DE112010001357T5

DE112010001357T5 - Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge mit geschlossenem Kreislauf zurRückgewinnung von thermischer Energie aus den Abgasen undentsprechendes Steuerverfahren

Info

Publication number: DE112010001357T5
Application number: DE201011001357
Authority: DE
Inventors: Edouard Barrieu
Original assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Current assignee: Faurecia Systemes dEchappement SAS
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2012-05-24
Also published as: WO2010109145A2; WO2010109145A3; FR2943731A1; US20120090293A1; JP2012522920A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge, wobei die Auspuffanlage einen Wärmetauscher, der eine erste Seite zur Zirkulation der Abgase und eine zweite Seite zur Zirkulation eines Wärmetauschermediums aufweist, enthält sowie einen geschlossenen Kreislauf zur Rückgewinnung eines Teils der thermischen Energie aus den Abgasen, in dem das Wärmetauschermedium strömt, wobei die zweite Seite des Wärmetauschers in den geschlossenen Kreislauf eingefügt ist.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen die Rückgewinnung von Energie in Auspuffanlagen von Kraftfahrzeugen.
Insbesondere betrifft die Erfindung nach einem ersten Aspekt eine Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge, vom Typ mit:

– einem Wärmetauscher, der eine erste Seite zur Zirkulation der Abgase und eine zweite Seite zur Zirkulation eines Wärmetauschermediums aufweist;
– einem geschlossenen Kreislauf zur Rückgewinnung eines Teils der thermischen Energie aus den Abgasen, in dem das Wärmetauschermedium strömt, wobei die zweite Seite des Wärmetauschers in den geschlossenen Kreislauf eingefügt ist.

Eine derartige Auspuffanlage ist aus der US A-2006/0201153 bekannt.
Bei einer solchen Auspuffanlage haben die Mittel zur Rückgewinnung von thermischer Energie aus den Abgasen keine oder wenig Wärmeträgheit.
Die über den geschlossenen Kreislauf rückgewonnene Energie ist fast direkt proportional zu der in den Abgasen verfügbaren Energie. Dabei wird ein Kraftfahrzeug unter veränderlicher Last betrieben, wobei die dem Motor vom Fahrer abverlangte Leistung beispielsweise zwischen 0 kW bei im Leerlauf befindlichem Motor und 10 kW bei einer Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 40 km/h und bis zu 100 kW bei heftigen Beschleunigungen schwanken kann.
Wenn am Auspuff wenig Energie zur Verfügung steht, d. h. wenn die dem Motor vom Fahrer abverlangte Leistung gering ist, besteht die Gefahr einer Unterbrechung des geschlossenen Kreislaufes zur Rückgewinnung von thermischer Energie. Die Wiederingangsetzung des geschlossenen Kreislaufs ist langwierig, was zu einem bedeutenden Verlust für den Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung von thermischer Energie aus den Abgasen führt.
In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung darauf ab, eine Auspuffanlage anzugeben, bei welcher die Rückgewinnung von thermischer Energie aus den Abgasen mit besserem Wirkungsgrad erfolgt.
Dazu bezieht sich die Erfindung auf eine Auspuffanlage der vorgenannten Art, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Zwischenwand aufweist, die zwischen die erste und die zweite Seite des Wärmetauschers eingefügt ist, wobei die Zwischenwand zumindest einen geschlossenen Hohlraum enthält, der ein Material zur Phasenumwandlung beinhaltet, wobei die Wand eine erste Austauschfläche in thermischem Kontakt mit den Abgasen und eine zweite Austauschfläche in thermischem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium aufweist.
Die Auspuffanalge kann auch ein oder mehrere der vorangehend genannten Merkmale einzeln betrachtet oder in allen möglichen technischen Kombination aufweisen, wonach:

– die Zwischenwand eine Mehrzahl von geschlossenen Hohlräumen aufweist, die jeweils eine Menge an Phasenumwandlungsmaterial beinhalten, wobei die geschlossenen Hohlräume voneinander getrennt sind,
– das Phasenumwandlungsmaterial ein oder mehrere anorganische Salze, ausgewählt aus der Gruppe umfassend NaOH, KOH, LiOH, NaNO₂, NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, LiNO₃, KCl, LiCl, NaCl, MgCl₂, CaCl₂, Na₂CO₃, K₂CO₃, Li₂CO₃, KF, LiF, enthält;
– das Phasenumwandlungsmaterial ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Pb und Zn, enthält;
– das Phasenumwandlungsmaterial eine Schmelztemperatur von zwischen 100°C und 500°C aufweist;
– das Phasenumwandlungsmaterial eine latente Schmelzwärme von zwischen 100 und 300 kJ/kg aufweist;
– die Zwischenwand eine Masse an Phasenumwandlungsmaterial aufweist, die so ausgewählt ist, dass sie die Speicherung von thermischer Energie von zwischen 0,1 kWh und 10 kWh gestattet;
– der geschlossene Kreislauf ein Rankine-Kreislauf oder ein Hirn-Kreislauf ist;
– der geschlossene Kreislauf eine Antriebswelle und ein Antriebsorgan für den Drehantrieb der Antriebswelle über das Wärmetauschermedium aufweist;
– das Wärmetauschermedium im wesentlichen Wasser enthält;
– der geschlossene Kreislauf so dimensioniert ist, dass das Wärmetauschermedium am Auslass des Wärmetauschers eine Referenztemperatur aufweist, wobei das Phasenumwandlungsmaterial eine Schmelztemperatur hat, die zwischen der Referenztemperatur und der Referenztemperatur plus 100°C liegt.

Die Auspuffanlage enthält:

– eine stromaufwärtige Leitung zur Zirkulation des Abgase, die strömungstechnisch an einen Einlass auf der ersten Seite des Wärmetauschers angeschlossen ist;
– eine stromabwärtige Leitung zur Zirkulation des Abgase, die strömungstechnisch an einen Auslass auf der ersten Seite des Wärmetauschers angeschlossen ist;
– eine Bypass-Leitung, welche die stromaufwärtige Leitung mit der stromabwärtigen Leitung unter Umgehung des Wärmetauschers verbindet,
– ein Organ zum Leiten der Abgase, das dazu geeignet ist, einen Teil der Abgase dem Wärmetauscher zuzuführen und einen weiteren Teil der Abgase der Bypass-Leitung zuzuführen,
– ein Organ zum Steuern des Leitorgans, das dazu geeignet ist, selektiv den dem Wärmetauscher zugeführten Teil der Abgase und den weiteren der Bypass-Leitung zugeführten Teil der Abgase zu steuern.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Auspuffanlage mit den vorangehend genannten Merkmalen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:

– Auswerten einer ersten Größe, die repräsentativ ist für eine Wärmeenergiemenge, die von den aus einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs austretenden Abgase geliefert wird,
– Erfassen zumindest einer zweiten Größe, die repräsentativ ist für eine Temperatur des Wärmetauschermediums im geschlossenen Kreislauf;
– Auswerten einer dritten Größe, die repräsentativ ist für eine im Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand gespeicherte Wärmeenergiemenge;
– Ermitteln des der Hauptleitung zugeführten Anteils von Abgasen in Abhängigkeit von zumindest der ersten, zweiten und dritten Größe;
– Steuern des Leitorgans in Abhängigkeit von dem ermittelten Anteil.

Das Verfahren kann ferner die nachfolgenden Merkmale aufweisen:

– Auswerten einer ersten Größe, die repräsentativ ist für eine Wärmeenergiemenge, die von den aus einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs austretenden Abgasen geliefert wird,
– Erfassen zumindest einer zweiten Größe, die repräsentativ ist für eine Temperatur des Wärmetauschermediums im geschlossenen Kreislauf;
– Auswerten einer dritten Größe, die repräsentativ ist für eine im Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand gespeicherte Wärmeenergiemenge;
– Ermitteln des dem Wärmetauscher zugeführten Anteils von Abgasen in Abhängigkeit von zumindest der ersten, zweiten und dritten Größe;
– Steuern des Leitorgans in Abhängigkeit von dem ermittelten Anteil.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der näheren Beschreibung, die nachfolgend nur beispielhaft und nicht einschränkend anhand der beigefügten Zeichnungen angegeben ist, worin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Auspuffanlage;
2 eine schematische Darstellung des Wärmetauschers der Auspuffanlage aus 1;
3 ein Diagramm von Schritten, das die Hauptschritte des Verfahrens zum Steuern der Auspuffanlage aus 1 angibt; und
4 und 5 graphische und schematische Darstellungen von Kurven, die den dem Wärmetauscher zugeführten Anteil des Abgasstroms in Abhängigkeit von der am Auspuff verfügbaren Energie angeben.
Die vereinfacht in 1 dargestellte Auspuffanlage 1 enthält:

– einen Krümmer 3, der zum Aufnehmen der aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors 5 des Kraftfahrzeugs austretenden Abgase vorgesehen ist;
– einen Wärmetauscher 7, der eine erste Seite zur Zirkulation der Abgase und eine zweite Seite zur Zirkulation eines Wärmetauschermediums aufweist;
– eine stromaufwärtige Leitung 9 zur Zirkulation der Abgase, über welche der Krümmer 3 an einen Einlass 10 auf der ersten Seite des Wärmetauschers 7 angeschlossen ist;
– eine stromabwärtige Leitung 11 zur Zirkulation der Abgase, welche an einen Auslass 12 auf der ersten Seite des Wärmetauschers 7 angeschlossen ist;
– eine Bypass-Leitung 13, welche einen Punkt der stromaufwärtigen Leitung mit einem Punkt der stromabwärtigen Leitung 11 unter Umgehung des Wärmetauschers 7 verbindet;
– ein Organ 15 zum Leiten der Abgase selektiv zum Wärmetauscher 7 und/oder zur Bypass-Leitung 13 hin;
– ein Organ 17 zum Steuern des Leitorgans 15 und;
– einen geschlossenen Kreislauf 19 zur Rückgewinnung eines Teils der thermischen Energie aus den Abgasen.

Die Bypass-Leitung verbindet eine T-Kreuzungsstelle 21, die in der stromaufwärtigen Leitung ausgeführt ist, mit einer weiteren T-Kreuzungsstelle 23, die in der stromabwärtigen Leitung 11 ausgeführt ist.
Nicht dargestellte Einrichtungen, wie etwa ein Turbolader, können zwischen Krümmer 3 und T-Kreuzungsstelle 21 eingefügt sein.
Die stromabwärtige Leitung 11 ist strömungstechnisch an das Ablassrohr (nicht dargestellt) zum Auslassen der gereinigten Abgase in die Atmosphäre angeschlossen. Weitere nicht dargestellte Organe, wie etwa ein Schalldämpfer und Abgasreinigungsorgane, sind zwischen der T-Kreuzungsstelle 23 und dem Ablassrohr vorgesehen.
Der geschlossene Kreislauf 19 zur Rückgewinnung eines Teils der thermischen Energie aus den Abgasen ist beispielsweise ein Rankine-Kreislauf.
Der Rankine-Kreislauf enthält eine Turbine 25, einen Kondensator 27 und eine Pumpe 29. Eine Rohrleitung 31 verbindet einen Auslass 33 auf der zweiten Seite des Wärmetauschers mit einem Hochdruckeinlass der Turbine 25.
Eine Rohrleitung 35 verbindet einen Niederdruckauslass der Turbine 25 mit einem Einlass des Kondensators 27. Eine Rohrleitung 37 verbindet einen Auslass des Kondensators 27 mit einem Ansaugeinlass der Pumpe 29.
Schließlich verbindet eine Rohrleitung 39 einen Druckauslass der Pumpe 29 mit einem Einlass 41 auf der zweiten Seite des Wärmetauschers 7.
Über die Turbine 25 wird eine Antriebswelle 43 drehend angetrieben, wobei diese beispielsweise mit einer Lichtmaschine 45 verbunden ist. Alternativ kann die Welle 43 ein mechanisches Organ des Fahrzeugs antreiben. Ferner kann die Turbine 25 durch einen Dampfmotor ersetzt werden, der mit der Antriebswelle 43 gekoppelt ist.
Das Wärmetauschermedium, das im geschlossenen Kreislauf 19 strömt, enthält typischerweise im wesentlichen Wasser. Das Medium kann verschiedene Zusätze aufweisen, beispielsweise zum Einschränken von Korrosion oder zum Verhindern von Frost. Das Wärmetauschermedium wird im Wärmetauscher 7 unter der Wirkung von Hitze verdampft, die von den Abgasen abgegeben wird. Das Wärmetauschermedium kann auch ein organisches Medium sein, das auf einen Kreislauf, wie etwa den Rankine-Kreislauf, abgestimmt ist. Das Medium kann beispielsweise Genetron^® 245FA sein, das von Honeywell vertrieben wird.
Wie in 2 ersichtlich ist, weist der Wärmetauscher 7 eine Zwischenwand 47 auf, die zwischen die erste und zweite Seite 49 und 51 des Wärmetauscher eingefügt ist.
Die Zwischenwand 47 weist eine Mehrzahl von Hohlräumen 53 auf, die jeweils eine Menge an Phasenumwandlungsmaterial beinhalten. Die Zwischenwand 47 besteht typischerweise im wesentlichen aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus Stahl.
Der Hohlraum 53 ist vollständig geschlossen und von den weiteren Hohlräumen 53 getrennt. Somit ist das in dem Hohlraum 53 enthaltende Phasenumwandlungsmaterial vollständig vom Außenraum außerhalb des Hohlraums getrennt.
Die Hohlräume 53 sind vorzugsweise gleichförmig über den Großteil der Fläche der Wand 47 verteilt. Vorzugsweise sind die Hohlräume 53 gleichförmig über die gesamte Fläche der Wand 47 verteilt.
Die Zwischenwand 47 weist eine erste Austauschfläche 55 in thermischem Kontakt mit den Abgasen und eine zweite Austauschfläche 57 in thermischem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium auf.
Die Flächen 55 und 57 bilden die beiden großen, entgegengesetzten Seiten der Zwischenwand.
Typischerweise ist die erste Austauschfläche 55 in direktem Kontakt mit den Abgasen, die auf der ersten Seite des Wärmetauschers strömen.
Die Fläche 55 grenzt teilweise die erste Seite des Wärmetauschers ein.
Ebenso ist die zweite Wärmeaustauschfläche 57 vorzugsweise in direktem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium, das auf der zweiten Seite strömt.
Somit ist der Wärmetauscher 7 so aufgebaut, dass er die Abgase mit dem ersten Wärmetauschermedium in thermischen Kontakt bringt, wobei die Abgase durch die Zwischenwand hindurch einen Teil ihrer Wärmeenergie an das Wärmetauschermedium abgeben.
Das Phasenumwandlungsmaterial enthält typischerweise ein oder mehrere anorganische Salze. Diese anorganischen Salze sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend NaOH, KOH, LiOH, NaNO₂, NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, LiNO₃, KCl, LiCl, NaCl, MgCl₂, CaCl₂, Na₂CO₃, K₂CO₃, Li₂CO₃, KF, LiF.
Beispielsweise besteht das Phasenumwandlungsmaterial aus einem dieser anorganischen Salze oder aus einem Gemisch von zwei oder drei dieser anorganischen Salze.
Das Phasenumwandlungsmaterial kann auch ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus Sn, Pb und Zn, enthalten. Vorteilhaft besteht das Material aus einem oder aus mehreren Metallen, ausgewählt aus Sn, Pb und Zn.
Das Phasenumwandlungsmaterial weist eine Schmelztemperatur von zwischen 100°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 150 und 400°C, und noch bevorzugter zwischen 200 und 350°C auf.
Das Phasenumwandlungsmaterial hat typischerweise eine latente Schmelzwärme von zwischen 100 und 300 kJ/kg, beispielsweise zwischen 150 und 250 kJ/kg.
Beispielsweise ist das Phasenumwandlungsmaterial ein binäres Salz, das etwa 60% NaNO₃ und 40% KNO₃ enthält. Alternativ kann das Phasenumwandlungsmaterial das unter der Bezeichnung HitecXL vertriebene Salz sein, das ein ternäres Salz mit etwa 48% Ca(NO₃)₂, 7% NaNO₃ und 45% KNO₃ ist.
Das in der Zwischenwand enthaltene Phasenumwandlungsmaterial ist dazu vorgesehen, eine Pufferkapazität für thermische Energie zu bilden.
Wenn somit die von den Abgasen auf der ersten Seite des Wärmetauschers erbrachte thermische Energie größer ist als die Energie, welche der geschlossene Rückgewinnungskreislauf aufnehmen kann, wird ein Teil der überschüssigen Energie in dem Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand gespeichert. Wie weiter oben angegeben ist, weisen diese Materialien eine relativ hohe latente Schmelzwärme auf, wobei die überschüssige Energie gestattet, das Phasenumwandlungsmaterial zum Schmelzen zu bringen. Wenn umgekehrt die von den Abgasen auf der ersten Seite des Wärmetauschers erbrachte Energie geringer als die Energie ist, die von dem geschlossenen Kreislauf rückgewonnen wurde, so gibt das Phasenumwandlungsmaterial die gespeicherte Energie durch Verfestigung des zuvor erschmolzenen Materials zurück.
Die Masse an Phasenumwandlungsmaterial, die in der Zwischenwand eingegliedert ist, ist derart gewählt, dass das Speichern einer Gesamtwärmemenge von zwischen 0,1 und 10 kWh, vorzugsweise zwischen 0,5 kWh und 5 kWh, möglich ist.
Beispielsweise ist die Masse so gewählt, dass das Speichern einer Energie von zwischen 1 und 2 kWh möglich ist
Im übrigen hat der Rankine-Kreislauf 19 in Abhängigkeit von der Temperatur einen Wirkungsgrad in Form einer glockenartigen Kurve. Die hier betrachtete Temperatur ist die Temperatur des Wärmetauschermediums am Auslass des Wärmetauschers 7. Unterhalb der Temperatur bei Beginn der Verdampfung des Wärmetauschermediums ist dieser Wirkungsgrad gleich null. Er steigt auf eine Referenztemperatur Tref an, für welche der Kreislauf dimensioniert ist. Das Phasenumwandlungsmaterial ist so gewählt, dass seine Schmelztemperatur im wesentlichen der optimalen Betriebstemperatur des Rankine-Kreislaufs entspricht. Die Schmelztemperatur liegt beispielsweise zwischen Tref und Tref + 100°C, vorzugsweise zwischen Tref und Tref + 50°C.
Das Leitorgan 15 ist ein 3-Wege-Ventil, das an der T-Kreuzungsstelle 21 montiert ist. Es wird über den Rechner 17 angesteuert. Das 3-Wege-Ventil ist dazu geeignet, selektiv die Gesamtheit der Abgase dem Wärmetauscher 7 zuzuführen, die Gesamtheit der Abgase der Bypass-Leitung 13 zuzuführen oder einen bestimmten Anteil der Abgase dem Wärmetauscher 7 und die restlichen Abgase der Bypass-Leitung zuzuführen. Der genannte Anteil wird vom Rechner 17 bestimmt, wie vorangehend beschrieben ist.
Die Auspuffanlage ist ferner mit einem Temperaturmessfühler 47 zum Messen der Temperatur der Abgase und mit einem Durchflussmengenmessfühler 49 zum Messen der Durchflussmenge von Abgasen versehen, die beispielsweise in die stromaufwärtige Leitung 9 eingesetzt sind. Diese Messfühler informieren den Rechner 17.
Die Auspuffanlage enthält ferner einen Messfühler 51 zum Messen der Temperatur des Wärmetauschermediums und einen Messfühler 53 zum Messen des Drucks des Wärmetauschermediums, die in die Leitung 31 eingesetzt sind, welche den Auslass 33 auf der zweiten Seite des Wärmetauschers 7 mit der Turbine 25 verbindet. Diese Messfühler informieren den Rechner 17.
Wie vorangehend angegeben ist, wird der Motor des Kraftfahrzeugs mit veränderlicher Last betrieben. Wenn der Motor im Leerlauf ist, liegt die vom Fahrer angeforderte Leistung bei etwa 0 kW. Wenn das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h fährt, liegt die vom Fahrer angeforderte Leistung bei etwa 10 kW. Bei einer heftigen Beschleunigung kann die dem Motor abverlangte Leistung bis auf 100 kW ansteigen. Der geschlossene Kreislauf 19 ist für die Rückgewinnung einer Wärmeleistung von etwa 40 kW aus den Abgasen dimensioniert.
Somit liegt in den Phasen, wo der Verbrennungsmotor mit hoher Last betrieben wird, die in den aus dem Motor ausströmenden Abgasen verfügbare Wärmeleistung beispielsweise bei 60 kW. In diesem Falle gewinnt der geschlossene Kreislauf etwa 40 kW Wärmeleistung aus den Abgasen, wobei ein Teil der überschüssigen 20 kW entnommen und vom Phasenumwandlungsmaterial gespeichert wird. Umgekehrt liegt in den Phasen, wo der Verbrennungsmotor mit geringer Last betrieben wird, die in den Abgasen verfügbare Wärmeleistung beispielsweise bei nur 20 kW. Die aus dem Phasenumwandlungsmaterial gebildete Pufferkapazität wird dabei abgebaut, wobei ein Teil der im Phasenumwandlungsmaterial gespeicherten Wärmeenergie dann dem Wärmetauschermedium des geschlossenen Kreislaufs übertragen wird.
Nachfolgend wird näher die Ansteuerung der vorangehend beschriebenen Auspuffanlage anhand von 3 beschrieben. In Schritt S1 erfasst der Rechner die Temperatur T und die Durchflussmenge Q des Abgasstroms am Auslass des Krümmers 3 mittels der Messfühler 47 und 49. Ausgehend von diesen Werten wertet der Rechner in Schritt S2 die in den Abgasen verfügbare Wärmeenergie Edispo aus, die von dem geschlossenen Kreislauf 19 im Wärmetauscher 7 rückgewonnen werden kann.
In Schritt S3 erfasst der Rechner anhand der Messfühler 51 und 53 den Druck P und die Temperatur T des Wärmetauschermediums des Rankine-Kreislaufs. Ausgehend von diesen erfassten Druck- und Temperaturwerten wertet der Rechner in Schritt S4 die Wärmeenergie Econso aus, die tatsächlich von dem Rankine-Kreislauf aufgenommen wurde. Diese Wärmeenergie wird über die Turbine in mechanische Energie umgewandelt oder aber geht verloren.
In Schritt S5 wertet der Rechner die Last des Phasenumwandlungsmaterials aus. Unter Last ist hier die zum laufenden Zeitpunkt in dem Phasenumwandlungsmaterial gespeicherte Wärmeenergiemenge zu verstehen. Diese Last kann in Prozent der gesamten Speicherkapazität für Wärmeenergie des Phasenumwandlungsmaterials ausgedrückt werden. Die Last kann auch unmittelbar als gespeicherte Energie ausgedrückt werden. Die Last des Phasenumwandlungsmaterials wird beispielsweise dadurch berechnet, dass periodisch Energiebilanzen für das Phasenumwandlungsmaterial erstellt werden. Die Last des Phasenumwandlungsmaterials zum Zeitpunkt t + 1 ist gleich der Last des Phasenumwandlungsmaterial zum Zeitpunkt t, erhöht um die tatsächlich von den Abgasen im Wärmetauscher abgegebene Energie, vermindert um die tatsächlich von dem geschlossenen Kreislauf aufgenommene Energie Econso. Die von den Abgasen im Wärmetauscher tatsächlich abgegebene Energie wird von dem Rechner unter anderem ausgehend von der in den Abgasen verfügbaren Energie Edispo, von dem Anteil des dem Wärmetauscher zugeführten Abgasstroms, von dem Druck und von der Temperatur des Wärmetauschermediums im geschlossenen Kreislauf ausgewertet, die in Schritt S3 erfasst wurde.
In Schritt S6 ermittelt der Rechner den Anteil des Abgasstroms, der dem Wärmetauscher 7 in Abhängigkeit von der von den Abgasen erbrachten Wärmeenergie Edispo zuzuführen ist, die in Schritt S2 ausgewertet wurde, sowie von der Temperatur T des Wärmetauschermediums des geschlossenen Kreislaufs, die über den Messfühler 51 erfasst wurde, und/oder von der Last des Phasenumwandlungsmaterials, die in Schritt S5 ausgewertet wurde.
Der Anteil vom Abgasstrom, der nicht dem Wärmetauscher 7 zugeführt wird, wird der Bypass-Leitung zugeführt.
Der Rechner steuert dann die Verlagerung der Ventilklappe des 3-Wege-Ventils 15 bis zu einer Stellung, in welcher der Abgasstrom auf den Wärmetauscher und auf die Bypass-Leitung aufgeteilt wird, wie in Schritt S6 bestimmt wurde. Die Stellung der Ventilklappe wird vom Rechner aus Tabellen oder anhand von vorbestimmten Kurven zumindest in Abhängigkeit von der aus dem Krümmer austretenden Abgasdurchflussmenge und von dem Anteil des Abgasstroms, der dem Wärmetauscher zuzuführen ist, ausgelesen.
Der dem Wärmetauscher zugeführte Anteil des Abgasstroms wird von dem Rechner bestimmt, indem beispielsweise das Diagramm aus 4 verwendet wird. In dieser Figur ist ein Kurvennetz dargestellt, das in Abhängigkeit von der Last des Phasenumwandlungsmaterials parametriert ist. Jede Kurve entspricht einem unterschiedlichen Lastzustand des Phasenumwandlungsmaterials. Hier wurden nur drei Kurven markiert, jedoch kann der Speicher des Rechners eine wesentlich höhere Anzahl an Kurven enthalten. Die Kurve mit durchgezogener Linie entspricht einer Last von 0% und die beiden gestrichelt dargestellten Kurven entsprechen einer Last von 50% bzw. 100%. Jede Kurve gibt den Anteil des Abgasstroms an, der dem Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Wärmeenergie zugeführt wurde, die von den aus dem Motor ausströmenden Abgasen erbracht wurde.
Aus 4 geht hervor, dass dann, wenn die von den Abgasen gelieferte Energie geringer als eine Referenzenergie Eref ist, 100% der Abgase dem Wärmetauscher 7 zugeführt werden. Eref entspricht beispielsweise der Wärmeenergie, für welche der geschlossene Kreislauf zur Rückgewinnung dimensioniert ist. Beispielsweise hat Eref einen Wert von 40 kW.
Wenn die von den Abgasen gelieferte Energie höher als Eref ist, nimmt der dem Wärmetauscher zugeführte Anteil des Abgasstroms progressiv ab. Die Geschwindigkeit, mit welcher dieser Anteil abnimmt, ist Funktion von der Last des Phasenumwandlungsmaterials. Wenn die Last 0% beträgt, nimmt der Anteil relativ langsamer ab. Wenn die Last bei 50% liegt, nimmt dieser Anteil schneller ab, und wenn die Last bei 100% liegt, dann nimmt der Anteil noch schneller ab.
Die Kurvenabschnitte jenseits von Eref wurden linear dargestellt. Diese Abschnitte könnten jedoch auch eine andere Form haben und gekrümmt verlaufen oder gekrümmte Abschnitte enthalten.
Die Kurven in 4 werden in der Praxis durch Simulation und/oder empirisch ermittelt.
Alternativ kann der dem Wärmetauscher zugeführte Anteil des Abgasstroms in Schritt S6 durch den Rechner mit Hilfe des Diagramms aus 5 bestimmt werden.
Dieses Diagramm enthält ein in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmetauschermediums am Auslass des Wärmetauschers parametriertes Kurvennetz. Jede Kurve entspricht einer erfassten unterschiedlichen Temperatur für das Wärmetauschermedium des geschlossenen Kreislaufs 19. Die mit durchgezogener Linie dargestellte Kurve entspricht der Temperatur des Wärmetauschermediums, für das der geschlossene Kreislauf dimensioniert wurde. Wenn das Wärmetauschermedium Wasser ist, dann kann diese Temperatur beispielsweise bei 250°C liegen. Diese Temperatur kann sich auch deutlich von 250°C unterscheiden.
Die strichpunktiert dargestellte Kurve entspricht einer erfassten Temperatur, die geringer als die Referenztemperatur ist. Die gestrichelt dargestellte Kurve entspricht einer erfassten Temperatur über der Referenztemperatur. In 5 sind nur drei Kurven dargestellt, jedoch ist es möglich, wesentlich mehr Kurven in den Speicher des Rechners einzugeben.
Wie in 4 dargestellt ist, werden 100% des Abgasstroms dem Wärmetauscher dann zugeführt, wenn die von den Abgasen gelieferte Energie unter einer Referenzenergie liegt.
Wenn die gelieferte Energie höher als die Referenzenergie ist, dann nimmt der dem Wärmetauscher zugeführte Anteil der Abgase progressiv ab. Dieser Anteil nimmt mit einer mittleren Geschwindigkeit ab, wenn die erfasste Temperatur der Referenztemperatur für die Dimensionierung des geschlossenen Kreislaufs entspricht. Dieser Anteil nimmt dann weniger schnell ab, wenn die erfasste Temperatur niedriger als die Referenztemperatur ist. Dieser Anteil nimmt dann schneller ab, wenn die erfasste Temperatur höher als die Referenztemperatur ist.
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Variante kann der Rechner den dem Wärmetauscher zugeführten Anteil des Abgasstroms mit Hilfe eines in Abhängigkeit von der Last des Phasenumwandlungsmaterials und zugleich von der erfassten Temperatur des Wärmetauschermediums parametrierten Kurvennetzes ermitteln.
Die vorangehend beschriebene Auspuffanlage weist zahlreiche Vorteile auf.
Dadurch, dass der Wärmetauscher eine zwischen erste und zweite Seite des Wärmetauscher eingesetzte Zwischenwand aufweist, wobei die Zwischenwand zumindest einen ein Phasenumwandlungsmaterial beinhaltenden geschlossenen Hohlraum aufweist und wobei die Wand eine erste Austauschwand in thermischem Kontakt mit den Abgasen und eine zweite Austauschwand in thermischem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium enthält, weist der geschlossene Rückgewinnungskreislauf eine entscheidende Wärmeträgheit auf, mit der es möglich ist, die Schwankungen bei der Wärmeenergiemenge zu dämpfen, die von den aus dem Motor ausströmenden Abgasen geliefert wird.
Es kann eine gewisse Wärmeenergiemenge innerhalb des Wärmetauschers selbst gespeichert werden.
Wenn die am Auspuff verfügbare Energie höher als die Energie ist, die der geschlossene Kreislauf rückgewinnen und verwerten kann, dann wird das Phasenumwandlungsmaterial belastet. Diese Belastung erfolgt durch Schmelzen des Phasenumwandlungsmaterials, wobei dieses vom Festzustand in den Flüssigzustand umgewandelt wird. Eine solche Phasenumwandlung nimmt eine bedeutende Menge an Wärmeenergie auf, die der latenten Schmelzwärme des Materials entspricht.
Im Gegensatz dazu gibt dann, wenn die am Auspuff verfügbare Energiemenge geringer als die Leistung ist, welche der geschlossene Kreislauf rückgewinnen und verwerten kann, das Phasenumwandlungsmaterial einen Anteil an gespeicherter Wärmeenergie frei, wodurch ein Energieübermaß dem Wärmetauschermedium des geschlossenen Kreislaufs übertragen wird.
Der geschlossene Rückgewinnungskreislauf kann somit für eine gewisse Zeitdauer weiterbetrieben werden, selbst wenn die von den Abgasen gelieferte Energie vermindert ist.
Wenn dagegen die von den Abgasen gelieferte Energie dauerhaft auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, dann wird der geschlossene Kreislauf unterbrochen, nachdem das Phasenumwandlungsmaterial vollständig von Wärmeenergie entlastet ist. Diese Unterbrechung erfolgt dann, wenn das Wärmetauschermedium aus dem Wärmetauscher 7 mit einer Temperatur unter seiner Verdampfungstemperatur austritt. Mit der Erfindung ist es möglich, den Moment der Unterbrechung des geschlossenen Kreislaufs aufzuschieben.
Im übrigen ist es durch Verwendung des Phasenumwandlungsmaterials, das einen Wärmeenergiepuffer im Wärmetauscher darstellt, möglich, den geschlossenen Kreislauf so nahe wie möglich an seiner Referenztemperatur zu betreiben. In der Tat wird die Schmelztemperatur des Phasenumwandlungsmaterials nahe der Referenztemperatur des Wärmetauschermediums gewählt. Wenn die Temperatur des Wärmetauschermediums am Auslass des Wärmetauschers sinkt und geringer als die Referenztemperatur wird, dann wird ein Teil der im Phasenumwandlungsmaterial gespeicherten Wärmeenergie dem Wärmetauschermedium übertragen. Umgekehrt wird dann, wenn die Temperatur des Wärmetauschermediums am Auslass des Wärmetauschers höher als die Referenztemperatur ist, das Phasenumwandlungsmaterial seine Last erhöhen, indem es einen Teil der von den Abgasen auf das Wärmetauschermedium übertragenen Wärmeenergie entnimmt. Dieser Mechanismus kann dazu beitragen, das Wärmetauschermedium nahe bei seiner Referenztemperatur zu halten, d. h. auf einer Temperatur, bei welcher der Wirkungsgrad des geschlossenen Kreislaufs optimal ist.
Anzumerken ist, dass das Leitorgan an der T-Kreuzungsstelle angeordnet sein könnte, die dem Wärmetauscher nachgelagert ist. Ferner könnte dieses Organ kein 3-Wege-Ventil sein, sondern zwei 2-Wege-Proportionalventile aufweisen, eines an der Bypass-Leitung und das andere in Reihe mit dem Wärmetauscher, um den Abgasstrom durch den Wärmetauscher zu modulieren.
Der geschlossene Kreislauf zur Rückgewinnung von Energie kann kein Rankine-Kreislauf, sondern ein Hirn-Kreislauf oder jeglicher andere geeignete Kreislauf sein.
Anzumerken ist, dass die dritte Größe, die repräsentativ ist für die im Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand gespeicherte Wärmeenergiemenge ausgewertet wird durch:

– Auswerten einer vierten Größe, die repräsentativ ist für eine Wärmeenergiemenge, die tatsächlich von dem geschlossenen Kreislauf im Wärmetauscher aufgenommen wurde;
– Ableiten der dritten Größe zumindest von der ersten Größe und von der vierten Größe.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0201153 A [0003]

Claims

Auspuffanlage für Kraftfahrzeuge, wobei die Auspuffanlage (1) enthält: – einen Wärmetauscher (7), der eine erste Seite (49) zur Zirkulation der Abgase und eine zweite Seite (51) zur Zirkulation eines Wärmetauschermediums aufweist; – einen geschlossenen Kreislauf (19) zur Rückgewinnung eines Teils der thermischen Energie aus den Abgasen, in dem das Wärmetauschermedium strömt, wobei die zweite Seite (51) des Wärmetauschers (7) in den geschlossenen Kreislauf (19) eingefügt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) eine Zwischenwand (47) aufweist, die zwischen die erste und die zweite Seite (49, 51) des Wärmetauschers (7) eingefügt ist, wobei die Zwischenwand (47) zumindest einen geschlossenen Hohlraum (53) enthält, der ein Material zur Phasenumwandlung beinhaltet, wobei die Zwischenwand (47) eine erste Austauschfläche (55) in thermischem Kontakt mit den Abgasen und eine zweite Austauschfläche (57) in thermischem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium aufweist.
Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (47) eine Mehrzahl von geschlossenen Hohlräumen (53) aufweist, die jeweils eine Menge an Phasenumwandlungsmaterial beinhalten, wobei die geschlossenen Hohlräume (53) voneinander getrennt sind.
Auspuffanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenumwandlungsmaterial ein oder mehrere anorganische Salze, ausgewählt aus der Gruppe umfassend NaOH, KOH, LiOH, NaNO₂, NaNO₃, KNO₃, Ca(NO₃)₂, LiNO₃, KCl, LiCl, NaCl, MgCl₂, CaCl₂, Na₂CO₃, K₂CO₃, Li₂CO₃, KF, LiF, enthält.
Auspuffanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenumwandlungsmaterial ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Pb und Zn, enthält.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenumwandlungsmaterial eine Schmelztemperatur von zwischen 100°C und 500°C aufweist.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenumwandlungsmaterial eine latente Schmelzwärme von zwischen 100 und 300 kJ/kg aufweist.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwand (47) eine Masse an Phasenumwandlungsmaterial aufweist, die so ausgewählt ist, dass sie die Speicherung von thermischer Energie von zwischen 0,1 kWh und 10 kWh gestattet.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kreislauf (19) ein Rankine-Kreislauf oder ein Hirn-Kreislauf ist.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kreislauf (19) eine Antriebswelle (43) und ein Antriebsorgan (25) für den Drehantrieb der Antriebswelle (43) über das Wärmetauschermedium aufweist.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschermedium im wesentlichen Wasser enthält.
Auspuffanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kreislauf (19) so dimensioniert ist, dass das Wärmetauschermedium am Auslass des Wärmetauschers (7) eine Referenztemperatur aufweist, wobei das Phasenumwandlungsmaterial eine Schmelztemperatur hat, die zwischen der Referenztemperatur und der Referenztemperatur plus 100°C liegt.
Auspuffanalge nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält: – eine stromaufwärtige Leitung (9) zur Zirkulation der Abgase, die strömungstechnisch an einen Einlass (10) auf der ersten Seite (49) des Wärmetauschers (7) angeschlossen ist; – eine stromabwärtige Leitung (11) zur Zirkulation der Abgase, die strömungstechnisch an einen Auslass (12) auf der ersten Seite (49) des Wärmetauschers (7) angeschlossen ist; – eine Bypass-Leitung (13), welche die stromaufwärtige Leitung (9) mit der stromabwärtigen Leitung (11) unter Umgehung des Wärmetauschers (7) verbindet, – ein Organ (15) zum Leiten der Abgase, das dazu geeignet ist, einen Teil der Abgase dem Wärmetauscher (7) zuzuführen und einen weiteren Teil der Abgase der Bypass-Leitung (13) zuzuführen, – ein Organ (17) zum Steuern des Leitorgans (15), das dazu geeignet ist, selektiv den dem Wärmetauscher (7) zugeführten Teil der Abgase und den weiteren der Bypass-Leitung (13) zugeführten Teil der Abgase zu steuern.
Verfahren zum Steuern einer Auspuffanlage nach Anspruch 12, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: – Auswerten einer ersten Größe, die repräsentativ ist für eine Wärmeenergiemenge, die von den aus einem Verbrennungsmotor (5) des Fahrzeugs austretenden Abgase geliefert wird, – Erfassen zumindest einer zweiten Größe, die repräsentativ ist für eine Temperatur des Wärmetauschermediums im geschlossenen Kreislauf (19); – Auswerten einer dritten Größe, die repräsentativ ist für eine im Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand (47) gespeicherte Wärmeenergiemenge; – Ermitteln des dem Wärmetauscher (7) zugeführten Anteils an Abgasen in Abhängigkeit von zumindest der ersten, zweiten und dritten Größe; – Steuern des Leitorgans (15) in Abhängigkeit von dem ermittelten Anteil.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Größe, die repräsentativ ist für die im Phasenumwandlungsmaterial der Zwischenwand (47) gespeicherte Wärmeenergiemenge, ausgewertet wird durch: – Auswerten einer vierten Größe, die repräsentativ ist für eine Wärmeenergiemenge, die tatsächlich von dem geschlossenen Kreislauf (19) im Wärmetauscher (7) aufgenommen wurde; – Ableiten der dritten Größe zumindest von der ersten Größe und von der vierten Größe.