CN102102569A - 具有温差发电器的排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机(2)的排气系统(1)，其更优选地用于道路车辆，具有至少一个在周向(9)上具有环形闭合的内壁(4)的废气传输元件(3)，其内侧(12)暴露在废气中。内燃机(2)的能量效率可由至少一个温差发电器(8)提高，其将热能转化为电能并且布置在内壁(4)的外侧(13)。

Description

具有温差发电器的排气系统
技术领域
本发明涉及用于内燃机的排气系统，更优选地用于道路车辆或其它移动或固定装置的内燃机。此外，本发明涉及用于该排气系统的温差发电器。进一步地，本发明涉及一种用于制造该排气系统的方法。
发明背景
排气系统是公知的，且其与内燃机一起用于排出燃烧废气。该排气系统包含多个不同元件，例如管和废气处理装置。各个元件相互连接并且形成排气线路，其中各废气处理装置经由管相互连接。废气处理装置可以是例如氧化催化转换器，颗粒过滤器，SCR-催化转换器和NOX储存催化转换器。
发明内容
本发明解决了这样一个问题，即描述了一个用于排气系统的改进实施例，更优选地，其特征在于它使得改进的能量回收成为可能，更优选地，其结果是提高了配备有排气系统的内燃机或配备有内燃机和排气系统的车辆的能量效率。
根据本发明，通过独立权利要求的主题来解决该问题。从属权利要求的主题是有利的实施例。
本发明基于这样一个总的思想，即将包含在废气中的热转换为电能。为此，本发明提出将至少一个排气系统的元件连接至将热转换为电能的温差发电器，所述排气系统的元件具有在内燃机运转过程中传输废气的内壁。据此，包含于废气中的废热可直接用于产生电能，使其可用于内燃机或配备有内燃 机的车辆。达到那样的程度，可提高车辆的能量效率。
温差发电器例如根据珀耳帖元件的原理运转，然而是以反向运转模式运转。当珀耳帖元件通过运用电压将热量从珀耳帖元件的冷侧传递至暖侧时，对于温差发电器或单独的热电元件，这个原理就反过来了，从而通过从热电元件的暖侧至冷侧的热流产生的电压被分接。由此，借助于这样的热电元件，热流从而被转化为电能。
特别地，本发明提出将温差发电器布置在元件的内壁的外侧，其内侧暴露于废气中。从而内壁将温差发电器与废气分隔，并且更优选地保护其不受废气污染。这里，内壁在周向上闭合，并且可以是管子或形成相应元件的管状部分。这里，周向基于元件中的废气流向或元件中的废气主流向，从而所述流向或主流向定义了周向相对于其循环的轴向。
根据一个有利的实施例，温差发电器可以闭合方式在周向上环绕环形内壁。由此，温差发电器围绕内壁，其使从内壁至温差发电器的热放射成为可能。同时，提高了热能利用的效率。
根据另一个有利的实施例，元件可包含一个外壁，其以闭合方式在周向上环绕环形元件的内壁。温差发电器从而被安置在内壁和外壁之间。因为这样，温差发电器被封入两壁之间，结果一方面通过内壁保护其避开废气，另一方面通过外壁避开排气系统的周围环境，其提高了温差发电器的运转安全性。
另一个有利的实施例提供了冷却套管，其以闭合方式在周向上环绕环形内壁，其中温差发电器从而被安置在内壁和冷却套管之间。冷却套管使在温差发电器外侧上特定的温度降低成为可能。一方面，从温差发电器的内侧到温差发电器的外侧的温差被提高。另一方面，经由温差发电器从内侧到外侧传递的热量可经由冷却套管快速排出以保持高温差。正因为如此，可提高热能到电能的转化。
在最简单的情况下，冷却套管可由具有环形通道截面的双壁管形成。同 样，冷却套管可由绕温差发电器螺旋延伸并与内壁同轴排列的冷却管形成。
实际地，前面提及的元件的外壁可由冷却套管的内壁形成，结果提高了温差发电器区域中排气系统的集成程度，其导致重量减轻并降低制造成本。可选择地，元件的外壁可接触冷却套管的内壁。其结果是，使能够导致简化组装的单独制造成为可能。
根据一个有利实施例，温差发电器可直接接触内壁的外侧，然而其中更优选地，提供了具有内部接触层的温差发电器，温差发电器可利用内部接触层与内壁的外侧直接接触。温差发电器和内壁之间的直接接触提高了内壁和温差发电器之间的热传递，其提高了发电效率。
根据另一个有利的实施例，温差发电器在预载下通过弹性结构支撑在元件的外壁的内侧或冷却套管的内壁的内侧上。从而借助于该弹性结构产生预载，其一方面将温差发电器压在元件的内壁上，并且另一方面也带来了温差发电器相对于元件的外壁或冷却套管的内壁的预载支撑。除此之外，弹性结构使温差发电器相对元件的外壁或相对冷却套管的内壁的相对运动成为可能。这在内燃机冷启动、排气系统开始加热的情况下尤其是一个优点。在此过程中，暴露于废气中的内壁最先加热，结果其向外延伸。因为这样，温差发电器也向外移动，并挤压元件较冷的外壁或冷却套管较冷的内壁。在此过程中，借助于弹性结构产生的负载也同时提高了。因此弹性结构使和热相关的膨胀效应的补偿成为可能。同时，其增加了预载，通过预载温差发电器与热源(内壁)或冷源(元件的外壁或冷却套管的内壁)接触。已经示出了热传递质量使得一方面在热源和温差发电器之间和另一方面在冷源和温差发电器之间的预载增高。从而借助于弹性结构产生的预载导致能量转换效率的增加。
特别有利的是这样一个实施例，其中温差发电器以模块方式构造，从而其包含多个产生器模块。这些产生器模块可简单地相互连接，以能够轻松地使各个温差发电器适应于不同的安装情况。也可由使用的产生模块数量决定 温差发电器的功率。单独的发电模块可在周向上相邻布置，从而它们形成了每个温差发电器的环状部分。同样也可能以这样一种方法定做产生器模块，使它们在轴向上相邻布置。因此，产生器模块于是形成了温差发电器的轴部分。这里，轴向相应于元件内壁中废气的流向或主流向。同样也可能同时在周向上和在轴向上彼此相邻地布置产生器模块以构造温差发电器。用于温差发电器的模块设计也简化了温差发电器和内壁的外侧的连接，其利于排气系统的制造。
根据本发明，可生产这样一个排气系统，如果温差发电器布置于内壁和外壁之间，外壁可随着规定的截面减小的目标而塑性变形。换句话说，配备有温差发电器的元件随着催化转换器或颗粒过滤器的封装工艺而特别地塑性变形。实现了外壁的变形，从而产生温差发电器需要的径向预载，其一方面有利于内壁和产生器之间的热传递，另一方面有利于产生器和外壁之间的热传递。因为这样，简化了配备有产生器的元件制造，因为在空载状态下在外壁的截面减小之前可以实现组装，以至于例如可能很简单地将温差发电器附于外壁的外侧或插入外壁。
从属权利要求、附图和根据附图的相应附图说明可获得本发明的进一步的重要特征和优点。
应理解为上述提及的和下面要解释的特征在不背离本发明范围的情况下，不仅仅可用于所述的各个组合，也可用于其它组合或独立使用。
本发明的优选典型实施例于图中示出，并且在下面的说明中进行了更加详细地解释，其中相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的组件。
附图说明
每种情况下示意性地示出：
图1示出了排气系统的高度简化的基本电路图，
图2是位于温差发电器区域中的排气系统的截面图，
图3是以平面表示的来自图2的细节III的放大图，
图4和图5是不同实施例中的各弹性结构的俯视图，
图6是具有两个产生器模块的温差发电器的等距表示。
具体实施例
根据图1，排气系统1，内燃机2的废气借助其排出，其包含多个废气传输元件3，传输元件3每一个都具有内壁4。内燃机2和排气系统1可优先设置于道路车辆中。其它移动或固定的应用，例如非道路车辆，移动或固定的施工机械和工作机器也是可能的。在最简单的情况下，元件3是一个管5或一个废气处理装置6。这样的一个元件3又可由排气歧管7形成或是一个排气歧管7。图1的实施例中，仅示出了单个的废气处理装置6。显然排气系统1可同时包含多个废气处理装置6。不同的废气处理装置6是可能的，例如氧化催化转换器、颗粒过滤器、SCR-催化转换器和NOX储存催化转换器。此外，可提供消音器形式的至少一个废气处理装置6。基本上，任意的类似废气处理装置6的组合都是可能的。
取决于元件3，例如如果其与管5有关，则内壁4由元件3本身形成，或例如如果其与废气处理装置6或排气系统1的另一个元件例如歧管7有关，则内壁4由元件3的壳体部分形成。
根据图1，排气系统1也可配备至少一个温差发电器8，其在下面也简写为TE-产生器8或产生器8。在图1的实施例中，两个这样的TE-产生器8仅仅作为示范示出。一个TE-产生器8附在设置为管5的元件3上，同时另一个TE-产生器8附在设置为废气处理装置6的元件3上。显然在另一个实施例中也可采用仅仅一个单独的TE-产生器8。其中使用超过两个TE-产生器8的实施例同样是可能的。
各个TE-产生器8可将热能转化为电能。为了这个目的，由于TE-产生器8从热流中产生电压，其电压可分接出来以提供所要求的电能，各个TE- 产生器8根据反向的珀耳帖原理运行。
根据图2，其示出了配备有TE-产生器8的排气系统1的元件3的横截面，内壁4在周向9上环形闭合。在此情况下，周向9与废气的流向或主流向有关，废气的流向或主流向以内壁4的直线路线与元件3或内壁4的纵向中心轴10相一致。在图2的横截面中，纵向中心轴10垂直于绘图平面。因此，流向和主流向同样垂直于图2的绘图平面。在图1中用箭头11表示该流向或主流向。
元件3的内壁4包括内侧12，其暴露于废气或废气流中。温差发电器8现在安装在内壁4的外侧13上，也就是说，通过内壁4将其与废气隔开。根据图2中所示的优选实施例，TE-产生器8被配置为以闭合方式在周向9上环绕环形元件3的内壁4。在另一个没有示出的实施例中，TE-产生器8也能够仅部分地环绕内壁4。
术语“内部”和“外部”，例如在内壁、外壁、内侧和外侧中，涉及的是与纵向中心轴10的关系，其中“内部”面向纵向中心轴10而“外部”背向纵向中心轴10。
元件3可以额外地配备有外壁14，其在周向9上以闭合方式环绕内壁4。实际上，TE-产生器8设置在内壁4和外壁14之间。图2的实施例中元件3额外地配备有冷却套管15，其在周向9上以闭合方式环绕元件3的内壁4。因此，TE-产生器8设置在内壁4和冷却套管15之间。图2的实施例中外壁14相对于冷却套管15是独立的元件，因此除了冷却套管15之外还存在外壁14。因此，外壁14也位于冷却套管15和内壁4之间或位于冷却套管15和TE-产生器8之间。在图2的实施例中冷却套管15包含外壁16和内壁17和冷却通道18，其中适当的冷却剂于其中循环。冷却通道18例如可具有环形的横截面轮廓，其与内壁4同轴地延伸。同样地通可过管来形成冷却套管15，其相对于纵轴10螺旋缠绕TE-产生器8或外壁14。
冷却套管15可额外地或可替代地提供给外壁14
图2所示的实施例中，元件3的外壁14与冷却套管15的内壁17接触。这里，为了使优选的良好的热传递成为可能，优选平面接触。与此相比，图3示出了一个实施例，其中不存在元件3的外壁14或元件3的外壁14与冷却套管15的内壁17重合或通过冷却套管15的内壁17形成。关于这样的设计，不存在以下两个热传递，即从TE-产生器8至外壁14和从外壁14至内壁17的热传递。因此，在图3示出的实施例中热量可更有效率的排出。
TE-产生器8直接接触元件3的内壁4的外侧13，元件3使得从内壁4至TE-产生器8的密集的热传递成为可能。其中，根据图3和6中的TE-产生器8可包含内部接触层19，通过其TE-产生器8直接与内壁4的外侧13接触。
尽管在图2中的组合状态中TE-产生器8实际上被弯曲，但是图3和6中示出的TE-产生器8的各区域表现为平面或展开的。因此，图3和6中周向9延伸为直线。然而，TE-产生器8的直线或平面截面也是可能的，因为内壁4不是必须具有圆形截面，但一方面其可具有圆形或弯曲的横截面且另一方面也可具有有角度的截面，更优选为矩形的截面。
根据图3和6，在一侧朝向外壁14或冷却套管15的TE-产生器8包含弹性结构20，其在图4和5的每个俯视图中详细地表示出，其相对于纵轴10径向定位。弹性结构20导致TE-产生器8在预载下被支撑在元件3的外壁14的内侧21上或冷却套管15的内壁17的内侧22上。这里，预载相对于轴向10或流向11径向定位。TE-产生器8的径向预载接触一方面加于内侧4且另一方面加于外侧14或加于冷却套管15，提高了从内壁4经TE-产生器8至外壁14或至冷却套管15的热传递。热传导越好，由TE-产生器8实现的电能产率越好。
然而弹性结构20也允许内壁4和冷却套管15之间的径向相对运动，其强制地也导致TE-产生器8相对于冷却管套15的运动。图2中出现了多个箭头23，其表明了在内燃机2冷启动期间如果内壁4被加热时出现的内壁4 的膨胀。在这样一个冷启动期间，内壁4在外壁14之前或相对于无论如何已经冷却的冷却套管15及时加热。在这点上，发生这样的膨胀，其导致TE-产生器8相对于外壁14或相对于冷却套管15的相对调整。弹性结构20允许这样一个相对调整，并且在此过程中同时引起了TE-产生器8一方面针对内壁4和另一方面针对外壁14或冷却套管15的预载的增加。结果，在内燃机2运转期间提高了TE-产生器8的效率。
根据图4和5，弹性结构20弹簧弹性地配置为在周向9上易弯曲，以便弹性结构20易于补偿TE-产生器8向外侧的膨胀或调整。为了实现弹性结构中所需要的弹簧弹性，弹性结构20可包含区域24和25，其在周向9上具有不同的弹性。这里，高弹性的区域24和低弹性的区域25在周向9上交替。图4和5的实施例中，每个高弹性区域24在临界点26的帮助下实现，所述临界点可以狭缝(图4)的形式或以复杂几何图形(图5)来实现，以保证所需要的弹簧弹性。同样地，代替临界点26，减少弹性材料的厚度从而以这种方式提高弹簧弹性是可能的。特别地，也可采用三维成形以便在区域24中的弹性结构20在周向9上具有比区域25更高的弹簧弹性。例如，区域24可配置为波形或折叠之字形，其中单独的波形或折叠平行于纵轴10延伸并且在周向10上相邻。同样地，通过小珠或类似物使低弹性区域25变硬。弹性结构20更优选地设计为成形的薄片金属零件。
根据图3和6，TE-产生器8实际上包含多种独立的热电元件27，其在下述中也称为TE-元件27或元件27。每个单独的TE-元件27可将热能转化为电能。为了形成TE-产生器8，TE-元件27电气地相互连接，并且根据图3至少在周向9上相互隔开。根据图6，TE-元件27也在轴向10上相互隔开。显然具有在周向9上相邻的TE-元件27的成行的TE-元件27在轴向10上相互邻近。
在一个实际的实施例中，其中弹性结构20关于它的区域24，25与TE-产生器8中TE-元件27的位置匹配，特别地以便在具有低弹性的区域25中 在所有情况下TE-元件27定位在弹性结构20上。因此，径向预载被特别地引入TE-元件27的位置。
如图3和6所示，TE-产生器8可包含至少一个底层基质28，相关的TE-元件27相对于彼此位置固定地布置在其上。可以看到单独的TE-元件27部分嵌入底层基质28中。这里，特别有利的是这样一个实施例，即其中底层基质28包括以合适的方式使TE-元件27相互电气连接的电触头29。为这个目的，触头29可嵌入底层基质28，也就是在底层基质28中作用。
此外，TE-产生器8可配备有外部接触层30，经由其TE-产生器8将自身支撑在弹性结构20上。在该实施例中，外部接触层30也配备有电触头31，其以合适的方式使TE-元件27相互电气连接。这些电触头31也可实际上嵌入外部接触层30，以便这些电触头在外部接触层30中作用。在示出的实施例中，单独的TE-元件27被串联，从而相邻的TE-元件27可交替地通过底层基质28的电触头29和通过外部接触层30的电触头31相互电气连接。
内部接触层19和/或外部接触层30用于改进或用于实现与内壁4或外壁14或冷却套管15的平面接触。这里，各个接触层19或30更优选地可实现公差补偿。例如石墨薄片适于作为接触层19，30。
内部接触层19和/或外部接触层30可包括独立于在此示出的实施例的多层或多种结构。例如，如聚酰亚胺、芳族聚酰胺、Kapton的耐压绝缘薄片或通常来自热固性塑料或来自耐热塑料的耐压绝缘薄片可用于嵌入导体29、31并使其对内壁4或对外壁14或冷却套管15绝缘。
根据图2和6，根据优选实施例TE-产生器8可以被模块化构造。因此，各个TE-产生器8包含多个产生器模块32。这些产生器模块32在组合状态中以适当的方式相互电气连接以形成TE-产生器8。根据图2，多个产生器模块32可在周向9上相邻地安置。图2示范性地示出了四个相同的产生器模块32，其每个覆盖了90°的弧形部分。显然也可以实现其它的分配。相比之下，图6示出了两个产生器模块32，其在主流向11上被相继布置，所 述主流向11在各个元件3中至少在内壁4中最普遍。
显然每个产生器模块32包含多个TE-元件27，底层基质28和任选的接触层19，30。实际上，可提供同样的产生器模块32以适用于各个应用形式，也就是各个元件3。
根据图3，冷却套管15的内壁17在轴向和/或周向上可具有弹簧弹性结构(34)，其更优选地设计为波状。
在图3所示的特殊实施例中，另外明显地示出内壁4在它的内侧12可配备有热交换结构33。这样一个热交换结构33，其例如可包含多个肋或散热片或类似物，提高了废气至内壁4的热传递。此外，或可选择地，冷却套管15的内壁17同样可包含热交换结构34，其例如可通过肋或小珠或波形来实现。这个热交换结构34提高了尤其是从内壁17至在冷却通道18中运输的冷却剂的热交换。显然，另外地或可选择地，冷却套管15的外壁16也可配备有这样一个热交换结构34。显然，此外，内壁4的热交换结构33和/或冷却套管15的热交换结构34可相互独立地实现，并且也可独立于图3所示或图3的特殊实施例所示的TE-产生器8的其它特征而实现。
根据图1，冷却套管15可连接至冷却回路35或36。在该实施例中，为了简化说明，示出了两个冷却回路35，36，也就是例如可以是内燃机2的冷却回路的高温冷却回路35，和与高温冷却回路35相对应的低温冷却回路36，其特征在于冷却剂中明显更低的温度。例如，大约20°的冷却剂温度可在低温冷却回路36中实现。相比之下，高温冷却回路35通常具有大约90°的冷却剂温度。TE-产生器8的显著高效可通过特别高的温差实现。特别高的温差可借助低温冷却回路36实现。各个冷却回路35，36包括冷却剂泵37和合适的热交换器38，所述热交换器38例如可允许周围空气进入其中。图1所示的各个冷却回路35、36的单独元件的位置仅仅是示例。更优选地，在内燃机2上游的高温冷却回路35中冷却套管15的所示位置是次优的。
为了生产元件3，可最初建立一个布置，其将温差发电器8径向布置在内壁4和外壁14之间。这可通过例如最初将温差发电器8附于内壁4的外侧从而实现。之后，外壁14可被轴向地推动至内壁4的单元和产生器8。同样地，先在外壁14中插入温差发电器8以便随后在产生器8的单元和外壁14中轴向插入内壁4是可能的。
在此之后，外壁14以减小截面的方式塑性再成形。因此再成形在径向上发生。这个再成形过程的目的是产生温差发电器8的弹性压缩或产生器8的弹性结构20。因此，通过外壁14的再成形，可建立产生器8相对于内壁4和相对于外壁14所需要的轴向预载。这个随之而来产生的内部径向预载是有利的，因为结果是在内壁4和外壁14之间的环形空间中径向嵌入产生器8在装配期间已经被大大简化。

Claims (15)

1.一用于内燃机(2)的排气系统，特别是用于道路车辆或其它可移动或固定装置的内燃机(2)的排气系统，其
-具有至少一个废气传输元件(3)，其在周向(9)上具有一个环形闭合的内壁(4)，其内侧(12)暴露在废气中；
-具有至少一个温差发电器(8)，其将热能转化为电能且其布置在内壁(4)的外侧(13)
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，温差发电器(8)以闭合方式在周向(9)上环形围绕内壁。
3.根据权利要求1或2所述的排气系统，其特征在于，元件(3)的外壁(14)以闭合方式在周向(9)上环形围绕内壁(4)，其中温差发电器(8)布置在内壁(4)和外壁(14)之间。
4.根据权利要求1至3中任意一个所述的排气系统，其特征在于，冷却套管(15)以闭合方式在周向(9)上环形围绕内壁(4)，其中温差发电器(8)布置在内壁(4)和冷却套管(15)之间。
5.根据权利要求3和4所述的排气系统，其特征在于
-元件(3)的外壁(14)通过冷却套管(15)的内壁(17)形成，或
-元件(3)的外壁(14)接触冷却套管(15)的内壁(17)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的排气系统，其特征在于，温差发电器(8)接触内壁(4)的外侧(13)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的排气系统，其特征在于，温差发电器(8)在预载下通过弹性结构(20)支撑在元件(3)的外壁(14)的内侧(21)或冷却套管(15)的内壁(17)的内侧(22)上。
8.根据权利要求7所述的排气系统；其特征在于
-弹性结构(20)在周向(9)上配置为弹簧弹性地弯曲，和/或
-弹性结构(20)包含在周向(9)上具有不同弹性的区域(24，25)，其中高弹性区域(24)和低弹性区域(25)在周向(9)上交替。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的排气系统，其特征在于，温差发电器(8)包含多个独立的热电元件(27)，其将热能转化为电能并且其相互电气连接且在周向(9)上相互隔开。
10.据权利要求8和9所述的排气系统，其特征在于，热电元件(27)位于低弹性区域(25)的弹性结构(20)上。
11.据权利要求9或10所述的排气系统，其特征在于
-温差发电器(8)包含至少一个底层基质(28)，其上分布着多个位置相互固定的热电元件(27)；
-其中，更优选地的是，热电元件(27)通过在底层基质(28)中作用的电触头(29)而相互电气连接。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的排气系统，其特征在于
-温差发电器(8)包含外部接触层(30)，温差发电器根据其支撑在弹性结构(20)上，和/或
-温差发电器(8)具有内部接触层(19)，温差发电器根据其与内壁(4)的外侧(13)接触，
-其中，更优选的是，热电元件(27)通过在外部接触层(30)中作用的电触头(31)相互电气连接。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的排气系统，其特征在于
-温差发电器(8)是模块化结构，其中多个产生器模块(32)在元件(3)中在周向(9)上和/或废气的主流向(11)上相邻地布置，
-其中，更优选的是，各产生器模块(32)包含多个热电元件(27)，
-其中，更优选的是，各产生器模块(32)包含底层基质(28)和/或外部接触层(30)和/或内部接触层(19)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的用于安装在排气系统(1)中的温差发电器。
15.一种制造至少根据权利要求1至3所述的排气系统(1)的方法，其中由于外壁(15)为了减小其横截面而被塑性再成形，因此布置于内壁(4)和外壁(15)之间的温差发电器(8)被径向预载。
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