CN101575998B - 用于从机动车内燃机的废热发电的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从机动车内燃机的废热发电的设备，其具有传输废热的介质可以流动通过的至少一个管道(1)，以及至少一个热电式发电机(4)，管道(1)的至少一部分是双壁管道的形式，并且热电式发电机(4)布置在内部的第一管壁(2)与外部的第二管壁(6)之间的空气间隙(3)中，第一管壁(2)使热电式发电机(4)用作高温源，并使第二管壁(6)用作低温源。

Description

用于从机动车内燃机的废热发电的设备
技术领域
本发明涉及一种用于从机动车内燃机的废热发电的设备，其如权利要求1的序言中所述。
背景技术
已知，大约三分之一的内燃机供应的燃料能量以热能形式直接与排气融合在一起。这种目前还没有被使用的热能可在热电式发电机的帮助下将转化成电能。这样，由发动机驱动的发电机解除负荷，结果可以节省燃料。
现有技术公开了多种用于从内燃机的废热发电的设备和方法。在此使用的热电式发电机使用塞贝克效应(Seebeck effect)将主要的温差直接转化成电能。在该情况下，现有的温差与产生的电势成比例。热电式发电机包括优选地形成一对p-和n-掺杂半导体材料的单独的热敏元件。
在机动车的领域中已知多种使用热电式发电机用于发电的方法。EP1500808A1公开了一种用于控制内燃机的排气温度的方法和系统，热电式发电机布置在发动机排气管路中的催化转化器的上游。热电式发电机依据排气温度既可以用作用于增加催化转化器中的排气温度的热泵，又可以用作用于产生能量的发电机。
该公开的一个缺点是这会导致排气管路中的动态条件的变化。同时，可以预料的是热电式发电机的表面污染(例如，通过碳烟微粒沉积)。结果是随着污染程度的增加，引入的热减少并由此电力减少。
DE102006039024A1说明了被设计为环形元件且围绕排气系统的排气管道的外部的热电式发电机。所述热电式发电机由从外部冷却的外壳围绕。为了在机动车中包含这种类型的发电机，冷却设备必须安装在热电式发电机上，导致成本增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于从机动车内燃机的废热发电的设备，所述设备能够以节省成本的方式集成在机动车中，并且不易受污染。
该目的通过一种用于从机动车内燃机的废热发电的设备而实现，其如权利要求1的特征部分中所述。
由于热电式发电机布置在传导热的双壁管道的内部的第一管壁(或第一内管道)与外部的第二管壁(或第二外管道)之间的空气间隙中，没有单独的高温源或低温源需要引入到热电式发电机。热电式发电机仅必须插入空气间隙中。
产生的电压可以用于例如将电能供给至车辆的车载电源系统。多个单独的热敏元件可以依据待被供电的电气装置的要求阻抗而串联或并联连接。
本发明的其它优点体现在从属权利要求中。
由于管道是排气管道的形式，因此可以使用已经包含在机动车中的部件。在双壁排气管道中可得到适于使用热电式发电机发电的温度梯度。
在内部的管壁与热电式发电机之间经由插入的空气间隙的热交换确保充分的传热，借助这种设计，能够在排气歧管的高温范围内使用热发电机(thermal generator)，而热发电机不必设计成用于该温度范围内。同时，这样提供热电式发电机不必稳固地连接在其高温侧上的优点。由于不相等的膨胀系数所导致的热发电机的部件的长度的不同膨胀可以以这种方式容易地补偿。
热电式发电机面对第一管壁的一侧上布置黑色吸收层额外加强了热电式发电机的热辐射吸收。
在可替代实施例中，由于热电式发电机与内部的管壁之间的直接接触确保了最优的传热，结果是该实施例尤其适于设计成用于高温范围(＞400℃)的热发电机的使用。该实施例的优点是：改进了热的引入，同时，与第一实施例中的热辐射的使用相比较可得到更高的可使用的温差。
热电式发电机连接至电子控制系统则允许容易管理使用的热电式发电机用于其它目的，例如控制通过根据本发明的设备传导的排气流的温度。
附图说明
参照附图说明以下典型实施例，其中：
图1示出根据本发明的设备的典型实施例的透视示意性侧视图；
图2示出根据本发明的设备的典型实施例的示意性平面图；
图3示出根据本发明的设备的又一典型实施例的示意性平面图。
具体实施方式
在以下附图的说明中，诸如上方、下方、向左、向右、前方、后方等术语仅涉及相应附图中选择的设备以及其构成部件的典型图解说明和位置。这些术语应不理解为限制性的，即这些关系在不同的操作位置中或由于镜像对称设计等可以变化。
图1示出用于从机动车内燃机的废热发电的设备的优选实施例。该设备具有：双壁管道1，所述双壁管道1具有内部的第一管壁2和外部的第二管壁6；以及布置在第一内管壁2与外部的第二管壁6之间的空气间隙3中的热电式发电机4。在机动车内燃机的操作期间，传输废热的介质流过管道1。为了发电，内部的第一管壁2用作热电式发电机4的高温源，且外部的第二管壁6用作低温源。也可行的是仅管道1的一部分是双壁设计，热电式发电机4如上所述布置在管道的双壁区域中。
管道1优选地是排气管道，并且传输废热的介质优选地是来自机动车内燃机的排气。管道1尤其优选地是排气歧管与催化转化器之间的机动车的排气系统的组件，在所述组件中，在机动车内燃机的操作期间来自排气歧管的排气通到催化转化器。
双壁管道的管壁2与管壁6之间的空气间隙3的作用是隔离内管道，导致减少了排气与外部空气之间的热交换，并因此减少了排气的冷却。这样，尤其在冷启动阶段期间，可以尽可能快地达到要求用于催化转化器的操作温度。
外部的第二管壁6可以通过在避开第一管壁2的一侧上的冷却介质进行冷却，尤其通过周围空气进行冷却。使用另外的介质(例如，水)进行冷却同样地是可行的。
在图2中所示的平面图中，热电式发电机4仅固定到外部的第二管壁6。在该实施例中，热主要通过热辐射在第一管壁2与热电式发电机4之间传递，然而热通过热传导在第二管壁6与热电式发电机4之间传递。该实施例的一个优点是热电式发电机4没有稳固地连接至高温侧(即，内管道2)。由于不相等的膨胀系数所导致的热电式发电机4的部件的长度的不同膨胀可以以这种方式进行补偿。又一个优点是热电式发电机4也可以在排气歧管的高温范围内使用，而所述热发电机不必设计成用于该温度范围内。
为了加强从内管道2发出的热辐射的吸收，热电式发电机4面对第一管壁2的一侧可以设有例如黑色吸收层。
在图3中所示的另一实施例的平面图中，热电式发电机4固定到第一管壁2和第二管壁6。在该实施例中，热通过热传导在第一管壁2与热电式发电机4之间以及在第二管壁6与热电式发电机4之间传递。该实施例适于设计成用于高温范围(＞400℃)的热发电机的使用。该实施例的优点是：改进了热的引入，同时，与第一实施例中的热辐射的使用相比较可得到更高的可使用的温差。
除了提供电能的主要功能以外，通过该设备可以实现另外三个功能，它能够使用相对应的逻辑系统电调节这些功能。为此，热电式发电机4优选地联接至电子控制系统。
在电子控制系统的帮助下，设备适于优选地经由中间电路将由热电式发电机4产生的电力供给至机动车的蓄电池或车载电源系统。
除了产生电能以外，热电式发电机4能够可替代地用于温度控制，所述温度控制可以依靠相对应的电路(例如通过功率电阻器)而实现。这种可控制的冷却功能尤其在满负荷操作期间是重要的，以便催化转化器的过热能够以有目的的方式进行抵制。
热电式发电机在设备中通过使用珀尔帖效应可以积极地用作热源或用作冷却单元。在该情况下，电流的应用产生加热或冷却内部的第一管壁2的热流。主动的温度控制也可以通过这种方式实现。这种模式的相对应切换是例如由外部控制信号触发的中间电路或电子控制系统的任务。
电子控制系统还适于作为流过排气管道1的排气的温度的函数而中断被联接至电子控制系统的电力负荷与热电式发电机4之间的电连接。
在过低的排气温度下，不再有电流流过热电式发电机4。因此，也不再转化能量，导致较少的热从内管道2吸出。这种模式的相对应切换是中间电路的任务。电子控制系统优选地联接至温度传感器，用于测量排气温度。作为可替代方案，温度也可以由发电机电压推定。
在操作期间，高温源最初在热电式发电机4面对第一管壁2的一侧上通过使存储废热的介质传输通过管道1而产生，以便从具有上述设备的机动车内燃机的废热发电。在该情况下，某些热传递到第一管壁2的材料，并且第一管壁2在该过程中被加热。低温源在热电式发电机4面对第二管壁6的一侧上通过使用冷却介质(尤其是周围空气)对第二管壁6避开热电式发电机4的一侧进行冷却而产生。结果，利用产生的温度梯度，传送至第一管壁2的废热通过热电式发电机4转化成电力。
另外，机动车内燃机的排气温度可以通过具有电子控制系统的上述设备被主动地控制。在该情况下，排气首先传输通过管道1。这样加热第一管壁2。如果现在以将热从热电式发电机4面对第一管壁2的一侧传走的方式给热电式发电机4供电，则热电式发电机4额外地用于以这种操作方式冷却排气流。如果以将热传到热电式发电机4面对第一管壁2的一侧的方式给热电式发电机4供电，则热电式发电机4用于以这种操作方式加热排气流，尤其在机动车的暖机阶段中是有用的。
附图标记说明：
1    管道
2    第一管壁
3    空气间隙
4    热电式发电机
5    吸收层
6    第二管壁

Claims (15)

1.一种用于从机动车内燃机的废热发电的设备，其具有至少一个管道(1)和至少一个热电式发电机(4)，传输废热的介质可以流动通过所述管道(1)，其中所述管道(1)的至少一部分是双壁管道的形式，并且所述热电式发电机(4)布置在内部的第一管壁(2)与外部的第二管壁(6)之间的空气间隙(3)中，所述第一管壁(2)用作所述热电式发电机(4)的高温源，并使所述第二管壁(6)用作低温源，所述热电式发电机(4)仅固定至所述第二管壁(6)，热通过热辐射在所述第一管壁(2)与所述热电式发电机(4)之间传递，并且所述第一管壁与所述热电式发电机之间的热传递还经由位于所述第一管壁与所述热电式发电机之间的空气间隙进行。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述管道(1)是排气管道。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中传输废热的所述介质是来自所述机动车内燃机的排气。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述管道(1)是在排气歧管与催化转化器之间的机动车的排气系统的组件。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二管壁(6)可以通过冷却介质进行冷却。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述冷却介质是空气。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述热电式发电机(4)面对所述第一管壁(2)的一侧设有黑色吸收层(5)，用于加强对从所述第一管壁(2)发出的热辐射的吸收。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述热电式发电机(4)联接至电子控制系统。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制系统具有用于阻抗匹配的中间电路。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制系统能将由所述热电式发电机(4)产生的电力供给至所述机动车的车载电源系统。
11.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制系统能给所述热电式发电机(4)供电，用于额外冷却所述第一管壁(2)。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制系统能给所述热电式发电机(4)供电，用于加热所述第一管壁(2)。
13.根据权利要求8所述的设备，其中所述电子控制系统能作为流过所述管道(1)的传输废热的所述介质的温度的函数而中断在被联接至所述电子控制系统的电力负荷与所述热电式发电机(4)之间的电连接，用于减小冷却能力。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述电子控制系统联接至温度传感器，用于测量传输废热的所述介质的温度。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述电子控制系统能从所述热电式发电机(4)的电压推定传输废热的所述介质的温度。
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