EP3320191A1 - Verfahren zur steuerung eines abwärmenutzungssystems für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines abwärmenutzungssystems für ein kraftfahrzeug

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EP3320191A1
EP3320191A1 EP16740954.9A EP16740954A EP3320191A1 EP 3320191 A1 EP3320191 A1 EP 3320191A1 EP 16740954 A EP16740954 A EP 16740954A EP 3320191 A1 EP3320191 A1 EP 3320191A1
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EP
European Patent Office
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expander
operating mode
operating
internal combustion
waste heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16740954.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klemens Neunteufl
Oswald LACKNER
Gerald GRADWOHL
Fabio COCOCCETTA
Ivan CALAON
Michael Glensvig
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AVL List GmbH
FPT Industrial SpA
Iveco SpA
Original Assignee
AVL List GmbH
FPT Industrial SpA
Iveco SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AVL List GmbH, FPT Industrial SpA, Iveco SpA filed Critical AVL List GmbH
Publication of EP3320191A1 publication Critical patent/EP3320191A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/105—Final actuators by passing part of the fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02—Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10—Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/60—Application making use of surplus or waste energy
    • F05D2220/62—Application making use of surplus or waste energy with energy recovery turbines
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a waste heat utilization system for a powered by an internal combustion engine via a drive train motor vehicle, the waste heat recovery system at least one expander, at least one evaporator and at least one pump for a resource, in particular ethanol, and wherein at least the evaporator in the area the expander is operable in at least one operating mode, and wherein due to at least one input from the group expander speed, gear information, Ausrollinformation, pressure and temperature of the equipment upstream of the expander and / or pressure and temperature downstream of the expander by a control device in each case an operating mode of at least two operating modes of the expander is selected and the expander, preferably by controlling at least one in a vice vorungsströmungsweg of the expander arranged bypass valve of the expander, is operated in this mode of operation.
  • the invention further relates to a waste heat utilization system for a motor vehicle driven by an internal combustion engine via a drive train, with a control device for controlling the waste heat recovery system, wherein the waste heat recovery system at least a torque transmissible to the internal combustion engine and bypassable via a bypass flow path, at least one evaporator and at least one pump for a resource, in particular ethanol, and wherein at least the evaporator is arranged in the region of the exhaust system of the internal combustion engine.
  • WHR Wash Heat Recovery
  • WHR systems convert the waste heat of the exhaust gas of the internal combustion engine into, for example, mechanical or electrical energy.
  • WHR systems are known for example from the publications US 8 635 871 AI, US 2011/0209473 AI or US 2013/0186087 AI.
  • US 2009/071156 A1 discloses a heat recovery device with a Rankine cycle which has a compressor, a heat exchanger, an expander and a condenser.
  • the expander is drive-connected to an electric machine and can deliver work to it. Via a bypass valve and a bypass flow path, the expander can be The speed of the expander can be regulated as a function of the degree of superheating of the working medium.
  • a first operating mode is assigned to a warm-up phase of the expander and a second operating mode is assigned to a normal operating phase of the expander, the bypass valve being opened in the first operating mode and the bypass valve being closed in the second operating mode.
  • the second operating mode is selected when the pressure and / or the temperature of the equipment downstream of the expander exceeds a defined value.
  • the object of the invention is to ensure an economical, safe and reliable operation of the waste heat recovery system.
  • a first operating mode is assigned to a warm-up phase of the expander
  • a second operating mode is assigned to a normal operating phase of the expander, and wherein in the first operating mode the bypass valve is opened, and wherein in the second operating mode the bypass valve is closed and wherein the second operating mode is selected becomes when the pressure and / or the temperature of the equipment downstream of the expander exceeds a defined value.
  • the bypass valve In the first operating mode, the bypass valve is opened, the starting device is deactivated. The equipment is thus passed by the expander, whereby the expander generates no torque. In the second operating mode, the bypass valve is closed, the starting device also deactivated. When the bypass valve is closed, the operating medium flows through the expander, which makes this work.
  • the waste heat utilization system is operated in a fourth operating mode during at least one sailing operation of the vehicle, during at least one warm-up operation of the internal combustion engine and / or during at least one engine braking operation of the internal combustion engine.
  • the bypass flowpath is closed to deliver torque from the expander to the driveline of the vehicle when the expander is connected to the driveline, thereby extending the roll phase of the vehicle and conserving fuel.
  • the expander is connected to an electrical machine, electrical energy can be generated in the fourth operating mode and supplied or stored to the electrical system of the vehicle.
  • Sailing operation is a torque-free operation of the vehicle understood in which the clutch between the engine and transmission is opened to reduce the resistance in the drive train.
  • the control unit of the transmission or the clutch is communicated by means of Ausroll so.
  • the expander In the first operating mode and / or with an inactive heat utilization system, the expander is bypassed via the bypass flow path when the bypass valve is open.
  • the bypass flow path of the expander is closed only when the resource of the waste heat recovery system is in an overheated state.
  • the bypass flow path is opened.
  • FIG. 1 shows a waste heat utilization system for an internal combustion engine with a control device according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows the operating modes of this control device
  • FIG. 3 shows a waste heat utilization system for an internal combustion engine with a control device according to the invention in a second embodiment variant
  • FIG. 1 and 3 each show an internal combustion engine 10 with an exhaust system 11, in which an exhaust aftertreatment device 12 - for example a diesel oxidation catalyst 12, a diesel particulate filter 12b and an SCR catalyst 12c (SCR - selective catalytic reduction) is arranged.
  • Internal combustion engine 10 has a drive train 13 with a crankshaft 14, an ner shift clutch 15 and a (shift) gear 16, which acts on the drive shaft 17 of the drive wheels 18.
  • the internal combustion engine 10 has a waste heat utilization system 20 for utilizing the exhaust gas values of the exhaust system 11 of the internal combustion engine 10.
  • the waste heat utilization system 20 has an evaporator 21 which, with respect to the exhaust gas flow in the exhaust system 11, is arranged downstream of the exhaust gas aftertreatment device 12 in the region of the exhaust system 11.
  • the example according to the organic Rankine cycle (ORC) functioning waste heat recovery system 20 has downstream of the evaporator 21 in the resource circuit an expander 22 and a capacitor 23, and a pump 24 for the resource.
  • a resource for example, ethanol can be used.
  • an environmental conduit 25 with a bypass valve 26 is provided.
  • the evaporator 21 can be bypassed on the exhaust side via a bypass line 36 and a bypass valve 37, when the exhaust heat for the evaporator 21 is too high, or the system pressure exceeds a defined value, or the cooling system is excessively loaded, or the waste heat recovery system 20 is in a failure mode , or in pure engine operation, without engine brake.
  • the control of the bypass valve 37 takes place as a function of at least one of the operating parameters from the group of fan power, system pressure, system temperature and mass flow of the operating medium.
  • a control device 30 For controlling the waste heat utilization system 20, a control device 30 is provided which has a program logic 31 which is designed to select the most suitable operating mode from a plurality of operating modes 1, 2 or 1, 2, 4, 5 for the operation of the waste heat recovery system 20.
  • the selection of the most suitable operating mode takes place on the basis of at least one of the input variables of the control device 30, namely: Expanderfeliere n, gear information Gl, Ausrollinformation CI, pressure pi, temperature Ti of the resource upstream of the expander 22, and the pressure p 2 , and the temperature T 2 of the resource downstream of the expander 22.
  • pressure sensors 32, 33 and temperature sensors 34, 35 are provided upstream and downstream of the expander 22 in the resource cycle of the waste heat recovery system 20.
  • the pressure sensors 32, 33 and temperature sensors 34, 35 are in communication with the control device 30.
  • the gear information G1 and coast information CI are made available to the control device 30 by suitable encoders in the transmission 16, for example.
  • the expander 22 is connected to an electric machine 40 via a shaft 19a.
  • the electric machine 40 is in communication with the controller 30, whereby the expander 22 can be started by the electric machine 40.
  • First mode of operation 1 is performed during the warm-up phase of the expander 22;
  • the bypass valve 26 is opened, so that the operating medium is guided past the expander 22.
  • This operating mode 2 is assigned to the normal operation of the expander 22. As soon as the pressure p 2 and / or the temperature T 2 of the operating medium downstream of the expander 22 exceeds a defined value or defined values, the operating mode 2 is activated.
  • a fourth operating mode 4 can be run during the sailing operation of the vehicle, wherein electrical energy can be generated by the electric machine and supplied to the electrical system.
  • the second embodiment variant shown in FIG. 3 differs from FIG. 1 in that the expander 22 is integrated into the transmission 16 or is drive-connected thereto via a shaft 19b.
  • a shiftable clutch 28 may be disposed between the transmission 16 and the expander 22.
  • First mode of operation 1 is performed during the warm-up phase of the expander 22;
  • the bypass valve 26 is opened, so that the operating medium is guided past the expander 22.
  • This operating mode 2 is assigned to the normal operation of the expander 22. As soon as the pressure p 2 and / or the temperature T 2 of the operating medium downstream of the expander 22 exceeds a defined value or defined values, the operating mode 2 is activated.
  • This operating mode 4 is used during the sailing operation, the warm-up operation, and / or the engine braking operation of the internal combustion engine 10.
  • the vehicle rolls without torque transmission between internal combustion engine 10 and drive wheels 18, in general with the clutch 15 open.
  • the bypass valve 26 is closed in the operating mode 4 in order to transmit torque from the expander 22 to the internal combustion engine 10.
  • the expander 22 is connected to an electric machine 40, electrical energy can be generated in the fourth operating mode and supplied or stored to the electrical system of the vehicle.
  • This operating mode 5 is used to start the expander 22 via internal or external starting device 27.
  • starting may also be via a self-starting mechanism of the expander 22 (without the fifth operating mode 5).
  • the control device 30 provides special security measures.
  • the bypass valve 26 is closed only when the resource is in an overheated condition, that is, for example, when the resource ethanol is in the gas phase.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abwärmenutzungssystems (20) für ein durch eine Brennkraftmaschine (10) über einen Antriebsstrang (13) angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei das Abwärmenutzungssystem (20) zumindest einen Expander (22), zumindest einen Verdampfer (21) und zumindest eine Pumpe (24) für ein Betriebsmittel, insbesondere Ethanol, aufweist. Zumindest der Verdampfer (21) ist im Bereich des Abgassystems (11) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet. Der in mehreren Betriebsmodi betreibbare Expander (22) leistet in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit. Aufgrund zumindest einer Eingangsgröße aus der Gruppe Expanderdrehzahl (n), Ganginformation (Gl), Ausrollinformation (CI), Druck (p1, p2) und Temperatur (T1, T2) des Betriebsmittels stromaufwärts bzw. stromabwärts des Expanders (22) wird durch eine Steuerungseinrichtung (30) jeweils ein Betriebsmodus von zumindest zwei Betriebsmodi (1, 2, 4, 5) des Expanders (22) ausgewählt und der Expander (22) in diesem Betriebsmodus betrieben. Ein erster Betriebsmodus (1) wird einer Warmlaufphase des Expanders (22), und ein zweiter Betriebsmodus (2) einer Normalbetriebsphase des Expanders (22) zugeordnet. Im ersten Betriebsmodus (1) wird das Umgehungsventil (26) geöffnet, im zweiten Betriebsmodus geschlossen. Der zweite Betriebsmodus (2) wird gewählt, wenn der Druck (p2) und/oder die Temperatur (T2) des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders (22) einen definierten Wert überschreitet.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Abwärmenutzungssystems für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Abwärmenutzungssystems für ein durch eine Brennkraftmaschine über einen Antriebsstrang angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei das Abwärmenutzungssystem zumindest einen Expander, zumindest einen Verdampfer und zumindest eine Pumpe für ein Betriebsmittel, insbesondere Ethanol, aufweist, und wobei zumindest der Verdampfer im Bereich des Abgassystems der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei der in mehreren Betriebsmodi betreibbare Expander in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit leistet, und wobei aufgrund zumindest einer Eingangsgröße aus der Gruppe Expanderdrehzahl, Ganginformation, Ausrollinformation, Druck und Temperatur des Betriebsmittels stromaufwärts des Expanders und/oder Druck und Temperatur stromabwärts des Expanders durch eine Steuerungseinrichtung jeweils ein Betriebsmodus von zumindest zwei Betriebsmodi des Expanders ausgewählt wird und der Expander, vorzugsweise durch Ansteuerung zumindest eines in einem Umgehungsströmungsweg des Expanders angeordneten Umgehungsventils des Expanders, in diesem Betriebsmodus betrieben wird.
Weiters betrifft die Erfindung ein Abwärmenutzungssystem für ein durch eine Brennkraftmaschine über einen Antriebsstrang angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung des Abwärmenutzungssystems, wobei das Abwärmenutzungssystem zumindest einen Drehmoment an die Brennkraftmaschine übertragbaren und über einen Umgehungsströmungsweg umgehbaren Expander, zumindest einen Verdampfer und zumindest eine Pumpe für ein Betriebsmittel, insbesondere Ethanol, aufweist, und wobei zumindest der Verdampfer im Bereich des Abgassystems der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Es ist bekannt, Abwärme von Brennkraftmaschinen zu nutzen. Solche als WHR (Waste Heat Recovery)-Systeme bekannten Einrichtungen wandeln die Abwärme des Abgases der Brennkraftmaschine in beispielsweise mechanische oder elektrische Energie um. Derartige WHR-Systeme sind beispielsweise aus den Veröffentlichungen US 8 635 871 AI, US 2011/0209473 AI oder US 2013/0186087 AI bekannt.
Die US 2009/071156 AI offenbart eine Wärmerückgewinnungseinrichtung mit einem Rankine-Kreislauf, welcher einen Verdichter, einen Wärmetauscher, einen Expander und einen Kondensator aufweist. Der Expander ist mit einer elektrischen Maschine antriebsverbunden und kann Arbeit an diese abgeben. Über ein Umgehungsventil und einen Umgehungsströmungsweg kann der Expander um- gangen werden, wodurch die Drehzahl des Expanders in Abhängigkeit des Über- hitzungsgrades des Arbeitsmediums geregelt werden kann. Aus der US 2009/071156 AI ist es nicht bekannt, dass ein erster Betriebsmodus einer Warmlaufphase des Expanders und ein zweiter Betriebsmodus einer Normalbetriebsphase des Expanders zugeordnet wird, wobei im ersten Betriebsmodus das Umgehungsventil geöffnet und im zweiten Betriebsmodus das Umgehungsventil geschlossen wird. Weiters ist es aus dieser Veröffentlichung nicht bekannt, dass der zweite Betriebsmodus gewählt wird, wenn der Druck und/oder die Temperatur des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders einen definierten Wert überschreitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen ökonomischen, sicheren und zuverlässigen Betrieb des Abwärmenutzungssystems zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß erfolgt ist dadurch, dass ein erster Betriebsmodus einer Warmlaufphase des Expanders, und ein zweiter Betriebsmodus einer Normalbetriebsphase des Expanders zugeordnet wird, und wobei im ersten Betriebsmodus das Umgehungsventil geöffnet, und wobei im zweiten Betriebsmodus das Umgehungsventil geschlossen wird, und wobei der zweite Betriebsmodus gewählt wird, wenn der Druck und/oder die Temperatur des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders einen definierten Wert überschreitet.
Im ersten Betriebsmodus ist das Umgehungsventil geöffnet, die Starteinrichtung deaktiviert. Das Betriebsmittel wird somit am Expander vorbeilgeitet, wodurch der Expander kein Drehmoment erzeugt. Im zweiten Betriebsmodus ist das Umgehungsventil geschlossen, die Starteinrichtung ebenfalls deaktiviert. Bei geschlossenem Umgehungsventil strömt das Betriebsmedium durch den Expander, wodurch dieser Arbeit leistet.
Weiters kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Abwärmenutzungssystem in einem vierten Betriebsmodus während zumindest eines Segelbetriebs des Fahrzeugs, während zumindest eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine und/oder während zumindest eines Motorbremsbetriebs der Brennkraftmaschine betrieben wird. Vorzugsweise wird im vierten Betriebsmodus der Umgehungsströmungsweg geschlossen, um Drehmoment vom Expander an den Antriebsstrang des Fahrzeugs abzugeben, wenn der Expander mit dem Antriebsstrang verbunden ist, wodurch die Rollphase des Fahrzeuges verlängert werden und Kraftstoff gespart werden kann. Ist der Expander mit einer elektrischen Maschine verbunden, so kann im vierten Betriebsmodus elektrische Energie erzeugt und an das elektrische System des Fahrzeugs geliefert bzw. gespeichert werden. Als Segelbetrieb wird ein drehmomentfreier Betrieb des Fahrzeuges verstanden, bei welchem die Schaltkupplung zwischen Brennkraftmaschine und Getriebe geöffnet wird, um den Widerstand im Antriebsstrang zu verringern.
Ob ein Segelbetrieb des Fahrzeuges vorliegt oder nicht, wird der Steuerungseinheit vom Getriebe bzw. der Schaltkupplung mittels Ausrollinformationen mitgeteilt.
Im ersten Betriebsmodus und/oder bei inaktivem Wärmenutzungssystem wird der Expander - bei geöffnetem Umgehungsventil - über den Umgehungsströ- mungsweg umgangen.
Um eine hohe Effizienz zu erreichen, ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass der Umgehungsströmungsweg des Expanders nur dann geschlossen wird, wenn sich das Betriebsmittel des Abwärmenutzungssystems in einem überhitzten Zustand befindet. Wenn sich das Betriebsmittel des Abwärmenutzungssystems stromaufwärts des Expanders in einem nicht überhitzten Zustand befindet oder wenn die Brennkraftmaschine abgestellt wird, ist der Umgehungsströmungsweg geöffnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nicht einschränkenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen schematisch :
Fig. 1 ein Abwärmenutzungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung in einer ersten Ausführungsvariante;
Fig. 2 die Betriebsmodi dieser Steuerungseinrichtung;
Fig. 3 ein Abwärmenutzungssystem für eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante; und
Fig. 4 die Betriebsmodi dieser Steuerungseinrichtung.
In den dargestellten Ausführungsvarianten sind funktionsgleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und Fig. 3 zeigen jeweils eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgassystem 11, in welchem eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 - beispielsweise ein Diesel-Oxidationskatalysator 12, ein Dieselpartikelfilter 12b und ein SCR-Katalysator 12c (SCR - selective catalytic reduction) -angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 10 weist ein Antriebsstrang 13 mit einer Kurbelwelle 14, ei- ner Schaltkupplung 15 und einen (Schalt-)Getriebe 16 auf, welches auf die Antriebswelle 17 der Antriebsräder 18 einwirkt.
Weiters weist die Brennkraftmaschine 10 ein Abwärmenutzungssystem 20 zur Nutzung der Abgaswerte des Abgassystems 11 der Brennmaschine 10 auf. Das Abwärmenutzungssystem 20 weist einen Verdampfer 21 auf, welche - in Bezug auf die Abgasströmung im Abgassystem 11 - stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinrichtung 12 im Bereich des Abgassystems 11 angeordnet ist. Das beispielsweise nach dem organischen Rankine Kreislauf (ORC) funktionierende Abwärmenutzungssystem 20 weist stromabwärts des Verdampfers 21 im Betriebsmittelkreislauf einen Expander 22 und einen Kondensator 23, sowie eine Pumpe 24 für das Betriebsmittel auf. Als Betriebsmittel kann beispielsweise Ethanol verwendet werden. Zur Umgehung des Expanders 22 ist eine Umgebungsleitung 25 mit einem Umgehungsventil 26 vorgesehen. Der Verdampfer 21 kann abgasseitig über eine Bypassleitung 36 und ein Bypassventil 37 umgangen werden, wenn die Abgaswärme für den Verdampfer 21 zu hoch wird, oder der Systemdruck einen definierten Wert überschreitet, oder das Kühlsystem übermäßig belastet wird, oder das Abwärmenutzungssystem 20 in einem Fehlermodus ist, oder bei reinem Motorbetrieb, ohne Motorbremse. Die Ansteuerung des By- passventils 37 erfolgt in Abhängigkeit zumindest eines der Betriebsparameter aus der Gruppe Lüfterleistung, Systemdruck, Systemtemperatur und Massenstrom des Betriebsmittels.
Zur Steuerung des Abwärmenutzungssystems 20 ist eine Steuerungseinrichtung 30 vorgesehen, welche eine Programmlogik 31 aufweist, die ausgebildet ist, um für den Betrieb des Abwärmenutzungssystems 20 den geeignetsten Betriebsmodus aus mehreren Betriebsmodi 1, 2 bzw. 1, 2, 4, 5 auszuwählen. Die Auswahl des geeignetsten Betriebsmodus erfolgt dabei auf der Basis zumindest einer der Eingangsgrößen der Steuerungseinrichtung 30, nämlich : Expanderdrehzahl n, Ganginformation Gl, Ausrollinformation CI, Druck pi, Temperatur Ti des Betriebsmittels stromaufwärts des Expanders 22, sowie des Druckes p2, und der Temperatur T2 des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders 22. Für die Erfassung der Parameter Drücke pi, p2 und Temperaturen Ti, T2 sind Drucksensoren 32, 33 und Temperatursensoren 34, 35 stromaufwärts und stromabwärts des Expanders 22 im Betriebsmittelkreislauf des Abwärmenutzung Systems 20 vorgesehen. Die Drucksensoren 32, 33 und Temperatursensoren 34, 35 stehen mit der Steuerungseinrichtung 30 in Verbindung. Die Ganginformation Gl und Ausrollinformation CI werden beispielsweise von geeigneten Gebern im Getriebe 16 der Steuerungseinrichtung 30 zur Verfügung gestellt.
Bei der in Fig. 1 dargestellten einfachen ersten Ausführungsvariante ist der Expander 22 über eine Welle 19a mit einer elektrischen Maschine 40 verbunden. Die elektrische Maschine 40 steht mit der Steuerungseinrichtung 30 in Verbindung, wodurch der Expander 22 durch die elektrische Maschine 40 gestartet werden kann.
In Fig. 2 sind die Betriebsmodi dieser ersten Ausführungsvariante dargestellt. Es können mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante folgende Betriebsmodi durchgeführt werden :
Erster Betriebsmodus 1 wird während der Aufwärmphase des Expanders 22 durchgeführt; im Betriebsmodus 1 ist das Umgehungsventil 26 geöffnet, sodass das Betriebsmittel am Expander 22 vorbeigeführt wird.
Zweiter Betriebsmodus 2 : Dieser Betriebsmodus 2 ist dem Normalbetrieb des Expanders 22 zugeordnet. Sobald der Druck p2 und/oder die Temperatur T2 des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders 22 einen definierten Wert bzw. definierte Werte überschreiten, wird der Betriebsmodus 2 aktiviert.
Gegebenenfalls kann auch ein vierter Betriebsmodus 4 während des Segelbetriebes des Fahrzeuges gefahren werden, wobei elektrische Energie durch die elektrische Maschine erzeugt und dem Bordnetz zugeführt werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsvariante unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass der Expander 22 in das Getriebe 16 integriert ist bzw. über eine Welle 19b mit diesem antriebsverbunden ist. Gegebenenfalls kann eine schaltbare Kupplung 28 zwischen dem Getriebe 16 und dem Expander 22 angeordnet sein.
In Fig. 4 sind die Betriebsmodi dieser ersten Ausführungsvariante dargestellt. Es können mit der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante folgende Betriebsmodi durchgeführt werden :
Erster Betriebsmodus 1 wird während der Aufwärmphase des Expanders 22 durchgeführt; im Betriebsmodus 1 ist das Umgehungsventil 26 geöffnet, sodass das Betriebsmittel am Expander 22 vorbeigeführt wird.
Zweiter Betriebsmodus 2 : Dieser Betriebsmodus 2 ist dem Normalbetrieb des Expanders 22 zugeordnet. Sobald der Druck p2 und/oder die Temperatur T2 des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders 22 einen definierten Wert bzw. definierte Werte überschreiten, wird der Betriebsmodus 2 aktiviert.
Vierter Betriebsmodus 4: dieser Betriebsmodus 4 wird während des Segelbetriebs, des Warmlaufbetriebs und/oder des Motorbremsbetriebs der Brennkraftmaschine 10 verwendet. Im Segelbetrieb rollt das Fahrzeug ohne Drehmomentübertragung zwischen Brennkraftmaschine 10 und Antriebsräder 18, im Allge- meinen bei geöffneter Schaltkupplung 15. Das Umgehungsventil 26 ist im Betriebsmodus 4 geschlossen, um vom Expander 22 Drehmoment an die Brennkraftmaschine 10 zu übertragen. Dadurch wird - insbesondere bei geöffneter Schaltkupplung 15 - der Kraftstoffverbrauch im Leerlauf vermindert und/oder die Rollphase des Fahrzeugs verlängert. Ist der Expander 22 mit einer elektrischen Maschine 40 verbunden, so kann im vierten Betriebsmodus elektrische Energie erzeugt und an das elektrische System des Fahrzeugs geliefert bzw. gespeichert werden.
Fünfter Betriebsmodus 5 : Dieser Betriebsmodus 5 dient zum Starten des Expanders 22. über internen oder externen Starteinrichtung 27.
Alternativ dazu kann das Starten auch über einen Selbststartmechanismus des Expanders 22 (ohne dem fünften Betriebsmodus 5) erfolgen.
Um zu vermeiden, dass der Expander 22 mit Überdrehzahl betrieben und dadurch geschädigt werden kann, sieht die Steuerungseinrichtung 30 spezielle Sicherheitsmaßnahmen vor. So wird das Umgehungsventil 26 nur dann geschlossen, wenn sich das Betriebsmittel in einem überhitzten Zustand befindet, also beispielsweise wenn das Betriebsmittel Ethanol sich in der Gasphase befindet.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Steuerung eines Abwärmenutzungssystems (20) für ein durch eine Brennkraftmaschine (10) über einen Antriebsstrang (13) angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei das Abwärmenutzungssystem (20) zumindest einen Expander (22), zumindest einen Verdampfer (21) und zumindest eine Pumpe (24) für ein Betriebsmittel, insbesondere Ethanol, aufweist, und wobei zumindest der Verdampfer (21) im Bereich des Abgassystems (11) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, wobei der in mehreren Betriebsmodi betreibbare Expander (22) in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit leistet, und wobei aufgrund zumindest einer Eingangsgröße aus der Gruppe Expanderdrehzahl (n), Ganginformation (Gl), Ausrollinformation (CI), Druck (pi) und Temperatur (Ti) des Betriebsmittels stromaufwärts des Expanders (22) und/oder Druck (p2) und Temperatur (T2) stromabwärts des Expanders (22) durch eine Steuerungseinrichtung (30) jeweils ein Betriebsmodus von zumindest zwei Betriebsmodi (1, 2, 4, 5) des Expanders (22) ausgewählt wird und der Expander (22), vorzugsweise durch Ansteuerung zumindest eines in einem Umgehungsströmungsweg (25) des Expanders (22) angeordneten Umgehungsventils (26) des Expanders (22), in diesem Betriebsmodus betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Betriebsmodus (1) einer Warmlaufphase des Expanders (22), und ein zweiter Betriebsmodus (2) einer Normalbetriebsphase des Expanders (22) zugeordnet wird, und wobei im ersten Betriebsmodus (1) das Umgehungsventil (26) geöffnet, und wobei im zweiten Betriebsmodus das Umgehungsventil (26) geschlossen wird, und wobei der zweite Betriebsmodus (2) gewählt wird, wenn der Druck (p2) und/oder die Temperatur (T2) des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders (22) einen definierten Wert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) in einem vierten Betriebsmodus (4) während zumindest eines Segelbetriebs des Fahrzeugs, während zumindest eines Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine (10) und/oder zumindest eines Motorbremsbetriebs der Brennkraftmaschine (10) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Betriebsmodus (4) der Umgehungsströmungsweg (25) geschlossen wird.
4. Verfahren nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmenutzungssystem (20) in einem fünften Betriebsmodus (5) während zumindest einer Startphase des Expanders (22) betrieben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) durch motorisches Betreiben einer mit dem Expander (22) verbundenen elektrischen Maschine (27) gestartet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) durch Übertragen von Drehmoment vom Antriebsstrang (14) der Brennkraftmaschine (10) auf den Expander (22) gestartet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit an eine mit dem Expander (22) verbundene elektrische Maschine (40) abgibt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit an den Antriebstrang (13) abgibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) im ersten Betriebsmodus (1) und/oder bei inaktivem Abwärmenutzungssystem (20) von der Nebenantriebswelle
(19) getrennt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungsströmungsweg (25) des Expanders (22) geschlossen wird, wenn sich das Betriebsmittel des Abwärmenutzungssystems (20) in einem überhitzten Zustand befindet.
11. Abwärmenutzungssystem (20) für ein durch eine Brennkraftmaschine (10) über einen Antriebsstrang (13) angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einer Steuerungseinrichtung (30) zur Steuerung des Abwärmenutzungssystems
(20) , wobei das Abwärmenutzungssystem (20) zumindest einen Drehmoment an die Brennkraftmaschine (10) übertragbaren und über einen Umgehungsströmungsweg (25) umgehbaren Expander (22), zumindest einen Verdampfer (21) und zumindest eine Pumpe (24) für ein Betriebsmittel, insbesondere Ethanol, aufweist, und wobei zumindest der Verdampfer (21) im Bereich des Abgassystems (11) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der in mehreren Betriebsmodi betreibbare Expander (22) in zumindest einem Betriebsmodus Arbeit leistet, und dass aufgrund zumindest einer Eingangsgröße aus der Gruppe Expanderdrehzahl (n), Ganginformation (Gl), Ausrollinformation (CI), Druck (pi) und Temperatur (Ti) des Betriebsmittels stromaufwärts des Expanders (22) und/oder Druck (p2) und Temperatur (T2) stromabwärts des Expanders (22) durch die Steuerungseinrichtung (30) jeweils ein Betriebsmodus von zumindest zwei Betriebsmodi (1, 2, 3, 4, 5) des Expanders (22) auswählbar ist und der Expander (22) - vorzugsweise durch Ansteuerung zumindest eines in einem Umgehungsströmungsweg (25) des Expanders (22) angeordneten Umgehungsventils (26) - in diesem Betriebsmodus betreibbar ist, wobei ein erster Betriebsmodus (1) einer Warmlaufphase des Expanders (22), und ein zweiter Betriebsmodus (2) einer Normalbetriebsphase des Expanders (22) zugeordnet ist, und wobei im ersten Betriebsmodus (1) der Umgehungsströmungsweg (25) geöffnet und im zweiten Betriebsmodus (2) das Umgehungsströmungsweg (25) geschlossen ist, wobei der zweite Betriebsmodus (2) wählbar ist, wenn der Druck (p2) und/oder die Temperatur (T2) des Betriebsmittels stromabwärts des Expanders (22) einen definierten Wert überschreitet.
12. Abwärmenutzungssystem (20) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Betriebsmodus (4) zumindest einem Segelbetrieb des Kraftfahrzeugs, zumindest einem Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine (10) und/oder zumindest einem Motorbremsbetrieb der Brennkraftmaschine (10) zugeordnet ist, wobei vorzugsweise im vierten Betriebsmodus (4) der Umgehungsströmungsweg (25) schließbar ist.
13. Abwärmenutzungssystem (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) mit zumindest einer elektrischen Maschine (40) antriebsverbunden oder antriebsverbindbar ist, wobei vorzugsweise in einem zumindest einer Startphase des Expanders (22) zugeordneten fünften Betriebsmodus der Expander (22) durch motorisches Betreiben der elektrischen Maschine (40) startbar ist.
14. Abwärmenutzungssystem (20) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (22) mit dem Antriebsstrang (14) antriebsverbunden oder antriebsverbindbar ist, wobei vorzugsweise in einem zumindest einer Startphase des Expanders (22) zugeordneten fünften Betriebsmodus der Expander (22) durch Übertragen von Drehmoment vom Antriebsstrang (14) auf den Expander (22) startbar ist.
2016 07 11
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