DE112017000291T5

DE112017000291T5 - Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems und derartiges Wärmerückgewinnungssystem

Info

Publication number: DE112017000291T5
Application number: DE112017000291.5T
Authority: DE
Inventors: Björn Johansson; Erik Höckerdal; Ola Blom
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-09-20
Also published as: WO2017135865A1; SE1650133A1; SE539690C2; US20190040764A1; US10662820B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems (10), das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) umfasst: einen Arbeitsfluidkreis (12); zumindest einen Verdampfer (14); einen Expander (16); einen Kondensator (18); ein Reservoir (20) für ein Arbeitsfluid (WF) und eine Pumpe (22), die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid (WF) durch den Kreis (12) zu pumpen, wobei der zumindest eine Verdampfer (14) zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid (WF) und einer Wärmequelle (24) eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) ferner einen Kühlkreis (16) umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator (18) angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte: Vorhersagen (s101) eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors (2), der mit dem System (10) in Verbindung steht; Bestimmen (s102), ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist, Reduzieren (s103) der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors (2).
Die Erfindung betrifft auch ein Wärmerückgewinnungssystem (10), ein Fahrzeug (1), das ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem (10) umfasst, ein Computerprogramm (P) und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Technisches Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems, ein Wärmerückgewinnungssystem, ein Fahrzeug, das ein derartiges Wärmerückgewinnungssystem umfasst, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Hintergrund
Fahrzeughersteller streben heute danach, die Motoreneffizienz zu erhöhen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Dies ist im Speziellen ein Problem für Hersteller von schweren Fahrzeugen, wie beispielsweise Lastwagen und Bussen. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird ein Teil der Energie des Kraftstoffs aufgrund der Abgasrohre und des Motor-Kühlsystems als Wärme dissipiert. Durch die Verwendung eines Wärmerückgewinnungssystems kann die Wärme der Abgase stattdessen dazu verwendet werden, mechanische Arbeit zu erzeugen. Die mechanische Arbeit kann zum Beispiel an den Antriebsstrang übertragen werden, und sie kann daher dazu verwendet werden, das Fahrzeug anzutreiben. Auf diese Weise können die Motoreneffizienz und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden.
Wärmerückgewinnungssysteme basieren typischerweise auf dem Rankine-Zyklus und umfassen daher ein Arbeitsfluid, eine Pumpe zum Zirkulieren des Arbeitsfluids in einem Kreis, zumindest einen Verdampfer, eine Expansionsvorrichtung und einen Kondensator. Das Arbeitsfluid ist zweckmäßigerweise zu Beginn in einem flüssigen Zustand. Die Pumpe setzt das Arbeitsfluid unter Druck, das durch den Verdampfer gepumpt wird. Das Arbeitsfluid wird durch die Abgase erwärmt, die durch den Verdampfer geleitet werden, und das Arbeitsfluid verdampft hierdurch. Der Dampf wird anschließend in der Expansionsvorrichtung expandiert. Mittels der Expansionsvorrichtung wird die wiedergewonnene Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt. Der Dampf wird anschließend in dem Kondensator derart gekühlt, dass das Arbeitsfluid in seinen anfänglichen flüssigen Zustand zurückversetzt wird. Der Kondensator ist daher typischerweise mit einem Kühlkreis verbunden, der ein Teil des Motorkühlsystems oder ein separates Kühlsystem sein könnte.
Die Betriebstemperatur eines derartigen Wärmerückgewinnungssystems ist üblicherweise recht hoch und die thermische Trägheit des Systems führt zu einer hohen Temperatur auch nachdem das System abgeschaltet wurde. Zu hohe Temperaturen können das Arbeitsfluid und andere Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems beschädigen. Es ist daher wichtig, dass das Wärmerückgewinnungssystem abgekühlt wird, bevor es abgeschaltet wird.
Dokument WO 2014/098843 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmerückgewinnungssystems, wobei ein Absperrventil an der Einlassseite zu der Pumpe derart angeordnet ist, dass die Zirkulation des Arbeitsfluids gestoppt werden kann, falls ein Notfall-Abschalten benötigt wird. Ein derartiges Notfall-Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems kann zum Beispiel während eines Motorbremsens oder einer Fehlfunktion des Systems benötigt werden oder wenn das Fahrzeug mit laufendem Motor für eine Inspektion oder eine Wartung angehalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Trotz bekannter Lösungen in dem Feld besteht immer noch ein Bedarf, ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems zu entwickeln, welches eine Motoreneffizienz, einen Kraftstoffverbrauch und einen Fahrkomfort optimiert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems zu erzielen, das eine Motoreneffizienz und einen Kraftstoffverbrauch optimiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems zu erzielen, das einen Fahrkomfort optimiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Wärmerückgewinnungssystem zu erzielen, das eine Motoreneffizienz und einen Kraftstoffverbrauch optimiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Wärmerückgewinnungssystem zur erzielen, das einen Fahrkomfort optimiert.
Die hierin erwähnten Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems, durch ein Wärmerückgewinnungssystem, durch ein Fahrzeug, durch ein Computerprogramm und durch ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems bereitgestellt, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst einen Arbeitsfluidkreis; zumindest einen Verdampfer; einen Expander; einen Kondensator; ein Reservoir für ein Arbeitsfluid und eine Pumpe, die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid durch den Kreis zu pumpen, wobei der zumindest eine Verdampfer zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid und einer Wärmequelle eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem ferner einen Kühlkreis umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Vorhersagen eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors, der mit dem System in Verbindung steht;
- Bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist,
- Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors.

Das Wärmerückgewinnungssystem der Erfindung basiert zweckmäßigerweise auf dem Rankine-Zyklus, vorzugsweise auf einem organischen Rankine-Zyklus. Das Arbeitsfluid ist daher zweckmäßigerweise organisch, wie beispielsweise Ethanol oder R245fa. Das Wärmerückgewinnungssystem, das auf dem Rankine-Zyklus basiert, ist zweckmäßigerweise derart eingerichtet, dass das Arbeitsfluid, zweckmäßigerweise in einem flüssigen Zustand, durch den zumindest einen Verdampfer gepumpt wird. Das Arbeitsfluid wird hierdurch von der Wärmequelle erwärmt, die mit dem Verdampfer verbunden ist, und das Arbeitsfluid verdampft daher. Der Dampf wird dann in dem Expander expandiert, wobei mechanische Arbeit erzeugt wird. Die mechanische Arbeit kann zum Beispiel an die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors übertragen werden, und sie kann daher dazu verwendet werden, das Fahrzeug anzutreiben, oder die mechanische Arbeit kann dazu verwendet werden, zum Beispiel einen Generator anzutreiben. Der Dampf wird anschließend in dem Kondensator durch Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid in dem Kühlkreis derart gekühlt, dass das Arbeitsfluid wieder in seinen anfänglichen flüssigen Zustand versetzt wird. Die Wärmequelle, die mit dem zumindest einen Verdampfer verbunden ist, können Abgase von dem Verbrennungsmotor sein, ein Abgas-Rezirkulationssystem, das Kühlfluid des Verbrennungsmotors, der Verbrennungsmotor selbst oder eine beliebige andere heiße Komponente in dem Fahrzeug. Die Wärmequelle steht vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor. Der zumindest eine Verdampfer ist zweckmäßigerweise ein Wärmetauscher, der mit der Wärmequelle und dem Arbeitsfluidkreis verbunden ist. Der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid und der Wärmequelle ist ein Austausch von Energie, der zu einer Temperaturänderung führt. Daher stellt die Wärmequelle die Energie bereit, die in das Wärmerückgewinnungssystem eintritt, und die Energie verlässt das Wärmerückgewinnungssystem als mechanische Arbeit über den Expander und als Wärme über den Kühlkreis. Die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem hängt daher von der Energiemenge ab, die in das System eintritt, und von der Energiemenge, die das System verlässt. Das Wärmerückgewinnungssystem kann mehrere Verdampfer umfassen, von denen jeder mit einer separaten Wärmequelle verbunden sein kann.
Die Betriebstemperatur des Wärmerückgewinnungssystems ist normalerweise ziemlich hoch und die thermische Trägheit des Systems führt zu einer hohen Temperatur lange nachdem das System abgeschaltet wurde. Derartige hohe Temperaturen könnten das Arbeitsfluid und andere Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems beschädigen. Es ist daher wichtig, dass das Wärmerückgewinnungssystem abgekühlt wird, bevor das System abgeschaltet wird. Es ist daher entscheidend, dass die Zirkulation des Arbeitsfluids und des Kühlfluids aufrechterhalten wird, bis eine sichere Temperatur erreicht ist. Das Wärmerückgewinnungssystem wird typischerweise hauptsächlich betrieben, wenn der Verbrennungsmotor betrieben wird, da die Wärmequelle im Allgemeinen mit dem Verbrennungsmotor im Zusammenhang steht. Daher wird das Wärmerückgewinnungssystem üblicherweise abgeschaltet, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Das Wärmerückgewinnungssystem kann zum Beispiel abgeschaltet werden, indem die Pumpe abgeschaltet wird, die das Arbeitsfluid zirkuliert. Wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, kann die Wärmequelle möglicherweise den Verdampfer nicht länger erwärmen, aber die thermische Trägheit des Verdampfers bedeutet, dass der Verdampfer für eine bestimmte Zeit eine sehr hohe Temperatur beibehalten wird. Falls das Wärmerückgewinnungssystem sofort abgeschaltet wird, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird, kann die hohe Temperatur des Verdampfers Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems beschädigen. Die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems muss daher reduziert werden, bevor es abgeschaltet wird. Die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems wird jedoch mit der Verdampfer-Temperatur erhöht. Die Temperatur des Verdampfers sollte daher während eines normalen Betriebs so hoch wie möglich beibehalten werden, und das Wärmerückgewinnungssystem sollte daher nicht unnötigerweise abgekühlt werden. Durch ein Vorhersagen eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors, ein Bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, und ein Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Motors, falls die Bedingungen erfüllt ist, wird sichergestellt, dass das Wärmerückgewinnungssystem nur abgekühlt wird, wenn dies nötig ist. Das Wärmerückgewinnungssystem wird hierdurch nur dann abgekühlt, wenn es wahrscheinlich ist, dass das Wärmerückgewinnungssystem abgeschaltet werden wird. Durch das Vorhersagen eines Abschaltens eines Motors und das Bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, wird auch ein Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems vorhergesagt. Das Wärmerückgewinnungssystem kann hierdurch vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors abgekühlt werden, und das Wärmerückgewinnungssystem kann zur gleichen Zeit abgeschaltet werden, zu der der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems wird hierdurch erzielt, das eine Motoreneffizienz, einen Kraftstoffverbrauch und einen Fahrkomfort optimiert.
Der Kühlkreis, der mit dem Kondensator verbunden ist, kann Teil des Verbrennungsmotor-Kühlsystems oder eines separaten Kühlsystems sein. Das Kühlfluid, das den Kondensator kühlt, kann hierbei in dem Kühlkreis von einer Kühlpumpe zirkuliert werden, die von dem Verbrennungsmotor oder von einer elektrischen Maschine angetrieben wird. In dem Fall, dass die Kühlpumpe von dem Verbrennungsmotor angetrieben wird, ist es entscheidend, dass das Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Motors abgekühlt wird, da die Kühlpumpe aufhören wird, das Kühlfluid zu zirkulieren, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird. Falls der Kondensator nicht durch den Kühlkreis gekühlt wird, wird das Arbeitsfluid in dem Wärmerückgewinnungssystem nicht gekühlt werden, und ein Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem wird schwierig sein. In dem Fall, dass die Kühlpumpe von einer elektrischen Maschine angetrieben wird, kann das Wärmerückgewinnungssystem nach einem Abschalten des Motors abgekühlt werden. Der Fahrer wird dann jedoch warten müssen, bis das Wärmerückgewinnungssystem eine hinreichend niedrige Temperatur erreicht hat, um sicher abgeschaltet zu werden. Zudem wird die elektrische Maschine, welche die Kühlpumpe antreibt, Energie von einem Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie in dem Fahrzeug verwenden, falls das Wärmerückgewinnungssystem nach dem Abschalten des Motors gekühlt wird. Dies ist nicht vorteilhaft. Durch das Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Motors wird die elektrische Maschine, welche die Kühlpumpe antreibt, hingegen Energie von einem Generator verwenden, was die Lebensdauer der Batterie erhöhen wird. Zudem wird der Fahrkomfort erhöht, indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Motors reduziert wird, da das Wärmerückgewinnungssystem im Wesentlichen zu derselben Zeit abgeschaltet werden kann wie der Verbrennungsmotor.
Das Wärmerückgewinnungssystem kann einen oder mehrere Verdampfer/Wärmetauscher umfassen. Das Wärmerückgewinnungssystem kann zum Beispiel einen Rekuperator aufweisen, der dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid zu erwärmen, bevor dieses in den Verdampfer eintritt. Das Wärmerückgewinnungssystem kann auch einen oder mehrere Kondensatoren umfassen, sodass ein Kühlen des Arbeitsfluids in mehreren Schritten durchgeführt werden kann. Ferner kann das System einen oder mehrere Expander umfassen. Der Expander kann eine Turbine oder ein Kolbenexpander sein. Das Wärmerückgewinnungssystem kann in Verbindung stehen mit einem Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeugs. Ein derartiges Hybridfahrzeug umfasst zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor eine elektrische Maschine für den Antrieb.
Die Verfahrensschritte werden zweckmäßigerweise mittels einer Steuereinheit durchgeführt, die mit dem zumindest einen Verdampfer, dem Expander, dem Kondensator und der Pumpe verbunden ist. Die vorbestimmte Bedingung steht zweckmäßigerweise in Verbindung mit dem Vorhersagen des Abschaltens des Verbrennungsmotors und daher mit dem Vorhersagen des Abschaltens des Wärmerückgewinnungssystems. Die vorbestimmte Bedingung ist zweckmäßigerweise eine Fahrzeugbetriebs-Bedingung. Die vorbestimmte Bedingung ist zweckmäßigerweise in der Steuereinheit gespeichert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage dessen vorhergesagt, dass ein Fahrzeug stillsteht, das den Verbrennungsmotor umfasst. Die vorbestimmte Bedingung umfasst dann zweckmäßigerweise, dass eine Parkbremse in dem Fahrzeug aktiviert ist. Wenn das Fahrzeug stillsteht, besteht eine Möglichkeit, dass der Verbrennungsmotor und daher das Wärmerückgewinnungssystem abgeschaltet werden wird, und es kann daher vorteilhaft sein, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem zu reduzieren. Wenn das Fahrzeug jedoch an einem Stoppschild oder einer Ampel angehalten wird, wird der Verbrennungsmotor nicht notwendigerweise abgeschaltet und die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems sollte daher nicht reduziert werden, um eine hohe Temperatur in dem Verdampfer aufrecht zu erhalten. Falls jedoch die Parkbremse des Fahrzeugs aktiviert ist, während das Fahrzeug stillsteht, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Verbrennungsmotor und daher das Wärmerückgewinnungssystem abgeschaltet werden. Indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem nur dann reduziert wird, wenn die Parkbremse aktiviert ist, wird sichergestellt, dass der Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems optimiert wird, und die Motoreneffizienz und der Kraftstoffverbrauch dadurch optimiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage der Topografie der geplanten Fahrzeugroute vorhergesagt. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, den Verbrennungsmotor abzuschalten, wenn bergab gefahren wird, und das Wärmerückgewinnungssystem kann dann abgeschaltet werden. Die vorbestimmte Bedingung ist daher, dass das Fahrzeug sich bei einer vorbestimmten Zeit oder Entfernung von einem zukünftigen Gefälle befindet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage eines Zielorts eines Fahrzeugs vorhergesagt, das den Verbrennungsmotor umfasst. Der Zielort des Fahrzeugs wird zweckmäßigerweise mittels eines Navigationssystems bestimmt. Die vorbestimmte Bedingung umfasst hierbei, dass das Fahrzeug sich innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem Zielort befindet. Die vorbestimmte Bedingung kann umfassen, dass das Fahrzeug zwischen 1-3 Minuten von dem Zielort entfernt ist. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Verbrennungsmotor bei dem nächsten benötigten Anhalten abgeschaltet wird. Indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem präventiv reduziert wird, wenn sich das Fahrzeug nahe dem nächsten benötigten Anhalten befindet, wird das Wärmerückgewinnungssystem zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verbrennungsmotors zum Abschalten bereit sein. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems erzielt, das einen Fahrkomfort optimiert.
Alternativ kann das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage dessen vorhergesagt werden, dass ein anderes Fahrzeugsystem ein Abschalten des Motors anfordert. Dies kann in dem Fall vorteilhaft sein, dass das Fahrzeug, welches das Wärmerückgewinnungssystem umfasst, ein Hybridfahrzeug ist. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, den Verbrennungsmotor abzuschalten und das Fahrzeug mit der elektrischen Maschine anzutreiben, um Lärm und Emissionen zu vermeiden. In diesem Fall kann der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden, und das Wärmerückgewinnungssystem wird nicht benötigt. Das Verfahren umfasst daher ein Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor einem Abschalten des Verbrennungsmotors, wenn ein anderes Fahrzeugsystem das Abschalten des Verbrennungsmotors anfordert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die vorbestimmte Bedingung, dass das Fahrzeug, das den Verbrennungsmotor umfasst, in einem bestimmten Fahrzeug-Leistungsmodus betrieben wird, wie beispielsweise in einem Sparmodus, einem Normalmodus oder einem Leistungsmodus. In Abhängigkeit von dem Fahrzeug-Leistungsmodus werden unterschiedliche Aspekte berücksichtigt, wenn das Fahrzeug gesteuert wird. Beispielsweise wird ein Fahrzeug, das in einem Sparmodus betrieben wird, derart gesteuert, dass der Kraftstoffverbrauch minimiert wird, und ein Fahrzeug, das in einem Leistungsmodus betrieben wird, wird derart gesteuert, dass die Motorleistung maximiert wird. Dies wird zweckmäßigerweise berücksichtigt, wenn bestimmt wird, ob das Wärmerückgewinnungssystem auf der Grundlage eines vorhergesagten Abschaltens eines Motors abgekühlt werden soll oder nicht. Bei einem Betrieb in einem Sparmodus sollte der Kraftstoffverbrauch minimiert werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem sollte daher so lange wie möglich beibehalten werden. Um die Motorleistung in einem Leistungsmodus zu maximieren, sollte die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems ebenfalls so lange wie möglich beibehalten werden. Die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems kann daher möglicherweise nur in dem Fall präventiv auf der Grundlage eines vorhergesagten Abschaltens eines Motors reduziert werden, dass der Fahrzeug-Leistungsmodus ein Normalmodus ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die vorbestimmte Bedingung, dass die gegenwärtige Temperatur in dem System über einer kritischen Temperatur liegt. Falls die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem nicht zu hoch ist, besteht keine Notwendigkeit, die Temperatur vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors weiter zu reduzieren. Somit wird die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem nur dann reduziert, wenn die gegenwärtige Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem über einer kritischen Temperatur liegt. Die kritische Temperatur kann zwischen 100 und 150 °C betragen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Schritt eines Reduzierens der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem ein Steuern des Kühlkreises, der mit dem Kondensator verbunden ist. Indem der Kühlkreis, der mit dem Kondensator verbunden ist, gesteuert wird, kann die Energiemenge, die das Wärmerückgewinnungssystem durch den Kühlkreis verlässt, erhöht werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem wird dabei reduziert. Der Kühlkreis kann derart gesteuert werden, dass der Fluss des Kühlfluids durch den Kondensator erhöht wird, und/oder durch ein Reduzieren der Temperatur des Kühlfluids. Zusätzlich oder alternativ wird die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem durch ein Steuern der Wärmequelle reduziert, die mit dem zumindest einen Verdampfer verbunden ist. Die Wärmequelle wird zweckmäßigerweise derart gesteuert, dass sie den Verdampfer umgeht. Auf diese Weise kann die Energiemenge, die in das Wärmerückgewinnungssystem eintritt, reduziert werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem wird dadurch reduziert. In dem Fall, dass die Wärmequelle Abgase des Verbrennungsmotors sind, kann der Schritt eines Reduzierens der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem ein Steuern der Abgase derart umfassen, dass sie den Verdampfer umgehen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Schritt eines Reduzierens der Temperatur in dem System ein Reduzieren der Temperatur derart, dass eine Zieltemperatur erreicht wird, wobei die Zieltemperatur unter einer normalen Betriebstemperatur liegt. Die Zieltemperatur ist zweckmäßigerweise eine Temperatur, die erwünscht ist, um eine sicheres Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems zu ermöglichen. Während eines normalen Betriebs des Wärmerückgewinnungssystems wird das Wärmerückgewinnungssystem üblicherweise gesteuert, um eine bestimmte normale Betriebstemperatur beizubehalten. Wenn ein Abschalten des Verbrennungsmotors vorhergesagt wurde und die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, wird die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem auf eine Zieltemperatur reduziert, die niedriger ist als die normale Betriebstemperatur. Auf diese Weise wird das Wärmerückgewinnungssystem derart abgekühlt, dass es sicher zu der Zeit des Abschaltens des Verbrennungsmotors abgeschaltet werden kann. Die Zieltemperatur und die normale Betriebstemperatur stehen zweckmäßigerweise im Zusammenhang mit dem Arbeitsfluid unmittelbar abströmseitig des Verdampfers oder unmittelbar abströmseitig des Kondensators. Das Wärmerückgewinnungssystem wir daher zweckmäßigerweise derart gesteuert, dass das Arbeitsfluid während eines normalen Betriebs eine normale Betriebstemperatur hat, und derart, dass das Arbeitsfluid vor dem Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems eine Zieltemperatur erreicht.
Die Zieltemperatur liegt zweckmäßigerweise unter der normalen Betriebstemperatur und entspricht im Wesentlichen der oben definierten kritischen Temperatur. Daher kann die kritische Temperatur zwischen 100 und 150 °C betragen. Die Zieltemperatur ist zweckmäßigerweise eine Temperatur, die erwünscht ist, um ein sicheres Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems zu ermöglichen. Die normale Betriebstemperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem beträgt vorzugsweise zwischen 200 und 300 °C und hängt von der Art des Arbeitsfluids in dem Wärmerückgewinnungssystem ab.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmerückgewinnungssystem bereitgestellt, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst einen Arbeitsfluidkreis; zumindest einen Verdampfer; einen Expander; einen Kondensator; ein Reservoir für ein Arbeitsfluid und eine Pumpe, die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid durch den Kreis zu pumpen, wobei der zumindest eine Verdampfer zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid und einer Wärmequelle eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem ferner einen Kühlkreis umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator angeordnet ist. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Abschalten eines Verbrennungsmotors vorherzusagen, der in Verbindung steht mit dem System; zu bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise mit dem zumindest einen Verdampfer, mit dem Expander, mit der Pumpe und mit dem Kühlkreis verbunden. Die Steuereinheit kann die Motorsteuereinheit sein oder sie kann mehrere unterschiedliche Steuereinheiten umfassen. Ein Computer kann mit der Steuereinheit verbunden sein.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage dessen vorherzusagen, dass ein Fahrzeug stillsteht, welches den Verbrennungsmotor umfasst. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, auf der Grundlage von Signalen von Sensoreinheiten, die mit den Antriebsrädern des Fahrzeugs verbinden sind, zu bestimmen, ob das Fahrzeug stillsteht. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, durch ein Bestimmen einer Motordrehzahl zu bestimmen, ob das Fahrzeug stillsteht. Die Motordrehzahl ist zweckmäßigerweise eine Lehrlaufdrehzahl, wenn das Fahrzeug stillsteht. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, zu bestimmen, ob die Parkbremse des Fahrzeugs aktiviert ist oder nicht.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage eines Zielorts des Fahrzeugs vorherzusagen, das den Verbrennungsmotor umfasst. Die Steuereinheit bestimmt zweckmäßigerweise den Zielort mittels Signalen von einem Navigationssystem. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, zu bestimmen, wenn sich das Fahrzeug innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem Zielort befindet.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage des nächsten benötigten Anhaltens eines Fahrzeugs vorherzusagen, das den Verbrennungsmotor umfasst. Die Steuereinheit bestimmt zweckmäßigerweise das nächste benötigte Anhalten mittels Signalen eines Fahrtenschreibers. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, zu bestimmen, wenn sich das Fahrzeug innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem nächsten benötigten Anhalten befindet.
Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Kühlkreis des Kondensators zu steuern, um die Temperatur in dem System vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, den Fluss von Kühlfluid durch den Kondensator anzupassen und/oder die Temperatur des Kühlfluids zu reduzieren.
Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, die Wärmequelle zu steuern, die mit dem zumindest einen Verdampfer verbunden ist, um die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem vor dem Abschalten des Motors zu reduzieren. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Wärmequelle derart zu steuern, dass die Wärmequelle den zumindest einen Verdampfer umgeht.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden sich für den Fachmann anhand der folgenden Beschreibung sowie daraus ergeben, die Erfindung praktisch umzusetzen. Während die Erfindung untenstehend beschrieben wird, sollte beachtet werden, dass diese nicht auf die spezifischen beschriebenen Details beschränkt ist. Fachmänner, die Zugang zu den Lehren hierin haben, werden weitere Anwendungen, Abwandlungen und Umsetzung in anderen Feldern erkennen, die im Rahmen der Erfindung liegen.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und weiterer Aufgaben und Vorteile derselben sollte die untenstehende ausführliche Beschreibung gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, in denen dieselben Bezugszeichen ähnliche Dinge in den unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnen, und in denen:

1 ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt;
2 ein Wärmerückgewinnungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt;
3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
4 eine Steuereinheit oder einen Computer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2 und ein Wärmerückgewinnungssystem 10, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor 2. Das Fahrzeug 1 umfasst ferner ein Getriebe 4, das mit den Antriebsrädern 6 des Fahrzeugs 1 verbunden ist. Das Fahrzeug 1 kann ein schweres Fahrzeug sein, zum Beispiel ein Lastwagen oder ein Bus. Das Fahrzeug 1 kann alternativ ein Personenfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug sein, das eine elektrische Maschine (nicht gezeigt) zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor 2 umfasst.
Die 2 zeigt schematisch ein Wärmerückgewinnungssystem 10, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor 2 eines Fahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 1 ist zweckmäßigerweise konfiguriert, wie es in der 1 beschrieben ist. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst einen Arbeitsfluidkreis 12; zumindest einen Verdampfer 14; einen Expander 16; einen Kondensator 18; ein Reservoir 20 für ein Arbeitsfluid WF und eine Pumpe 22, die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid WF durch den Kreis 12 zu pumpen, wobei der Verdampfer 14 zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid WF und einer Wärmequelle 24 eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem 10 ferner einen Kühlkreis 26 umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator 18 angeordnet ist. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst eine Steuereinheit 30, die dazu eingerichtet ist, ein Abschalten eines Verbrennungsmotors 2 vorherzusagen, der in Verbindung steht mit dem System 10; zu bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors zu reduzieren.
Die Steuereinheit 30 ist in Verbindung mit dem Verdampfer 14, mit dem Expander 16, mit dem Kühlkreis 26 und mit der Pumpe 22 angeordnet. Ein Computer 32 kann mit der Steuereinheit 30 verbunden sein. Die vorbestimmte Bedingung ist zweckmäßigerweise in der Steuereinheit 30 gespeichert. Die Steuereinheit 30 ist dazu eingerichtet, ein Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage verschiedener Fahrzeug-Betriebsdaten vorherzusagen. Die Steuereinheit 30 ist dazu eingerichtet, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 durch ein Steuern der Kühlkreises 26 und/oder durch ein Steuern der Wärmequelle 24 zu steuern, die mit dem Verdampfer 14 verbunden ist.
Die Wärmequelle 24, die mit dem Verdampfer 14 verbunden ist, können die Abgase von dem Verbrennungsmotor 2, ein Abgas-Rezirkulationssystem (EGR), das Kühlfluid des Verbrennungsmotors 2, der Verbrennungsmotor 2 selbst oder eine beliebige andere Komponenten sein, die in Verbindung steht mit dem Verbrennungsmotor 2. Die Wärmequelle 24 ist hierin als ein Medium dargestellt, das durch den Verdampfer hindurchtritt. Die Wärmequelle 24 ist hierin als Pfeile dargestellt und kann Abgase von dem Verbrennungsmotor 2 sein.
Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann mehrere Verdampfer 14 umfassen, von denen jeder mit einer anderen Wärmequelle 24 verbunden ist. Der Verdampfer 14 ist zweckmäßigerweise ein Wärmetauscher, der mit der Wärmequelle 24 und mit dem Arbeitsfluidkreis 12 verbunden ist. Der Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid WF und der Wärmequelle 24 ist ein Austausch von Energie, der zu einer Temperaturänderung führt.
Das Wärmerückgewinnungssystem 10 basiert zweckmäßigerweise auf einem organischen Rankine-Zyklus. Das Arbeitsfluid ist daher zweckmäßigerweise organisch, wie beispielsweise Ethanol oder R245f. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 ist daher derart eingerichtet, dass das Arbeitsfluid WF von niedrigem Druck zu hohem Druck gepumpt wird und in den Verdampfer 14 eintritt. Das Arbeitsfluid WF wird hierbei von der Wärmequelle 24 erwärmt, die mit dem Verdampfer 14 verbunden ist, und das Arbeitsfluid WF wird daher verdampft. Der Dampf wird dann in dem Expander 16 expandiert, wobei mechanische Arbeit erzeugt wird, und wobei die Temperatur und der Druck des Dampfes verringert werden. Die mechanische Arbeit kann zum Beispiel an eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 übertragen und daher dazu verwendet werden, das Fahrzeug 1 anzutreiben, oder die mechanische Arbeit kann dazu verwendet werden, zum Beispiel einen Generator anzutreiben. Der Dampf tritt anschließend in den Kondensator 18 ein, wo eine Kondensation durch Wärmeaustausch zwischen dem Dampf und dem Kühlfluid des Kühlkreises 26 das Arbeitsfluid WF in seinen anfänglichen flüssigen Zustand zurückversetzt.
Daher stellt die Wärmequelle 24 die Energie bereit, die in das Wärmerückgewinnungssystem 10 eintritt, und die Energie verlässt das Wärmerückgewinnungssystem 10 als mechanische Arbeit über den Expander 16 und als Wärme über den Kühlkreis 26, der den Kondensator 18 kühlt. Die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 hängt daher von der Energiemenge ab, die in das System 10 eintritt, und von der Energiemenge, die das System 10 verlässt.
Es ist entscheidend, dass das Wärmerückgewinnungssystem 10 abgekühlt wird, bevor es abgeschaltet wird. Die thermische Trägheit beispielsweise des Verdampfers 14 wird andernfalls zu einer hohen Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 nach dem Abschalten führen. Eine zu hohe Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 kann das Arbeitsfluid WF und andere Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems 10 beschädigen. Lediglich Dampf sollte in den Expander 16 eintreten, und das Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst daher eine Umgehungsanordnung 34 derart, dass in dem Fall, dass das Arbeitsfluid WF sich immer noch in einem flüssigen Zustand abströmseitig des Verdampfers 14 befindet, das Arbeitsfluid WF den Expander 16 durch die Umgehungsanordnung 34 umgeht.
Die Pumpe 22, die das Arbeitsfluid WF unter Druck setzt und durch den Kreis 12 zirkuliert, kann beschädigt werden, falls das Arbeitsfluid WF, das in die Pumpe 22 eintritt, sich nicht in einem flüssigen Zustand befindet. Daher kann der Druck in dem Reservoir 20 in dem Fall erhöht werden, dass die Temperatur abströmseitig des Kondensator 18 zu hoch ist, sodass sich das Arbeitsfluid WF nicht in einem flüssigen Zustand befindet. Auf diese Weise wird das Arbeitsfluid WF in einen flüssigen Zustand versetzt und kann von der Pump 22 gepumpt werden. Die Pumpe 22 ist zweckmäßigerweise elektrisch angetrieben.
Der Kühlkreis 26, der mit dem Kondensator 18 verbunden ist, kann ein Teil des Verbrennungsmotor-Kühlsystems oder eines separaten Kühlsystems sein. Das Kühlfluid in dem Kühlkreis 26 kann dabei von einer Kühlpumpe (nicht gezeigt) gepumpt werden, die von dem Verbrennungsmotor 2 oder von einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt) angetrieben wird. In dem Fall, dass die Kühlpumpe von dem Verbrennungsmotor 2 angetrieben wird, ist es wichtig, dass das Wärmerückgewinnungssystem 10 vor dem Abschalten des Motors abgekühlt wird, da die Kühlpumpe aufhören wird, zu arbeiten, wenn der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet wird. Falls der Kondensator 18 nicht von dem Kühlkreis 26 gekühlt wird, wir das Arbeitsfluid WF in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 nicht gekühlt werden und es wird schwierig sein, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 zu reduzieren. In dem Fall, dass die Kühlpumpe von einer elektrischen Maschine angetrieben wird, kann das Wärmerückgewinnungssystem 10 nach einem Abschalten des Motors gekühlt werden. Allerdings wird der Fahrer dann warten müssen, bis das Wärmerückgewinnungssystem 10 eine hinreichend niedrige Temperatur erreicht hat, um sicher abgeschaltet zu werden. Ferner wird die elektrische Maschine, welche die Kühlpumpe antreibt, Energie von einem Energiespeicher wie beispielsweise einer Batterie in dem Fahrzeug 1 verwenden, falls das Wärmerückgewinnungssystem 10 nach dem Abschalten des Motors abgeschaltet wird. Die ist nicht vorteilhaft. Indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 vor dem Abschalten des Motors reduziert wird, wird die elektrische Maschine, welche die Kühlpumpe antreibt, hingegen Energie von einem Generator verwenden, was die Lebensdauer der Batterie verlängert. Zudem wird durch das Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 vor dem Abschalten des Motors der Fahrkomfort erhöht, da das Wärmerückgewinnungssystem 10 im Wesentlichen zu der gleichen Zeit wie der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet werden kann.
Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann einen oder mehrere Wärmetauscher umfassen. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann zum Beispiel einen Rekuperator umfassen, der dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid WF zu erwärmen, bevor es in den Verdampfer 14 eintritt. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann auch einen oder mehrere Kondensatoren 18 umfassen, sodass ein Abkühlen des Arbeitsfluids WF in mehreren Schritten durchgeführt werden kann. Ferner kann das System 10 einen oder mehrere Expander 16 umfassen. Der Expander 16 kann eine Turbine oder ein Kolbenexpander sein.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems 10, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor 2 eines Fahrzeugs 1. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 ist zweckmäßigerweise konfiguriert wie in 2 beschrieben. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst daher einen Arbeitsfluidkreis 12; zumindest einen Verdampfer 14; einen Expander 16; einen Kondensator 18; ein Reservoir 20 für ein Arbeitsfluid WF und eine Pumpe 22, die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid WF durch den Kreis 12 zu pumpen, wobei der Verdampfer zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid WF und einer Wärmequelle 24 eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem 10 ferner einen Kühlkreis 26 umfasst, der in Verbindung zu dem Kondensator 18 angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Vorhersagen s101 eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors 2, der in Verbindung steht mit dem System 10;
- Bestimmen s102, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist,
- Reduzieren s103 der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors.

Das Wärmerückgewinnungssystem 10, das in Verbindung steht mit dem Verbrennungsmotor 2, wird typischerweise hauptsächlich dann aktiviert, wenn der Verbrennungsmotor 2 in Betrieb ist. Daher wird das Wärmerückgewinnungssystem 10 üblicherweise abgeschaltet, wenn der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet worden ist. Wenn der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet wird, kann die Wärmequelle 24 möglicherweise den Verdampfer nicht länger erwärmen, aber die thermische Trägheit des Verdampfers 14 bedeutet, dass der Verdampfer 14 eine sehr hohe Temperatur für eine bestimmte Zeit beibehalten wird. Falls das Wärmerückgewinnungssystem 10 sofort abgeschaltet wird, wenn der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet wird, kann die hohe Temperatur des Verdampfers 14 das Arbeitsfluid WF und andere Komponenten des Wärmerückgewinnungssystems 10 beschädigen. Die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 muss daher reduziert werden, bevor das System 10 abgeschaltet wird. Die Effizienz des Wärmerückgewinnungssystems 10 wird jedoch mit der Temperatur des Verdampfers 14 erhöht. Die Temperatur des Verdampfers 14 sollte daher während eines normalen Betriebs so hoch wie möglich beibehalten werden. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 sollte daher nicht unnötigerweise abgekühlt werden. Indem die Verfahrensschritte durchgeführt werden, wird sichergestellt, dass das Wärmerückgewinnungssystem 10 nur dann abgekühlt wird, wenn dies nötig ist. Ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems 10 wird daher erzielt, das eine Motoreneffizienz und einen Kraftstoffverbrauch optimiert. Indem ein Abschalten eines Motors vorhergesagt und indem bestimmt wird, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, wird ein Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems 10 vorhergesagt. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann daher vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors abgekühlt werden, und das Wärmerückgewinnungssystem 10 kann im Wesentlichen zu der gleichen Zeit abgeschaltet werden wie das Abschalten des Motors.
Das Vorhersagen eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors basiert zweckmäßigerweise darauf, dass ein Fahrzeug 1 stillsteht, das den Verbrennungsmotor 2 umfasst. Die vorbestimmte Bedingung umfasst dann zweckmäßigerweise, dass eine Parkbremse in dem Fahrzeug 1 aktiviert ist. Indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 nur dann reduziert wird, wenn die Parkbremse aktiviert ist, und daher nur dann, wenn es sehr wahrscheinlich ist, dass das Wärmerückgewinnungssystem abgeschaltet werden soll, wird sichergestellt, dass der Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungssystems 10 optimiert wird, und die Motoreneffizienz und der Kraftstoffverbrauch werden dadurch optimiert.
Das Vorhersagen eines Abschaltens des Verbrennungsmotors basiert zweckmäßigerweise auf dem Zielort eines Fahrzeugs 1, das den Verbrennungsmotor 2 umfasst. Der Zielort des Fahrzeugs 1 wird zweckmäßigerweise mittels eines Navigationssystems bestimmt. Die vorbestimmte Bedingung kann umfassen, dass das Fahrzeug 1 sich innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem Zielort befindet. Die vorbestimmte Bedingung kann umfassen, dass das Fahrzeug 1 sich zwischen 1-3 Minuten von dem Zielort befindet, was einer Entfernung entsprechen kann, die dieser Zeitdauer entspricht. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet werden wird, wenn das Fahrzeug 1 seinen Zielort erreicht hat. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass das Wärmerückgewinnungssystem 10 an dem Zielort abgeschaltet werden wird. In dem vorsorglich die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 reduziert wird, wenn sich das Fahrzeug 1 nahe dem Zielort befindet, wird das Wärmerückgewinnungssystem 10 zu der Zeit des Abschaltens des Verbrennungsmotors zum Abschalten bereit sein. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems erzielt, welches einen Fahrkomfort optimiert.
Das Vorhersagen eines Abschaltens des Verbrennungsmotors basiert zweckmäßigerweise auf dem nächsten benötigten Anhalten eines Fahrzeugs 1, das den Verbrennungsmotor 2 umfasst. Das nächste benötigte Anhalten des Fahrzeugs 1 wird zweckmäßigerweise mittels eines Fahrtenschreibers bestimmt. Das nächste benötigte Anhalten wird auf der Grundlage dessen bestimmt, wie lange der Fahrer aktiv war, und ist daher die Zeit oder Position, an welcher der Fahrer pausieren muss. Die vorbestimmte Bedingung kann daher umfassen, dass das Fahrzeug 1 sich innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem nächsten benötigten Anhalten befindet. Die vorbestimmte Bedingung kann umfassen, dass das Fahrzeug sich zwischen 1-3 Minuten von dem nächsten benötigten Anhalten befindet. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Verbrennungsmotor 2 und daher das Wärmerückgewinnungssystem 10 bei dem nächsten benötigten Anhalten abgeschaltet werden. Indem die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 vorsorglich reduziert wird, wenn das Fahrzeug 1 sich nahe dem nächsten benötigten Anhalten befindet, wird das Wärmerückgewinnungssystem 10 zu der Zeit des Abschaltens des Verbrennungsmotors zum Abschalten bereit sein. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems erzielt, das einen Fahrkomfort optimiert.
Alternativ kann das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage dessen vorhergesagt werden, dass ein anderes Fahrzeugsystem ein Abschalten des Motors anfordert. Dies kann in dem Fall vorteilhaft sein, dass das Fahrzeug 1, welches das Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst, ein Hybridfahrzeug ist. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, den Verbrennungsmotor 2 abzuschalten und das Fahrzeug 1 mit der elektrischen Marine anzutreiben, um Lärm und Emissionen zu vermeiden. In diesem Fall kann der Verbrennungsmotor 2 abgeschaltet werden und das Wärmerückgewinnungssystem 10 wird nicht benötigt.
Die vorbestimmte Bedingung umfasst zweckmäßigerweise, dass ein Fahrzeug 1, das den Verbrennungsmotor 2 umfasst, in einem bestimmten Fahrzeug-Leistungsmodus betrieben wird, wie beispielsweise in einem Sparmodus, einem Normalmodus oder einem Leistungsmodus. In Abhängigkeit von dem Fahrzeug-Leistungsmodus werden unterschiedliche Aspekte berücksichtigt, wenn das Fahrzeug 1 gesteuert wird. Bei einem Betrieb in einem Sparmodus sollte der Kraftstoffverbrauch minimiert werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 sollte daher so lange wie möglich beibehalten werden. Um die Motorleistung in einem Leistungsmodus zu maximieren, sollte die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems 10 ebenfalls so lange wie möglich beibehalten werden. Die Temperatur des Wärmerückgewinnungssystems 10 kann daher möglicherweise nur in dem Fall präventiv auf der Grundlage eines vorhergesagten Abschaltens eines Motors reduziert werden, dass der Fahrzeug-Leistungsmodus ein Normalmodus ist.
Die vorbestimmte Bedingung umfasst zweckmäßigerweise, dass die gegenwärtige Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 über einer vorbestimmten kritischen Temperatur liegt. Falls die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 nicht zu hoch ist, besteht kein Bedarf, die Temperatur vor dem Abschalten des Motors weiter zu reduzieren. Daher wird die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 lediglich dann reduziert, wenn die gegenwärtige Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 über einer vorbestimmten kritischen Temperatur liegt. Die vorbestimmte kritische Temperatur kann zwischen 100-150 °C betragen.
Der Schritt des Reduzierens s103 der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst zweckmäßigerweise ein Steuern des Kühlkreises 26, der mit dem Kondensator 18 verbunden ist. Indem der Kühlkreis 26, der mit dem Kondensator18 verbunden ist, gesteuert wird, kann die Energiemenge, die das Wärmerückgewinnungssystem 10 durch den Kühlkreis 26 verlässt, erhöht werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 wird dabei reduziert. Der Kühlkreis 26 kann derart gesteuert werden, dass der Fluss des Kühlfluids durch den Kondensator 18 erhöht wird, und/oder derart, dass die Temperatur des Kühlfluids reduziert wird. Zusätzlich oder alternativ umfasst der Schritt eines Reduzierens s103 der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 ein Steuern der Wärmequelle 24, die mit dem zumindest einen Verdampfer 14 verbunden ist. Die Wärmequelle 24 wird zweckmäßigerweise derart gesteuert, dass sie den Verdampfer 14 umgeht. Die Temperatur des Verdampfers 14 wird hierdurch reduziert, und der Wärmeübertrag an das Arbeitsfluid WF wird reduziert. Auf diese Weise kann die Energiemenge, die in das Wärmerückgewinnungssystem 10 eintritt, reduziert werden, und die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 wird dadurch reduziert.
Der Schritt eines Reduzierens s103 der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 umfasst zweckmäßigerweise ein Reduzieren der Temperatur derart, dass eine Zieltemperatur erreicht wird, wobei die Zieltemperatur unter einer normalen Betriebstemperatur liegt. Die Zieltemperatur ist zweckmäßigerweise eine Temperatur, die erwünscht ist, das Wärmerückgewinnungssystem 10 sicher abzuschalten. Wenn ein Abschalten des Verbrennungsmotors vorhergesagt wurde und die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, wird die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10 zweckmäßigerweise auf eine Zieltemperatur reduziert, die niedriger ist als die normale Betriebstemperatur. Auf diese Weise wird das Wärmerückgewinnungssystem 10 derart abgekühlt, dass es sicher zu der Zeit des Abschaltens des Verbrennungsmotors abgeschaltet werden kann. Die Zieltemperatur und die normale Betriebstemperatur stehen zweckmäßigerweise im Zusammenhang mit dem Arbeitsfluid WF unmittelbar abströmseitig des Verdampfers 14 oder unmittelbar abströmseitig des Kondensators 18. Die Temperatur des Arbeitsfluids WF unmittelbar abströmseitig des Kondensators 18 kann durch die Temperatur in dem Kühlkreis 26 bestimmt werden. Das Wärmerückgewinnungssystem 10 wir daher zweckmäßigerweise derart gesteuert, dass das Arbeitsfluid WF während eines normalen Betriebs eine normale Betriebstemperatur hat, und derart, dass das Arbeitsfluid WF vor dem Abschalten des Wärmerückgewinnungssystems 10 eine Zieltemperatur erreicht.
4 stellt schematisch eine Vorrichtung 500 dar. Die Steuereinheit 30 und/oder der Computer 32, die mit Bezug auf die 2 beschrieben wurden, können in einer Version die Vorrichtung 500 umfassen. Der Begriff „Verbindung“ bezieht sich hierin auf eine Kommunikationsverbindung, die eine physische Verbindung, wie beispielsweise eine optoelektronische Kommunikationsleitung, oder eine nicht physische Verbindung sein kann, wie beispielsweise eine drahtlose Verbindung, zum Beispiel eine Funkverbindung oder eine Mikrowellenverbindung. Die Vorrichtung 500 umfasst einen nichtflüchtigen Speicher 520, eine Datenverarbeitungseinheit 510 und einen Lese-/Schreib-Speicher 550. Der nichtflüchtige Speicher 520 weist ein erstes Speicherelement 530 auf, in dem ein Computerprogramm zum Steuern der Funktion der Vorrichtung 500 gespeichert ist, zum Beispiel ein Betriebssystem. Die Vorrichtung 500 umfasst ferner einen Bus-Controller, einen seriellen Kommunikationsport, I/O-Mittel, einen A/D-Wandler, eine Zeit- und Datums-Eingabe- und -ÜbertragungsEinheit, einen Ereigniszähler und eine Unterbrechungssteuerung (nicht gezeigt). Der nichtflüchtige Speicher 520 weist auch ein zweites Speicherelement 540 auf.
Es wird ein Computerprogramm P bereitgestellt, welches Routinen für ein Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems 10 umfasst, das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor 2 eines Fahrzeugs 1 gemäß der Erfindung. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Vorhersagen eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors 2, der in Verbindung steht mit dem Wärmerückgewinnungssystem 10. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Reduzieren der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem 10, falls die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist. Das Programm P kann in einer ausführbaren Form oder in einer komprimierten Form in einem Speicher 560 und/oder in einem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeichert sein.
Wo beschrieben wird, dass die Datenverarbeitungseinheit 510 eine bestimmte Funktion durchführt, bedeutet dies, dass die Datenverarbeitungseinheit 510 einen bestimmten Teil des Programms ausführt, der in dem Speicher 560 gespeichert ist, oder einen bestimmten Teil des Programms, das in dem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeichert ist.
Die Datenverarbeitungseinheit 510 kann mit einem Datenport 599 über einen Datenbus 515 kommunizieren. Der nichtflüchtige Speicher 520 ist dazu vorgesehen, mit der Datenverarbeitungseinheit 510 über einen Datenbus 512 zu kommunizieren. Der separate Speicher 560 ist dazu vorgesehen, mit der Datenverarbeitungseinheit 510 über einen Datenbus 511 zu kommunizieren. Der Lese-/Schreib-Speicher 550 ist dazu eingerichtet, über einen Datenbus 514 mit der Datenverarbeitungseinheit 510 zu kommunizieren.
Wenn Daten an dem Datenport 599 empfangen werden, werden sie vorübergehend in dem zweiten Speicherelement 540 gespeichert. Wenn empfangene Eingangsdaten vorübergehend gespeichert wurden, ist die Datenverarbeitungseinheit 510 in der Lage, ein Ausführen von Code durchzuführen, wie oben beschrieben.
Teile des hierin beschriebenen Verfahrens können von der Vorrichtung 500 mittels der Datenverarbeitungseinheit 510 ausgeführt werden, welche das Programm ausführt, das in dem Speicher 560 oder in dem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeichert ist. Wenn die Vorrichtung 500 das Programm ausführt, werden die hierin beschriebenen Verfahren ausgeführt.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird zu veranschaulichenden und beschreibenden Zwecken bereitgestellt. Sie ist nicht dazu gedacht, erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die beschriebenen Varianten zu beschränken. Viele Abwandlungen und Variationen werden sich offensichtlich für den Fachmann ergeben. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktischen Anwendungen am besten beschreiben zu können, und ermöglichen es daher Fachmännern, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen und mit den verschiedenen Abwandlungen zu verstehen, die für die vorgesehene Verwendung zweckmäßig sind.
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 Patentliteratur

WO 2014/098843 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Wärmerückgewinnungssystems (10), das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) umfasst: einen Arbeitsfluidkreis (12); zumindest einen Verdampfer (14); einen Expander (16); einen Kondensator (18); ein Reservoir (20) für ein Arbeitsfluid (WF) und eine Pumpe (22), die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid (WF) durch den Kreis (12) zu pumpen, wobei der zumindest eine Verdampfer (14) zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid (WF) und einer Wärmequelle (24) eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) ferner einen Kühlkreis (16) umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator (18) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Schritte: - Vorhersagen (s101) eines Abschaltens eines Verbrennungsmotors (2), der mit dem System (10) in Verbindung steht; - Bestimmen (s102), ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist, - Reduzieren (s103) der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors (2).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage dessen vorhergesagt (s101) wird, dass ein Fahrzeug (1) stillsteht, das den Verbrennungsmotor (2) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Bedingung umfasst, dass eine Parkbremse in dem Fahrzeug (1) aktiviert ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage eines Zielorts eines Fahrzeugs (1) vorhergesagt (s101) wird, das den Verbrennungsmotor (2) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die vorbestimmte Bedingung umfasst, dass das Fahrzeug (1) sich innerhalb einer vorbestimmten Entfernung oder Zeit von dem Zielort befindet.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abschalten des Verbrennungsmotors auf der Grundlage des nächsten benötigten Anhaltens des Fahrzeugs (1) vorhergesagt (s101) wird, das den Verbrennungsmotor (2) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Bedingung umfasst, dass das Fahrzeug (1), das den Verbrennungsmotor (2) umfasst, in einem bestimmten Modus betrieben wird, beispielsweise in einem Sparmodus, einem Normalmodus oder einem Leistungsmodus.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Bedingung umfasst, dass die gegenwärtige Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (1) über einer kritischen Temperatur liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Reduzierens (s103) der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) es umfasst, den Kühlkreis (26) zu steuern, der mit dem Kondensator (18) verbunden ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Reduzierens (s103) der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) es umfasst, die Wärmequelle (24) zu steuern, die mit dem zumindest einen Verdampfer (14) verbunden ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Reduzierens (s103) der Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) es umfasst, die Temperatur derart zu reduzieren, dass eine Zieltemperatur erreicht wird, wobei die Zieltemperatur unter einer normalen Betriebstemperatur liegt.
Wärmerückgewinnungssystems (10), das in Verbindung steht mit einem Verbrennungsmotor (2) eines Fahrzeugs (1), wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) umfasst: einen Arbeitsfluidkreis (12); zumindest einen Verdampfer (14); einen Expander (16); einen Kondensator (18); ein Reservoir (20) für ein Arbeitsfluid (WF) und eine Pumpe (22), die dazu eingerichtet ist, das Arbeitsfluid (WF) durch den Kreis (12) zu pumpen, wobei der zumindest eine Verdampfer (14) zum Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsfluid (WF) und einer Wärmequelle (24) eingerichtet ist, und wobei das Wärmerückgewinnungssystem (10) ferner einen Kühlkreis (16) umfasst, der in Verbindung mit dem Kondensator (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerückgewinnungssystem (10) eine Steuereinheit (30) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Abschalten eines Verbrennungsmotors (2) vorherzusagen, der mit dem System (10) in Verbindung steht; zu bestimmen, ob eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist; und, falls dies so ist, die Temperatur in dem Wärmerückgewinnungssystem (10) vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors (2) zu reduzieren.
Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Wärmerückgewinnungssystem (10) gemäß Anspruch 12 umfasst.
Computerprogramm (P), wobei das Computerprogramm Programmcode zum Veranlassen einer elektronischen Steuereinheit (30; 500) oder eines mit der elektronischen Steuereinheit (30; 500) verbundenen Computers (32; 500) dazu umfasst, die Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
Computerprogrammprodukt, umfassend einen auf einem computerlesbaren Medium gespeicherten Programmcode zum Durchführen der Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wenn das Computerprogramm auf einer elektronischen Steuereinheit (30; 500) oder einem mit der elektronischen Steuereinheit (32; 500) verbundenen Computer ausgeführt wird.