CN102481836A - 用于在发动机运行的车辆中获取电能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在发动机运行的车辆(10)中获取电能的装置，该装置具有热电发动机单元(1)，该发动机单元具有至少一个在一侧与热源(3)且在另一侧与冷却剂回路热接触的热电模块(2)。根据本发明，设置用于将热能排放到该车辆(10)的车身部分(5)的冷却剂回路(3)，该冷却剂回路独立于用于该车辆(10)的发动机冷却或油冷却的另一可能的冷却剂回路(20)，其中集成到冷却剂回路(3)中的冷却剂热交换器(6)借助于导热接触元件(8)设置在该车身部分(5)朝向车辆内部的那侧(7)上。该车身部分(5)可以是该车辆(10)的侧壁、后壁、车顶或车轮罩的合适区域。

Description

用于在发动机运行的车辆中获取电能的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在发动机运行的车辆中获取电能的装置，该装置具有热电发动机单元，该热电发动机单元具有至少一个在一侧与热源并在另一侧与冷却剂回路热接触的热电模块。
背景技术
充分利用温差来产生电能的热电发动机(TEG)早已公知，其中例如利用内燃机的废热。这种发动机单元的热电模块由一系列p掺杂和n掺杂柱构成，这些柱在其端部设有电触点。在此充分利用塞贝克效应，其中金属或半导体部件的两个端部(高温段和低温段)之间的温差引起电势差。
例如由DE 10 2005 005 077A1公开了一种用于内燃机的热电发动机，该热电发动机与排气道连接。该热电发动机具有属于排气道的热侧和连接内燃机的冷却回路的冷侧(冷却剂热交换器)。它的缺陷在于，通过热电发动机单元向车辆散热器输送相当大的热负荷，这会导致车辆散热器必须设置为较大尺寸，以散发额外的热负荷。因为内燃机的冷却剂在运行时通常具有90℃-110℃之间的温度，这会不利地降低用于TEG单元的可利用焓差和卡诺效率。
此外由DE 10 2006 057 662A1公开了一种具有热电发动机的车辆，其中废气流经的热交换器用作热源，而热电发动机的冷却元件被冷却空气环流或流过。热交换器元件和热电发动机的冷却元件由交替地堆状叠置的扁管构成，其中构成冷却元件的管设置成基本上垂直于构成热元件的管。用于散热器元件的进气口例如布置在车辆的底板区域中。
由WO 2008/095582A1公知一种具有热电发动机的车辆，其中热电发动机直接布置在例如车辆发动机的放热部件处并与其导热相连。热电发动机的散热器由被行驶相对气流冲击的散热片实现，或者例如连接到车辆的液体流经的冷却回路。在第一种情况下，必须增大车辆前部的进气，由此降低车辆的cw值，在第二种情况下，车辆冷却回路中的热量输入升高，由此冷却回路的尺寸必须相应地设计为较大。
由DE 42 19 938A1公知制造一种双壳的铝制衬板作为车身部分，在其间隙中形成用于冷却剂的流动路径，由此衬板能起到一种热交换器的作用。这种制造是按高成本的方法完成。这样制造的热交换器被包含到用于发动机冷却的冷却回路中。
由DE 10 2004 049 636A1公知一种用于冷却车辆液态、气态或可流动介质的类似装置，该装置同样具有车辆壳体的双壁或多壁结构，在其间隙内可以输送冷却剂。
发明内容
本发明的任务是如此改进一种用于在发动机运行的车辆中获取电能的装置，即可以提供热电发动机单元的低温侧的足够冷却而不严重损害车辆的空气动力值或者不必装入额外的主动组件，例如通风装置，泵等。
根据本发明，上述技术问题由此解决，即设置一种用于排出车辆车身部分中的热能的冷却剂回路，该冷却剂回路独立于用于车辆的发动机冷却或油冷却的可能的冷却剂回路，其中在车身部分朝向车辆内部的那侧上借助于导热接触元件布置集成到冷却剂回路内的冷却剂热交换器。
利用根据本发明的解决方案，由热电模块散发的热量被引入到车辆已有的大多空气动力学优化过的车身部分中，从而由此不损害cw值。由于没有额外的热量输入到发动机冷却回路中，所以例如在具有散热器百叶窗的轿车中更经常地或进一步关闭百叶窗并且这样充分利用其优点，以使cw值在百叶窗关闭的状态下比在敞开状态下通常低5％。此外，可以由此更经常地不启动车辆通风装置。
独立于发动机冷却的冷却回路的另一优点在于，能使用运行温度范围在30℃至50℃之间而非常见的95℃的低温回路。这会致使可以使用常规的致冷剂，该致冷剂在运行时经历液态/气态相变，在相变时可以充分利用用于有效传热的起泡沸腾的作用。
侧壁、后壁、车顶或车轮罩的区域可以用作优选的车身部分。
根据本发明一特别有利的构造，冷却剂热交换器为利用冷却剂的对流循环而具有冷却剂入口，该冷却剂入口地理上布置在热电单元以及热源上方，其中设置上升管道，该上升管道使热电发动机单元的冷却剂出口与冷却剂热交换器的冷却剂入口相连接。由此可以充分利用热虹吸原理，从而不需要为传输冷却剂而设置泵等主动的结构元件。
虽然从DE 34 07 521C1已知另一种情形下的热虹吸原理，但其在此用于关闭内燃机之后通过热虹吸原理保持用于涡轮增压机的冷却循环回路。但在此热能被排放到发动机冷却循环回路中，因而出现开始时提到的缺点。
热虹吸的另一种应用在WO 2008/025707A1中公知，其中指出了内燃机中的热电发动机和用于限制发动机处温度的装置。不同于本发明，热虹吸装置在此布置在热电发动机单元的高温侧，并且用于避免此处使用的具有约350℃的相对较低的最高温度的TEG材料温度过高。
附图说明
下面借助附图更详细地阐述本发明。其中：
图1示出根据本发明的用于在轿车中获取电能的装置的示意图；
图2示出根据图1中II-II线的细部剖视图；
图3示出根据图1中III-III线的细部剖视图；以及
图4示出用于排放载货车中AGR系统的热能的热虹吸原理的应用。
具体实施方式
在图1中和图2及图3的细部中示意示出的根据本发明的装置被装入具有内燃机11的发动机运行的车辆10并且用于从废气系统的废热中获取电能。
在示出的示例中，热电发动机单元1布置在例如沿流动方向位于用于废气后处理的装置13之后的排气管线12中。热电发动机单元1具有多个热电模块2，这些热电模块在一侧与热源3(此处为废气热交换器3′的形式)并在另一侧与冷却剂回路4热接触。冷却剂回路4现不加重车辆10已有的冷却水回路20的负荷，而是为排放热能而与车辆10的车身部分5相连接，其中该车身部分5(例如轿车的侧壁，后壁，车顶区域或车轮罩)暴露于周围空气或行驶相对气流，从而提供有效的散热。
热能借助于冷却剂热交换器6传递到车身部分5中，该冷却剂热交换器借助于导热的接触元件8(见图3)布置在车身部分5朝向车辆内部的那侧7上。
优选无须根据热虹吸功能原理的主动循环装置来实现冷却剂回路4的运行，其中车身侧的冷却剂热交换器6为利用冷却剂的对流循环而具有冷却剂入口9，该冷却剂入口布置在热电发动机单元1上方。为此设置上升管道14，该上升管道使位于热电发动机单元1的上部区域内的冷却剂出口15与冷却剂热交换器6的冷却剂入口9连接。
在所示的例子中，冷却剂热交换器6具有蜿蜒状地沿冷却剂的流动方向下降设置的热交换器管16，该热交换器管通过连接管道或下降管道17通入热电发动机单元1的下部区域内的冷却剂入口18。冷却剂热交换器6也可以由多个平行布置的热交换器管构成。
车辆10的内燃机11的废气所流经的废气热交换器3′优选用作热源，但在本发明的情形下也可使用驱动单元的发热组件-例如发动机、油底壳等-作为热源3，发动机单元1的热电模块2与该热源的表面直接热接触。
在冷却剂回路4中循环的冷却剂可以优选为致冷剂，例如在车辆空调设备中使用的致冷剂，该致冷剂在运行时经历液态/气态相变。液位19在发动机单元1中以虚线示出。在发动机单元1中蒸发的致冷剂在上升管道14中上升，在向车身部分5散热的情况下冷凝并经过下降管道17流回发动机单元1内。
图4示出载货车10的示意图，其中冷却剂回路4在充分利用热虹吸原理的情况下使热交换器21与AGR系统22(或涡轮增压机或者驱动单元的其它发热组件)热接触。由AGR系统散发的热量由此无需额外的主动组件并且不加重车辆冷却负荷地被直接引入载货车的车身5的大面积的后部和侧部。在AGR系统22和热交换器21之间可以布置此处并未示出的热电发动机单元。
在长途载货车中，可通过车辆散热器排出的热功率在不启动车辆散热器通风装置的情况下为大约100KW。为实现越来越严格的废气排放规定，废气回收率越来越高，所以经常超过这个数值。在当前的EURO6发动机中，即便长途载货在没有山区路段的地区中运行也已经达到在10％范围内的车辆散热器通风装置的启动率。由此产生的车辆额外消耗至少达到1％-2％。根据本发明，现在一部分的冷却功率通过车辆外壳给出，由此可以明显降低散热器通风装置的启动频率和与之相关的车辆额外消耗。

Claims (9)

1.一种用于在发动机运行的车辆(10)中获取电能的装置，所述装置具有热电发动机单元(1)，所述热电发动机单元具有至少一个在一侧与热源(3)并在另一侧与冷却剂回路热接触的热电模块(2)，其特征在于，设置用于将热能排放到所述车辆(10)的车身部分(5)中的冷却剂回路(4)，所述冷却剂回路(4)独立于用于所述车辆(10)的发动机冷却或油冷却的可能的冷却剂回路(20)，其中集成到所述冷却剂回路(4)中的冷却剂热交换器(6)借助于导热接触元件(8)设置在所述车身部分(5)朝向车辆内部的那侧(7)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述车身部分(5)是所述车辆(10)的侧壁、后壁、车顶或车轮罩的区域。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述冷却剂热交换器(6)为利用冷却剂的对流循环而具有冷却剂入口(9)，所述冷却剂入口地理上布置在所述热电单元(1)以及所述热源(3)上方，其中设置上升管道(14)，所述上升管道使所述热电发动机单元(1)的冷却剂出口(15)与所述冷却剂热交换器(6)的冷却剂入口(9)相连接。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述冷却剂热交换器(6)具有蜿蜒状或平行导向地沿冷却剂的流动方向优选下降布置的热交换器管(16)，所述热交换器管通过下降管道(17)通入所述热电发动机单元(1)的冷却剂入口(18)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源(3)是所述车辆的内燃机(11)的废气流经的废气热交换器(3′)。
6.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源(3)是所述车辆(10)的AGR系统(20)或涡轮增压机。
7.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述热源(3)是驱动单元的发热组件，例如发动机、油底壳等。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，在所述冷却剂回路(4)中循环的冷却剂是致冷剂，所述致冷剂在运行时经历液态/气态相变。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冷却剂回路(4)是运行温度范围从30℃至50℃的低温回路。
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