DE102008022934A1

DE102008022934A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors und Verfahren zur Temperaturregelung

Info

Publication number: DE102008022934A1
Application number: DE102008022934A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Rostek; Torsten Howe; Thorsten Andres; Björn Richter; Mathilde Kny
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, aufweisend mindestens eine von einem Abwärme transportierenden Medium durchströmbare Leitung (4) und mindestens einen thermoelektrischen Generator (5), der auf einer Außenseite der Leitung (4) wärmeübertragbar angeordnet ist, wobei die Leitung (4) mit dem darauf angeordneten thermoelektrischen Generator (5) durch einen Kühler (8) geführt ist und in dem Kühler (8) von einem Kühlmedium (6) umströmbar ist, wobei die Leitung (4) dem thermoelektrischen Generator (5) als Hochtemperaturquelle und das Kühlmedium (6) als Niedertemperaturquelle dient. Es wird außerdem ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors sowie ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors.
Es ist bekannt, dass in etwa ein Drittel der zugeführten Kraftstoffenergie eines Verbrennungsmotors direkt in das Abgas in Form von Wärmeenergie übergeht. Diese bisher ungenutzte Wärmeenergie soll mit Hilfe von thermoelektrischen Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden. Auf diese Weise erfolgt eine Entlastung der durch den Motor angetriebenen Lichtmaschine, wodurch eine Kraftstoffersparnis realisiert werden kann.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bekannt. Die hier verwendenden thermoelektrischen Generatoren wandeln mit Hilfe des Seebeck-Effektes eine vorhandene Temperaturdifferenz direkt in elektrische Energie um. Die anliegende Temperaturdifferenz ist hierbei proportional zum generierten elektrischen Potential. Die thermoelektrischen Generatoren bestehen aus einzelnen Thermoelementen, die vorzugsweise ein Paar aus p- und n-dotierten Halbleiter-Materialien bilden.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, thermoelektrische Generatoren zur Stromerzeugung im Kraftfahrzeugbereich einzusetzen. Aus der EP1500808A1 ist ein Verfahren und ein System zur Steuerung der Abgastemperatur einer Brennkraftmaschi ne bekannt, wobei der thermoelektrische Generator in der Motorabgasleitung vor dem Katalysator angeordnet ist. Der thermoelektrische Generator ist in Abhängigkeit von der Abgastemperatur sowohl als Wärmepumpe zur Erhöhung der Abgastemperatur im Katalysator als auch als Generator zur Energieerzeugung einsetzbar.
Nachteilig ist, dass es hierbei zu Veränderungen der dynamischen Verhältnisse in der Abgasleitung kommen kann. Gleichzeitig ist auch mit einer Verschmutzung der Oberflächen des thermoelektrischen Generators, beispielsweise durch eine Ablagerung von Rußpartikeln, zu rechnen. Die Folge ist eine verminderte Wärmeeinkopplung und damit eine Verschlechterung der elektrischen Leistung bei zunehmender Verschmutzung.
Die DE102006039024A1 beschreibt thermoelektrische Generatoren, die als Ringelemente ausgeführt sind und das Abgasrohr eines Abgasstranges an der Außenseite umschließen. Die thermoelektrische Generatoren sind von einem Gehäuse umschlossen, welches von außen gekühlt wird. Zum Einbau eines solchen Generators in ein Kraftfahrzeug muß eine Kühlvorrichtung an den thermoelektrischen Generatoren installiert werden, wodurch erhöhte Kosten verursacht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bereit zu stellen, die kostengünstig in einem Kraftfahrzeug zu integrieren und verschmutzungsunanfällig ist.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors bereit zu stellen, mit dem verschmutzungsunanfällig und dauerhaft Leistung bereitstellbar bzw. eine Temperaturregelung ermöglicht ist.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 18 sowie durch ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
Durch die Anordnung des thermoelektrischen Generators auf einer durch einen Kühler geführte Leitung braucht keine gesonderte Hochtemperaturquelle oder Niedertemperaturquelle an den thermoelektrischen Generator herangeführt werden. Der thermoelektrische Generator muss lediglich auf der von einem Kühlmedium umflossenen Leitung aufgebracht werden.
Außerdem wird durch den direkten Kontakt des thermoelektrischen Generators mit dem Kühlmedium eine optimale Wärmeübertragung gewährleistet, so dass eine Anbindung beispielsweise mittels Wärmeleitpaste entfällt. Gleichzeitig bietet sich der Vorteil, dass keine feste Anbindung des thermoelektrischen Generators an dessen Niedertemperaturseite an das Kühlmedium besteht. Die aufgrund ungleicher Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen unterschiedlichen Längenausdehnungen der Thermogeneratorkomponenten können auf diese Weise leicht ausgeglichen werden.
Die erzeugte Spannung kann verwendet werden, um z. B. elektrische Energie in das Bordnetz eines Fahrzeugs einzuspeisen. Mehrere einzelne Thermoelemente können entsprechend der benötigten Impedanz der zu versorgenden elektrischen Einrichtung in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Ausbildung des Kühlers als Abgas-Rückführungskühler mit darin integrierter Abgasleitung wird ein bereits im Kraftfahrzeug enthaltenes Bauteil genutzt. In dem Abgas-Rückführungskühler steht ein zur Stromerzeugung durch den thermoelektrischen Generator geeigneter Temperaturgradient zur Verfügung.
Die Ausbildung der Leitung mit mindestens einer ebenen Außenfläche erlaubt eine einfache Anbringung der im Regelfall eben ausgebildeten thermoelektrischen Generatoren.
Die Anbindung des thermoelektrischen Generators an eine elektronische Steuerung erlaubt eine einfach handzuhabende Nutzung des thermoelektrischen Generators für weitere Zwecke wie beispielsweise der Temperatursteuerung eines durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung geführten Abgasstromes.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine perspektivische Detailansicht einer von einem Kühlmedium umflossenen Leitung mit darauf angeordnetem thermischen Generator.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und deren Bestandteile. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d. h. in verschiedenen Arbeitsstellungen oder durch spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
Die 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors. Die Vorrichtung weist mindestens eine Leitung 4 und mindestens einen thermoelektrischer Generator 5 auf, der auf einer Außenseite der Leitung 4 wärmeübertragbar angeordnet ist, wobei die Leitung 4 mit dem darauf angeordneten thermoelektrischen Generator 5 durch einen Kühler 8 geführt ist und in dem Kühler 8 von einem Kühlmedium 6 umströmbar ist, wobei die Leitung 4 dem thermoelektrischen Generator 5 als Hochtemperaturquelle und das Kühlmedium 6 als Niedertemperaturquelle dient.
Bevorzugt ist die Leitung 4 als Abgasleitung und der Kühler 8 als Abgas-Rückführungskühler 8 ausgeführt. Die Abgasleitung ist dabei bevorzugt eine wärmeleitende Metallleitung, die zur Kühlung des Abgases durchströmt wird und durch Wärmeabgabe stark erwärmt wird. Der Einsatz entsprechender Abgas-Rückführungskühler 8 in Kraftfahrzeugen entspricht dem Stand der Technik und wird insbesondere für die Abgasrückführung bei Dieselmotoren eingesetzt. Durch die gekühlte Abgasrückführung werden bereits während der Kraftstoffverbrennung Stickoxide verringert. Hierzu wird ein Teil des Abgasstromes nach einem hier nicht gezeigten Motorauslass über einen Bypass abgeführt und in dem Abgas-Rückführungskühler 8 gekühlt und anschließend der Ansaugluft wieder beigemischt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hierbei nicht die Abgaswärme direkt in elektrische Energie gewandelt. Vielmehr wird die Erwärmung der Kühlerteile ausgenutzt.
In der in 2 gezeigten Detailansicht ist die Leitung 4 als Mehrkammerprofil mit mehreren Kammern 7 ausgebildet. Die Leitung 4 ist mit mindestens einer ebenen Außenfläche, in der hier gezeigten Ausführungsform mit zwei ebenen Außenflächen ausgebildet. Auf diesen ebenen Außenflächen ist mindestens ein thermoelektrischer Generator 5 angeordnet, so dass diese Flächen für die einzelnen Generatoren als Hochtemperaturquelle dienen. Durch die Ausbildungsform der Leitung 4 mit ebenen Außenflächen ist eine Anordnung handelsüblicher thermoelektrischer Generatoren 5 erleichtert.
Der Kühler 4 hat bevorzugt ein Kühlergehäuse 1, von dem die Leitungen für das zu kühlende Medium umschlossen sind. Das Kühlergehäuse ist mit einen Einlass 2 und einen Auslass 3 für das Kühlmedium 6 versehen, so dass im Betrieb ständig frisches Kühlmedium die Leitungen und gleichzeitig die darauf angeordneten thermoelektrischen Generatoren 5 umspült. Hierdurch wird eine Temperatursenke (Niedertemperaturquelle) bereitgestellt. Über den Einlass 2 und den Auslass 3 ist der Kühler bevorzugt in einen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugmotors integriert und das das Kühlergehäuse 1 durchströmende Kühlmedium 6 ist bevorzugt eine Motorkühlflüssigkeit. Der stattfindende Wärmeaustausch zwischen den Leitungen 4 und der Motorkühlflüssigkeit 6 definiert die für die thermoelektrischen Generatoren 5 zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz.
Neben der Primärfunktion der Bereitstellung elektrischer Energie sind mit der Vorrichtung weitere Funktionen realisierbar, die durch eine entsprechende Logik elekt risch einstellbar sind. Dazu ist der thermoelektrische Generator 5 bevorzugt an eine elektronische Steuerung angekoppelt.
Mithilfe der elektronischen Steuerung ist die Vorrichtung geeignet, die von dem thermoelektrischen Generator 5 erzeugte elektrische Leistung, bevorzugt über einen elektrischen Zwischenkreis, in einen Akkumulator oder ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen.
Der thermoelektrische Generator kann in der Vorrichtung unter Ausnutzung des Peltier-Effektes aktiv als Wärmequelle bzw. als Kühleinheit verwendet werden. Durch das Anlegen eines elektrischen Stroms wird hierbei ein Temperaturstrom realisiert, welcher die gewünschte Seite an der Leitung aufheizt oder abkühlt. Auf diese Weise ist auch eine aktive Temperaturregelung im Abgas-Rückführungskühler 8 realisierbar. Das entsprechende Umschalten in diesen Modus ist dabei Aufgabe des Zwischenkreises bzw. der elektronischen Steuerung, ausgelöst beispielsweise durch ein äußeres Steuersignal.
Die elektronische Steuerung ist des weiteren geeignet, eine elektrische Verbindung zwischen einem an die elektronische Steuerung angekoppelten elektrischen Verbraucher und dem thermoelektrischen Generator 5 in Abhängigkeit von der Temperatur des die Abgasleitung 4 durchströmenden Abgases zu unterbrechen. Im Falle einer zu niedrigen Abgastemperatur strömt dann kein Strom mehr durch den thermoelektrischen Generator 5. Somit findet auch keine Energiewandlung mehr statt. Folglich wird das Abgas nur noch durch den Abgas-Rückführungskühler 8 gekühlt. Das entsprechende Umschalten in diesen Modus ist Aufgabe des Zwischenkreises. Die elektronische Steuerung ist zur Messung der Abgastemperatur bevorzugt an einen Temperatursensor angekoppelt.
Das Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abgaswärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit einer oben beschriebenen Vorrichtung weist die folgenden Schritte auf:
Zunächst wird eine Hochtemperaturquelle an der der Außenseite der wärmeleitfähigen Abgasleitung 4 zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators 5 durch Durchleiten des Abwärme speichernden Mediums durch die wärmeleitfähige Abgas leitung 4 erzeugt. Dabei wird ein Teil der Wärme auf das Material der Leitung 4 übertragen und die Leitung 4 dabei aufgeheizt. Die Niedertemperaturquelle wird an den der Außenseite der wärmeleitfähigen Leitung 4 abgewandten Seiten des thermoelektrischen Generators 5 durch Umströmen der Außenseiten der wärmeleitfähigen Leitung 4 und des an einer Außenseite der Leitung 4 wärmeleitend angeordneten thermoelektrischen Generators 5 mit einem Kühlmedium 6 erzeugt. Mit dem dadurch erzeugten Temperaturgradienten erfolgt die Umwandlung der auf die Leitung 4 übertragene Abwärme in elektrische Leistung durch den thermoelektrischen Generator 5.
In einem weiteren Verfahren erfolgt eine Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit einer oben beschriebenen Vorrichtung mit einer elektronischen Steuerung. Bei dem Verfahren wird das Abgas zunächst durch die wärmeleitfähige Leitung 4 geleitet. Dabei erfolgt, wie oben bereits beschrieben, eine Aufheizung der Leitung 4. Bestromt man nun den thermoelektrischen Generators 5 derart, dass Wärme von der der Leitung 4 zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators 5 weggeführt wird, dient der thermoelektrische Generator 5 in dieser Betriebsweise als zusätzliche Kühlung für den Abgasstrom. Bestromt man den thermoelektrischen Generators 5 derart, dass Wärme zu der der Leitung 4 zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators 5 hingeführt wird, dient der thermoelektrische Generator 5 in dieser Betriebsweise als Heizung für den Abgasstrom, was insbesondere in der Warmlaufphase des Kraftfahrzeugmotors nützlich ist.

1: Gehäuse
2: Einlass
3: Auslass
4: Leitung
5: Thermogenerator
6: Kühlmedium
7: Kammer
8: Kühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1500808 A1 [0004]
- DE 102006039024 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors, aufweisend mindestens eine von einem Abwärme transportierenden Medium durchströmbare Leitung (4) und mindestens einen thermoelektrischen Generator (5), der auf einer Außenseite der Leitung (4) wärmeübertragbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) mit dem darauf angeordneten thermoelektrischen Generator (5) durch einen Kühler (8) geführt ist und in dem Kühler (8) von einem Kühlmedium (6) umströmbar ist, wobei die Leitung (4) dem thermoelektrischen Generator (5) als Hochtemperaturquelle und das Kühlmedium (6) als Niedertemperaturquelle dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) eine Abgasleitung (4) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (8) ein Abgas-Rückführungskühler (8) ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) als Mehrkammerprofil ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) eine wärmeleitende Metallleitung ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) mindestens eine ebene Außenfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (5) auf der ebenen Außenfläche der Leitung (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (4) ein Kühlergehäuse (1) mit einen Einlass (2) und einen Auslass (3) für das Kühlmedium (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (6) eine Kühlflüssigkeit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlergehäuse (1) über den Einlass (2) und den Auslass (3) in einen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugmotors integriert und dass das Kühlergehäuse (1) durchströmende Kühlmedium (6) eine Motorkühlflüssigkeit ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (5) an eine elektronische Steuerung angekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung einen elektrischen Zwischenkreis aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung geeignet ist, die von dem thermoelektrischen Generator (5) erzeugte elektrische Leistung in einen Akkumulator oder ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs einzuspeisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung geeignet ist, den thermoelektrischen Generator (5) zur zusätzlichen Kühlung der Leitung (4) zu bestromen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung geeignet ist, den thermoelektrischen Generator (5) zur Beheizung der Leitung (4) zu bestromen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung geeignet ist, eine elektrische Verbindung zwischen einem an die elektronische Steuerung angekoppelten elektrischen Verbraucher und dem thermoelektrischen Generator (5) in Abhängigkeit von der Temperatur des die Leitung (4) durchströmenden Abwärme speichernden Mediums zu unterbrechen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung zur Messung der Temperatur des Abwärme speichernden Mediums an einen Temperatursensor angekoppelt ist.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Abwärme eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Erzeugen einer Hochtemperaturquelle an der der Außenseite der wärmeleitfähigen Leitung (4) zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators (5) durch Durchleiten des Abwärme speichernden Mediums durch die wärmeleitfähige Leitung (4), – Aufheizen der Leitung (4), – Erzeugen einer Niedertemperaturquelle an den der Außenseite der wärmeleitfähigen Leitung (4) abgewandten Seiten des thermoelektrischen Generators (5) durch Umströmen der Außenseiten der wärmeleitfähigen Leitung (4) und des an einer Außenseite der Leitung (4) wärmeleitend angeordneten thermoelektrischen Generators (5) mit einem Kühlmedium (6), – Umwandlung der auf die Leitung (4) übertragene Abwärme in elektrische Leistung durch den thermoelektrischen Generator (5).
Verfahren zur Temperaturregelung eines Abgases eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 17, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Durchleiten des Abgases durch die wärmeleitfähige Leitung (4) – Aufheizen der Leitung (4), – Bestromen des thermoelektrischen Generators (5) derart, dass Wärme von der der Leitung (4) zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators (5) entweder weggeführt oder zu der der Leitung (4) zugewandten Seite des thermoelektrischen Generators (5) hingeführt wird.