optimalen Temperaturbereich befindet, der einem optimalen Betriebstemperaturbereich für den Motor 12, das Motoröl und das Getriebeöl zugeordnet ist, oder um zu ermitteln, ob sich das Kühlmittel oberhalb einer minimalen Schwellenwerttemperatur befindet, wenn dies gewünscht ist.
  • Bei dem Motorstart strömt das Kühlmittel von dem Kühler 24 durch die Leitung 62 und in den Motorblock 12. Ein Sensor, beispielsweise der Sensor 72 in der Leitung 62, kann verwendet werden, um zu ermitteln, ob sich das Kühlmittel in einem vorbestimmten optimalen Temperaturbereich oder oberhalb einer minimalen Schwellenwerttemperatur befindet. Wenn sich das Kühlmittel in einem optimalen Temperaturbereich oder oberhalb eines minimalen Schwellenwerts befindet, bleibt das dritte Ventil 64 offen, und das erste Ventil 44 wird verstellt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Kühler durch die zweite Pumpe 48 und die thermoelektrische Einrichtung 18 strömt. Wenn die Temperatur des Kühlmittels jedoch außerhalb eines optimalen Temperaturbereichs oder unterhalb eines Schwellenwerts für eine minimale Temperatur liegt, kann das dritte Ventil 64 geschlossen werden, um zu verhindern, dass kaltes Kühlmittel in den Motor strömt. Das erste Ventil 44 kann verstellt (geöffnet) werden, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Motor durch die zweite Pumpe 48 und über die kalte Seite der thermoelektrischen Einrichtung 18 strömt, so dass Wärme von dem Motorabgas mittels der thermoelektrischen Einrichtung auf das Kühlmittel übertragen wird. Das aufgewärmte Kühlmittel verlässt anschließend die thermoelektrische Einrichtung 18 und strömt durch die Leitung 52 und durch das zweite Ventil 54, das verstellt (geöffnet) werden kann, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die Leitung 56 zurück in den Motor 12 strömt, um den Motor aufzuheizen. Wenn das fünfte Ventil 70 vorhanden ist, kann das fünfte Ventil 70 geschlossen werden, um zu verhindern, dass das Kühlmittel von dem Kopfauslass 33 zurück in den Kühler 24 strömt. Das vierte Ventil 68 kann geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet werden, um die Menge des Kühlmittels zu steuern, das von dem Kopfauslass 33 zurück in den Motorblock 12 und/oder durch die Leitung 42 in das erste Ventil 44 und anschließend zurück durch die zweite Pumpe 48 und die thermoelektrische Einrichtung 18 strömt, um durch die Abgase weiter aufgeheizt zu werden. Der Sensor 72 in der Leitung 56 oder an einem anderen geeigneten Ort kann überwacht werden, um zu ermitteln, wann die Kühlmitteltemperatur einen optimalen Temperaturbereich für den Betrieb des Motors erreicht hat oder wann sich das Kühlmittel oberhalb eines minimalen Schwellenwerts befindet. Wenn das Kühlmittel einen minimalen Schwellenwert erreicht oder sich in einem optimalen Temperaturbereich befindet, kann das erste Ventil 44 verstellt werden, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Kühler durch die Leitung 46 zu der Pumpe 48 strömt, und das fünfte Ventil 70 kann geöffnet werden, wenn es vorhanden ist, um zu bewirken, dass sich das Kühlmittel durch die Leitung 38 zurück in den Kühler 24 bewegt, um gekühlt zu werden, wenn dies gewünscht ist. Das dritte Ventil 64 kann geöffnet werden, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel die kalte Seite des Kühlers 24 verlässt, um zu dem Motorblock 12 zurückzukehren. Das vierte Ventil 64 kann geschlossen, geöffnet oder teilweise geöffnet werden, wenn dies gewünscht ist.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer beispielhaften Ausführungsform darstellt. Wie in 3 dargestellt ist, wird bei Schritt 76 eine Ermittlung durchgeführt, ob die Motorkühlmitteltemperatur TE größer als eine optimale Motorkühlmitteltemperatur TEO oder dieser gleich ist. Wenn ja, wird der thermoelektrische Generator 18 unter Verwendung eines herkömmlichen Kühlmittelströmungspfades betrieben, wobei das Kühlmittel von dem Kühler, in den Motor und anschließend zurück in den Kühler 24 strömt, und der thermoelektrische Generator 18 wird derart betrieben, dass das erste Ventil 44 und das zweite Ventil 54 von 2 geschlossen sind (d. h. sie sind eingestellt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel von dem Kühler durch die Pumpe 48 zu dem thermoelektrischen Generator 18 und durch das Ventil 54 zurück zu dem Kühler strömt). Wenn TE jedoch nicht größer oder gleich TEO ist, wird bei Schritt 78 eine Ermittlung durchgeführt, ob die Kühlmitteltemperatur auf der kalten Seite des thermoelektrischen Generators 18 kleiner als TE, der Motorkühlmitteltemperatur, plus ein Temperatur-Delta ist, das typischerweise 5°C betragen kann. Wenn ja, wird die Kühlmittelströmungsrate bei Schritt 80 mit der Pumpe 48 derart gesteuert, dass dem Kühlmittel mehr Zeit zur Verfügung steht, um durch die Abgaswärme mittels des thermoelektrischen Generators 18 aufgeheizt zu werden (alternativ können variable Strömungsventile verwendet und gesteuert werden, um die Kühlmittelströmungsrate durch den thermoelektrischen Generator 18 zu verringern). Diese Zunahme in TGC führt zu einer verringerten Effizienz des thermoelektrischen Generators während des Aufwärmens, sie erhöht jedoch die Effizienz des Gesamtsystems, in dem der Motor schneller aufgewärmt wird. Wenn nein, kann bei Schritt 82 eine Ermittlung durchgeführt werden, ob eine anfängliche Verzögerungszeit überschritten wurde. Die Verwendung einer Ermittlung der Verzögerungszeit ist optional. Die Verzögerungszeit kann verwendet werden, um zu vermeiden, dass eine relativ kleine Menge von kaltem Kühlmittel, das in der Leitung 52 enthalten ist, in den Motor 12 gepumpt wird, während der thermoelektrische Generator 18 noch aufgewärmt wird. Das Kühlmittel in der Leitung 52 wird anfänglich kaltes Kühlmittel (bei Umgebungstemperatur) enthalten. Eine Verzögerungszeit für das Öffnen des ersten und des zweiten Ventils 44 und 54 ermöglicht, dass ein kleines Kühlmittelvolumen in den Kühler 24 anstatt in den Motor 12 strömt. Anschließend, wenn das warme Kühlmittel bei dem zweiten Ventil 54 ankommt, wie durch 1) den Sensor 72 in der Leitung 52 oder 2) eine berechnete Verzögerungszeit basierend auf der Strömungsrate durch die Pumpe 48 und das Volumen der Leitung 52 ermittelt werden kann, kann das zweite Ventil 54 betrieben werden, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die Leitung 56 in den Pumpeneinlass 30 strömt. Wenn die anfängliche Verzögerungszeit nicht überschritten wurde, wird die Kühlmittelströmungsrate durch den thermoelektrischen Generator erhöht, während TGC größer als TE plus ein Temperatur-Delta gehalten wird, wie es bei Schritt 84 gezeigt ist. Wenn die anfängliche Verzögerungszeit überschritten wurde, wird die Kühlmittelströmungsrate durch den thermoelektrischen Generator gesteuert, um zu erreichen, dass TGC gleich TEO plus ein Temperatur-Delta ist, wie es bei Schritt 86 angegeben ist. Diese Strömung wird aufrechterhalten, bis TE gleich oder größer als TEO ist, anschließend werden die Ventile 44 und 54 wiederum derart verstellt, dass das Kühlmittel von dem Kühler, durch die Pumpe 48 und durch den thermoelektrischen Generator strömt und zu dem Kühler zurückkehrt.
  • 4 stellt eine andere beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dar. Das in 4 dargestellte System 26 ist dem System von 3 ähnlich. In 4 können die Leitungen 60, 42, das erste Ventil 44, die Leitung 46, die zweite Pumpe 48 und die Leitung 50 jedoch entfernt sein. Diese Ausführungsform weist den Effekt auf, dass die Effizienz des thermoelektrischen Generators verringert ist, da sie die Temperatur des Kühlmittels auf der kalten Seite des Generators erhöht, sie verringert aber die Kosten und die Komplexität des Systems. Alternativ kann eine Leitung 90 von der ersten Pumpe 28 zu der thermoelektrischen Einrichtung 18 vorgesehen sein. Die zweite Pumpe 48 kann bei beiden Ausgestaltungen von 3–4 eine Pumpe mit variabler Strömung sein, um die Kühlmittelmenge zu variieren, die durch die thermoelektrische Einrichtung 18 strömt.
  • Das in 4 dargestellte System kann verwendet werden, um den Motor 12 bei einem Start aufzuwärmen, indem Motorkühlmittel durch den thermoelektrischen Generator 18 strömt, um Wärme mit dem Abgas auszutauschen, und indem das aufgewärmte Kühlmittel durch das zweite Ventil 54 zurück in den Motor 12 strömt. Wenn das Kühlmittel einen vorbestimmten minimalen Schwellenwert erreicht hat, kann das zweite Ventil 54 eingestellt werden, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die Leitung 58 in die heiße Seite des Kühlers 24 und anschließend über die Leitung 62, den Pumpeneinlass 30 und die erste Pumpe 28 zurück in den Motorblock strömt.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist nur beispielhafter Natur, und daher werden Abwandlungen von diesen nicht als ein Abweichen von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung angesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Regierungsvertrag Nr. DE-FC27-04NT42278 [0001]

Claims (5)

  1. Verfahren, das umfasst, dass ein Motorverbrennungsabgas durch eine thermoelektrische Einrichtung strömt und dass ein Motorkühlmittel durch die thermoelektrische Einrichtung strömt.
  2. System, das umfasst, dass ein Motor derart angeschlossen ist, dass ein Verbrennungsabgas von dem Motor durch eine thermoelektrische Einrichtung strömt, und dass der Motor derart angeschlossen ist, dass ein Kühlmittel durch die thermoelektrische Einrichtung strömt.
  3. Verfahren, das umfasst: dass ein Verbrennungsmotor gestartet wird, dass ermittelt wird, ob sich ein durch den Verbrennungsmotor strömendes Kühlmittel oberhalb eines minimalen Schwellenwerts befindet, und wenn nicht, dass das Motorkühlmittel von dem Motor zu einer thermoelektrischen Einrichtung strömt, so dass Wärme von einem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Abgas von dem Motor mit dem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Kühlmittel ausgetauscht wird und dass dann, wenn sich das durch den Motor strömende Kühlmittel oberhalb eines Schwellenwerts für eine minimale Temperatur befindet, die Strömung des Kühlmittels von dem Motor zu der thermoelektrischen Einrichtung gestoppt wird und das Motorkühlmittel durch einen Kühler strömt, um das Kühlmittel zu kühlen.
  4. Eine andere beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ein Verbrennungsmotor gestartet wird, dass ermittelt wird, ob sich ein durch den Verbrennungsmotor strömendes Kühlmittel oberhalb eines minimalen Schwellenwerts befindet, und wenn nicht, dass das Motorkühlmittel von dem Motor zu einer thermoelektrischen Einrichtung strömt, so dass Wärme von einem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Abgas von dem Motor mit dem durch die thermoelektrische Einrichtung strömenden Kühlmittel ausgetauscht wird und dass dann, wenn sich das durch den Motor strömende Kühlmittel oberhalb eines Schwellenwerts für eine minimale Temperatur befindet, die Strömung des Kühlmittels von dem Motor zu der thermoelektrischen Einrichtung gestoppt wird und das Kühlmittel durch einen Kühler strömt, um das Kühlmittel zu kühlen. Zu dieser Zeit wird das Kühlmittel von dem Kühler dem thermoelektrischen Generator zum Kühlen zugeführt.
  5. Eine andere beispielhafte Ausführungsform kann ein Verfahren umfassen, das umfasst, dass ermittelt wird, ob sich ein Motorkühlmittel in einem Fahrzeug unterhalb einer optimalen Temperatur befindet, und wenn ja, dass das Kühlmittel von dem Motor zu der kalten Seite eines thermoelektrischen Generators geleitet wird, der mit dem Abgassystem des Motors verbunden ist, um Wärme von den Abgasen in dem Abgassystem auszutauschen, um das Motorkühlmittel aufzuheizen, und dass das Kühlmittel anschließend zu dem Motor zurückkehrt, um den Motor aufzuwärmen.
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