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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere
eines Kraftfahrzeugs.
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Bei
einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist in einer Frischluftleitung
zur Versorgung von Brennräumen
der Brennkraftmaschine mit Frischluft eine Ladeeinrichtung vorgesehen,
mit deren Hilfe das Druckniveau der Frischluft erhöht werden
kann. Um den Massenstrom und somit die Leistung der Brennkraftmaschine
erhöhen
zu können,
ist üblicherweise
ein Ladeluftkühler
vorgesehen, der zwischen der Ladeeinrichtung und den Brennräumen in
der Frischluftleitung angeordnet ist. Der Ladeluftkühler dient
zum Kühlen
der sich beim Ladevorgang aufgeheizten Ladeluft.
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Es
besteht das allgemeine Bedürfnis,
den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen bzw. von Kraftfahrzeugen
zu reduzieren.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art eine verbesserte
Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch einen reduzierten Kraftstoffverbrauch,
insbesondere eines damit ausgestatteten Kraftfahrzeugs, auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe wenigstens
eines thermoelektrischen Wandlers die Wärme der aufgeladenen Frischluft
zu beeinflussen. Ein thermoelektrischer Wandler kann elektrische
Energie in Wärme
bzw. in Wärmetransport
wandeln. Ebenso kann ein thermoelektrischer Wandler eine Temperaturdifferenz
in elektrische Energie wandeln. Die Verwendung eines derartigen
thermoelektrischen Wandlers ermöglicht
es somit, in der aufgeladenen Frischluft durch den Ladevorgang eingebrachte
Abwärme
zum Erzeugen von elektrischer Energie zu nutzen. Diesbezüglich beruht die
Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken, ohnehin produzierte Abwärme zum
Bereitstellen von elektrischer Energie zu nutzen, um diese im Fahrzeug speichern
bzw. verbrauchen zu können.
Da moderne Fahrzeuge über
eine Vielzahl elektrischer Verbraucher verfügen, besteht auch ein entsprechender
Bedarf an elektrischer Energie. Diese kann konventionell zum Beispiel über eine
Lichtmaschine auf Kosten der Antriebsleistung und in Verbindung
mit einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch erzeugt werden. Wenn nun zumindest ein Teil
dieser elektrischen Energie aus der Abwärme der Ladeluft gewonnen werden kann,
ergibt sich dadurch ein reduzierter Kraftstoffverbrauch für das Fahrzeug.
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Der
mit der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelte thermoelektrische
Wandler lässt
sich jedoch auch dazu verwenden, die Kühlung der Ladeluft zu verbessern.
Beispielsweise ermöglicht
der thermoelektrische Wandler eine aktive Kühlung der Ladeluft, indem er
mit entsprechender Polung bestromt wird. In der Folge wird Wärme von
einer mit der Ladeluft gekoppelten Kaltseite des thermoelektrischen
Wandlers zu einer Warmseite des thermoelektrischen Wandlers transportiert,
der mit einer geeigneten Wärmesenke
verbunden ist. Eine aktive Kühlung
der Ladeluft kann dann erforderlich sein, wenn die Kühlleistung
des Kühlkreises
nicht ausreicht, eine hinreichende Kühlung der Ladeluft zu bewirken.
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Darüber hinaus
ergibt sich durch die Verwendung des mit der Ladeluft wärmeübertragend
gekoppelten thermoelektrischen Wandlers die Möglichkeit, die Ladeluft gezielt
aktiv zu wärmen.
Dies kann beim Kaltstart der Brennkraftmaschine zur Verkürzung der Warmlaufphase
genutzt werden. Erst wenn die Brennkraftma schine ihre Betriebstemperatur
erreicht hat, arbeitet sie hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen
optimal. Je kürzer
daher die Warmlaufphase ausgestaltet werden kann, desto besser ist
letztlich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Durch Bestromen
des thermoelektrischen Wandlers mit entsprechender Polung kann nun
die Warmseite des thermoelektrischen Wandlers mit der Ladeluft wärmeübertragend
gekoppelt werden, um dieser Wärme
zuzuführen.
Die Kaltseite des thermoelektrischen Wandlers kann hierzu mit einer
geeigneten Wärmequelle
gekoppelt sein.
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Der
thermoelektrische Wandler kann zum Beispiel an oder in der Frischluftleitung
angeordnet sein, die von der Ladeeinrichtung zum Ladeluftkühler führt.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher der thermoelektrische Wandler in den Ladeluftkühler integriert
ist. Insbesondere kann dadurch eine Seite (Warmseite oder Kaltseite)
des thermoelektrischen Wandlers mit der Ladeluft wärmeübertragend
gekoppelt sein, während
die andere Seite (Kaltseite oder Warmseite) des thermoelektrischen
Wandlers mit dem Kühlmittel
des Kühlkreises wärmeübertragend
gekoppelt ist. Hierdurch kann eine besonders hohe Leistungsdichte
realisiert werden.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines thermoelektrischen Wandlers,
wenn er zum Generieren von elektrischem Strom betrieben wird,
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3 eine
Ansicht des thermoelektrischen Wandlers aus 2, wenn
er zum Kühlen
von Ladeluft betrieben wird,
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4 eine
Ansicht des thermoelektrischen Wandlers aus 2, wenn
er zum Wärmen
von Ladeluft verwendet wird.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Brennkraftmaschine 1, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug
zur Anwendung kommt, einen Verbrennungsmotor 2 mit interner
Verbrennung, der hierzu mehrere Brennräume 3 aufweist. Eine
Frischluftanlage 4 versorgt die Brennräume 3 des Verbrennungsmotors 2 mit
Frischluft. Die Frischluftanlage 4 weist hierzu eine Frischluftleitung 5 auf,
die den Brennräumen 3 Frischluft
zuführt.
Ferner weist die Frischluftanlage 4 eine Ladeeinrichtung 6 auf,
mit deren Hilfe das Druckniveau in der Frischluft, die über die
Frischluftleitung 5 den Brennräumen 3 zugeführt wird,
erhöht
werden kann. Die aufgeladene Frischluft oder Ladeluft verbessert
den Wirkungsgrad und reduziert die Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors 2 bzw.
der Brennkraftmaschine 1. Im gezeigten Beispiel ist die
Ladeeinrichtung 6 durch einen Abgasturbolader gebildet,
dessen Verdichter 7 in der Frischluftleitung 5 angeordnet
ist und dessen Turbine 8 in einer Abgasleitung 9 angeordnet
ist. Turbine 8 und Verdichter 7 sind drehfest
miteinander verbunden, zum Beispiel über eine gemeinsame Welle 10.
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Die
Frischluftanlage 4 weist außerdem einen Ladeluftkühler 11 auf,
der zwischen der Ladeeinrichtung 6 und den Brennräumen 3 in
der Frischluftleitung 5 angeordnet ist. Er dient zur Kühlung der
aufgeladenen Frischluft und ist hierzu mit einem Kühlkreis 12 der
Brennkraftmaschine 1 bzw. des Verbrennungsmotors 2 wärmeübertragend
gekoppelt. Der Kühlkreis 12 ist
hier in stark vereinfachter Form dargestellt. Es ist klar, dass
er in üblicher
Weise eine Pumpe, Ventile oder dergleichen aufweisen kann.
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Die
hier vorgestellte Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit
wenigstens einem thermoelektrischen Wandler 13 ausgestattet.
Im dargestellten Beispiel sind rein exemplarisch zwei derartige
thermoelektrische Wandler 13 dargestellt, die kumulativ
oder alternativ zum Einsatz kommen können. Der eine thermoelektrische
Wandler 13 ist der Frischluftleitung 5 zugeordnet
und ist zwischen dem Ladeluftkühler 11 und
der Ladeeinrichtung 6 an bzw. in der Frischluftleitung 5 angeordnet.
Der andere thermoelektrische Wandler 13 ist dem Ladeluftkühler 11 zugeordnet
und insbesondere in diesen integriert.
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Unabhängig von
deren Anordnung und Anzahl ist der jeweilige thermoelektrische Wandler 13 mit
der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelt.
Des Weiteren kann der jeweilige thermoelektrische Wandler 13 mehrere
thermoelektrische Elemente 14 aufweisen, die zur Realisierung
des jeweiligen Wandlers 13 parallel arbeiten. Jedes Wandlerelement 14 ist
dabei mit der aufgeladenen Frischluft wärmeübertragend gekoppelt.
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Der
an bzw. in der Frischluftleitung 5 angeordnete Wandler 13 kann
beispielsweise ringförmige Elemente 14 aufweisen.
Die Wandlerelemente 14 können mit Kühlkörpern 15 ausgestattet
sein, um eine Wärmeübertragung
mit einer Umgebung 16 der Frischluftleitung 5 zu
verbessern. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich,
die Wandlerelemente 14 mit einem Kühlkreis 12' wärmeübertragend
zu koppeln, bei dem es sich grundsätzlich um den Kühlkreis 12 des
Verbrennungsmotors 2 handeln kann. Ebenso kann es sich
bei diesem Kühlkreis 12' auch um einen anderen,
separaten Kühlkreis 12' handeln.
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Der
in den Ladeluftkühler 11 integrierte Wandler 13 ist
außerdem
mit dem Kühlkreis 12 bzw. mit
einem im Kühlkreis 12 zirkulierenden
Kühlmittel wärmeübertragend
gekoppelt.
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Dem
wenigstens einen Wandler 13 ist außerdem eine Steuerung 17 zugeordnet,
die auf geeignete Weise mit dem Wandler 13 bzw. mit dessen
Wandlerelementen 14 gekoppelt ist. Diese Steuerung 17 kann
nun in Abhängigkeit
der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 1 bzw. des
Verbrennungsmotors 2 bzw. in Abhängigkeit der Temperatur der
aufgeladenen Frischluft den jeweiligen Wandler 13 unterschiedlich
betreiben. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe der Steuerung 17 den
jeweiligen Wandler 13 zum Generieren von elektrischem Strom
zu betreiben. Ebenso ist es möglich,
den jeweiligen Wandler 13 zum aktiven Kühlen der aufgeladenen Frischluft zu
betreiben. Ebenso ist es möglich,
mit Hilfe der Steuerung 17 den jeweiligen Wandler 13 zum
Heizen der aufgeladenen Frischluft zu betreiben. Diese unterschiedlichen
Betriebsformen werden im Folgenden anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Der
jeweilige Wandler 13 weist entsprechend den 2 bis 4 zumindest
ein thermoelektrisches Wandlerelement 14 auf, von denen
in den 2 bis 4 jeweils nur eines vergrößert und
vereinfacht dargestellt ist. Es repräsentiert dadurch den Wandler 13.
Jedes Wandlerelement 14 bzw. der Wandler 13 weist
eine Warmseite 18 und ein Kaltseite 19 auf. Diese
stehen über
zwei unterschiedliche Materialien 20 bzw. 21 miteinander
in Verbindung, und zwar thermisch und elektrisch.
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Zum
Generieren von elektrischem Strom werden zwei elektrische Anschlüsse 22 des
jeweiligen Wandlerelements 14 bzw. des Wandlers 13 entsprechend 2 an
einen elektrischen Verbraucher angeschlossen, der hier durch U repräsentiert
ist. Des Weiteren wird die Warmseite 18 des Wandlers 13 mit
einer Wärmequelle 23 wärmeübertragend
gekoppelt, während
die Kaltseite 19 mit einer Wärmesenke 24 wärmeübertragend
gekoppelt wird. Auf diese Weise kann durch die Temperaturdifferenz
zwischen Wärmequelle 23 und
Wärmesenke 24 elektrischer
Strom generiert werden, der an den Anschlüssen 22 abgreifbar
ist. Als Wärmequelle 23 eignet
sich insbesondere die aufgeladene Frischluft. Als Wärmesenke 24 eignet
sich zum Beispiel der Kühlkreis 12 oder
der Kühlkreis 12' oder die Umgebung 16 der Frischluftleitung 5 oder
eine Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11. Beim Generieren
von elektrischem Strom wird über
den Wandler 13 bzw. über
die Wandlerelemente 14 Wärme von der Warmseite 18 zur Kaltseite 19 transportiert,
wodurch der Wärmequelle 23 Wärme entzogen
wird und der Wärmesenke 24 zugeführt wird.
Mit anderen Worten, beim Generatorbetrieb gemäß 2 kann der
aufgeladenen Frischluft passiv Wärme
entzogen werden, wodurch die aufgeladene Frischluft passiv gekühlt wird.
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Wenn
nun eine aktive Kühlung
der aufgeladenen Frischluft realisiert werden soll, kann gemäß 3 der
Wandler 13 bzw. das jeweilige Wandlerelement 14 so
bestromt werden, dass sich ein Wärmetransport
von der Kaltseite 19 zur Warmseite 18 einstellt.
Die Bestromung ist durch I und einen entsprechenden Stromrichtungspfeil
angedeutet. Durch wärmeübertragende
Kopplung der Kaltseite 19 mit der zu kühlenden Wärmequelle 23, bei
der es sich dann wieder um die aufge ladene Frischluft handelt, kann
diese aktiv gekühlt
werden. Ferner wird über
die Wärmesenke 24 die
Wärme an
der Warmseite 18 abgeführt. Bei
der Wärmesenke 24 kann
es sich wieder um die Umgebung 16 der Frischluftleitung 5,
die Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11, um den Kühlkreis 12 oder um
den Kühlkreis 12' handeln. Diese
aktive Kühlung unterstützt dabei
die Kühlwirkung
des Ladeluftkühlers 11 und
erhöht
die Effektivität
der Ladeluftkühlung.
Bemerkenswert ist bei dieser Verschaltung, dass sich durch die Bestromung
mit dieser Stromrichtung die Positionen von Warmseite 18 und
Kaltseite 19 im Unterschied zur passiven Kühlung bzw.
zum Generatorbetrieb umgekehrt haben.
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Entsprechend 4 kann
nun bei umgekehrter Polung der Bestromung auch ein Heizbetrieb realisiert
werden, mit dessen Hilfe elektrische Energie in Wärme umgewandelt
wird. Hierzu wird das Wandlerelement 14 bzw. der Wandler 13 so
bestromt, dass sich die Orientierung von Warmseite 18 und
Kaltseite 19 mit Bezug auf die aktive Kühlung gemäß 3 umkehrt.
Auf diese Weise kann Wärme von
der Warmseite 18 auf die aufgeladene Frischluft übertragen
werden, die dann als Wärmesenke 24 dient.
Gleichermaßen
wird hierbei über
die Kaltseite 19 der jeweiligen Wärmequelle 23 Wärme entzogen. Bei
dieser Wärmequelle 23 kann
es sich dann um den Kühlkreis 12,
den Kühlkreis 12', die Umgebung 16 der
Frischluftleitung 5 oder die Umgebung 25 des Ladeluftkühlers 11 handeln.
Ein derartiger Zuheizbetrieb kann beispielsweise dann zum Einsatz
kommen, wenn die Brennkraftmaschine 1 bzw. ihr Verbrennungsmotor 2 bei
einem Kaltstart möglichst rasch
auf Betriebstemperatur gebracht werden soll.
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In
den hier gezeigten Beispielen ist der jeweilige thermoelektrische
Wandler 13 bzw. sein zugehöriges Wandlerelement 14 jeweils
direkt mit der jeweiligen Wärmequelle 23 bzw.
mit der jeweiligen Wärmesenke 24 verbunden.
Es ist jedoch auch eine Ausführungsform
denkbar, bei der zur wärmeübertragenden
Kopplung geeignete Wärmeleitmaterialien
oder Wärmeleiteinrichtungen
verwendet werden, um eine indirekte wärmeübertragende Kopplung zwischen Wandler 13 bzw.
Wandlerelement 14 und Wärmequelle 23 bzw.
Wärmesenke 24 zu
realisieren. Beispielsweise kann hierzu zumindest ein Wärmeleitrohr,
sogenanntes „Heat
Pipe” verwendet
werden. Durch die Verwendung einer derartigen indirekten wärmeübertragenden
Kopplung ist es insbesondere möglich,
die jeweilige Wärmequelle 23 bzw.
die jeweilige Wärmesenke 24 vom
jeweiligen Wandler 13 bzw. Wandlerelement 14 räumlich zu
trennen, was Montagevorteile bringen kann.
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Die
einzelnen Wandlerelemente 14 können bevorzugt als Peltier-Elemente
ausgestaltet sein. Diese sind aus der Kühltechnik allgemein bekannt und
können
vergleichsweise preiswert realisiert werden.
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Durch
den hier vorgeschlagenen Aufbau für die Brennkraftmaschine 1 kann
die im Kraftstoff vorhandene Energie besser ausgenutzt werden, indem die
Verlustwärme
der Ladeluft über
die thermoelektrischen Wandler 13 bzw. die thermoelektrischen
Elemente 14 genutzt wird. Der jeweilige Wandler 13 bzw. die
zugehörigen
Wandlerelemente 14 sind in der Frischluftanlage 4 der
Brennkraftmaschine 1 so angeordnet, dass sie zum einen
die Funktionen der Kühlung
und Aufheizung der Ladeluft und zum anderen das Erzeugen einer Thermospannung
und somit von elektrischer Energie realisieren können. Die thermoelektrischen
Wandlerelemente 14 können – wie gesagt – als Peltier-Elemente
geschaltet werden, so dass sie aktiv zur Kühlung der Ladeluft beitragen.
Die Wärme,
die dabei auftritt, kann zum Beispiel über das Kühlmittel abgeführt werden.
Dabei kann grundsätzlich
sowohl ein flüssiges
Kühlmittel
als auch ein gasförmiges
Kühlmittel,
wie beispielsweise Luft, verwendet werden. Die thermoelektrischen
Wandlerelemente 14 können
im Ladeluftkühler 11 als
thermoelektrischer Generator betrieben werden. Hierbei kann die Temperaturdifferenz
zwischen Ladeluft und Kühlmittel
als Thermospannung genutzt werden. Die wärmere Ladeluft dient dabei
als Wärmequelle,
während das
Kühlmittel
dann als Wärmesenke
dient. Ferner kön nen
die thermoelektrischen Wandlerelemente 14 zum Aufheizen
der Ladeluft bei einem Kaltstart verwendet werden, um Emissionen
gering zu halten oder zu verringern. Die thermoelektrischen Elemente 14 können sowohl
innerhalb des Ladeluftkühlers 11, als
auch außerhalb
des Ladeluftkühlers 11 sowie
an oder in der zum Ladeluftkühler 11 führenden
Frischluftleitung 5 angeordnet sein. Darüber hinaus
ist es grundsätzlich
möglich,
den jeweiligen Wandler 13 bzw. die Wandlerelemente 14 auf
geeignete Weise mit anderen Fahrzeugbauteilen wärmeübertragend zu koppeln, wie
zum Beispiel Karosseriebauteile oder ein Unterboden des Fahrzeugs,
wodurch die Wärme
von der Wärmesenke 24 abgeleitet
werden kann.