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Die
Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung, insbesondere
für Verbrennungskraftmaschinen,
mit einem zwischen Motor und Abgaskatalysator vorgesehenen, abgasführenden
Abschnitt, der eine Wandung aufweist.
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Solche
Abgasbehandlungsvorrichtungen sind insbesondere in Kraftfahrzeugen
eingebaut. Hierbei gibt es inzwischen Konzepte, die Wärme des Abgases
zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Dies wird durch
sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG) ermöglicht.
Die Menge der durch das heiße
Abgas erzeugten elektrischen Energie hängt insbesondere von der Temperaturdifferenz zwischen
der sogenannten Heißseite
und der entgegengesetzten Kaltseite des thermoelektrischen Generators
ab. Je größer die
Temperaturdifferenz ist, umso größer ist
der Wirkungsgrad dieser Elemente. Darüber hinaus hängt der
Wirkungsgrad auch von der Absoluttemperatur auf der Heißseite ab.
Auch hier sind hohe Temperaturen vorteilhaft. Um die Temperaturdifferenz
zu erhöhen,
gibt es Vorschläge,
die Kaltseite an einen Flüssigkeitskühlkreislauf
anzukoppeln, der eventuell Teil des Kühlkreislaufes des Fahrzeugs
sein kann.
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Die
elektrische Energieerzeugung sollte über den gesamten Fahrbetrieb
ermöglicht
werden. Hierbei wird in den Labortests der sogenannte NEDC-Fahrzyklus
als Standard-Ausgangspunkt für
die Tests und Analysen herangezogen.
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Das
Problem bei der Anordnung der thermoelektrischen Generatoren, die
meist als vorgefertigte, plattenförmige Einheiten nebeneinander
an einer Wand anliegen, besteht darin, dass hohe Abgastemperaturen
insbesondere im motornahen abgasführenden Abschnitt der Abgasleitung
vorhanden sind. Die hohen Temperaturen wären zwar für eine hohe elektrische Energieausbeute
vorteilhaft und sorgen für
die schnelle Aufheizung des Abgaskatalysators. Dieser soll beim
Kaltstart möglichst
schnell seine Betriebstemperatur erreichen, um seine Katalysatorwirkung
erzielen zu können.
Ein thermoelektrischer Generator jedoch, der stromaufwärts des
Katalysators angebracht wäre,
verzögert
dieses Aufheizen, sodass eine solche Anordnung nicht verwirklichbar
ist.
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Aus
diesem Grund wird bislang die Anordnung stromabwärts des Katalysators näher untersucht.
Um hier eine ausreichende Energieausbeute zu erzielen, wird versucht,
eine möglichst
hohe Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite zu erzielen,
was durch eine vorteilhafte Flüssigkeitskühlung auf
der Kaltseite erreicht werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Abgasbehandlungsvorrichtung zu schaffen,
die einerseits einfach aufgebaut ist und andererseits einen ausreichend
hohen Ertrag an elektrischer Energie durch die Verwendung von thermoelektrischen
Generatoren im NEDC-Fahrbetrieb ermöglicht.
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Dies
wird bei einer Abgasbehandlungsvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch erreicht, dass an der Wandung stromaufwärts des
Abgaskatalysators wenigstens ein thermoelektrischer Generator vorgesehen
ist, der eine der Wandung zugewandte Heißseite und eine entgegengesetzte
Kaltseite hat, und dass der thermoelektrische Generator eine Wärmestromdichte
zwischen Heiß-
und Kaltseite von weniger als 15 W/cm2 aufweist.
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Die
Erfindung sieht eine Anordnung des thermoelektrischen Generators
stromaufwärts
des Abgaskatalysators vor, was bislang bezüglich der Abgaswerte als stark
nachteilig angesehen wurde. Die Erfindung schlägt jedoch vor, thermoelektrische
Generatoren zu verwenden, die eine Art Isolationswirkung haben,
indem sie eine niedrige Wärmestromdichte
besitzen. Das bedeutet, der Wärmeverlust durch
die Verwendung der thermoelektrischen Generatoren ist gering. Dies
erlaubt es, die hohen Temperaturen im motornahen Abgasstrang zu
nutzen, ohne die Aufheizung des stromabwärtigen Katalysators unnötig stark
zu verzögern.
Die Erfindung weicht also bewusst vom bisherigen Weg ab, thermoelektrische Generatoren
mit hoher Wärmestromdichte
einzusetzen, um möglichst
hohe Mengen an elektrischer Energie zu erzeugen. Bei Versuchen und
Simulationen hat sich herausgestellt, dass die Verwendung der angesprochenen
thermoelektrischen Generatoren mit relativ geringer Wärmestromdichte
durch die Anwendung bei hoher Temperatur nach wie vor eine überraschend
hohe Ausbeute an elektrischer Energie ermöglicht.
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Bei
der vorliegenden Erfindung sind die „isolierenden” Generatoren
an der Haupt-Abgasleitung angeordnet, insbesondere ohne dass eine
Bypassabgasleitung für
die temporäre
Zu- oder Abschaltung der Generatoren vorgesehen wäre.
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Ferner
sind gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
keine separaten Zuheizvorrichtungen (zum Beispiel rein elektrisch
oder Wärmepumpen) zur
separaten Aufheizung des/der Katalysatoren vorgesehen, das heißt, diese
werden ausschließlich durch
das Abgas aus dem Motor selbst erwärmt.
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Die
Generatoren sind insbesondere permanent mit dem Abgasstrom thermisch
gekoppelt. Ein thermisch temporäres,
gesteuertes Zu- oder Abschalten oder Regulieren der Generatoren
ist nicht vorgesehen, zum Beispiel ein Zuschalten erst bei Erreichen
der vorgegebenen Katalysatorarbeitstemperatur.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform ist
die Wärmestromdichte
sogar geringer als 5 W/cm2.
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Die
angesprochenen Wärmestromdichten ändern sich
natürlich
je nach Fahrzustand und Abgastemperatur. Aus diesem Grund beziehen
sich die vorgenannten Daten auf den NEDC-Fahrzyklus.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
des thermoelektrischen Generators zwischen der Heiß- und der Kaltseite
sollte ≤ 2,5
W/m·K
betragen.
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Der
Abgaskatalysator, vor dem der oder die thermoelektrischen Generatoren
angeordnet sind, ist vorzugsweise der Haupt-Katalysator in der gesamten Abgasleitung.
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Natürlich kann
es auch vorteilhaft sein, einen sogenannten Vor-Katalysator in der
Abgasleitung vorzusehen.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform liegen
der oder die thermoelektrischen Generatoren vor dem ersten in Strömungsrichtung
nach dem Motor sitzenden Katalysator, das heißt möglichst motornah.
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Eine
andere Ausführungsform
sieht dagegen vor, dass der thermoelektrische Generator zwischen dem
Vor- und dem Haupt-Katalysator angeordnet ist, sodass der Vor-Katalysator
keinerlei Temperaturreduzierung durch Einsatz der thermoelektrischen
Generatoren erleidet.
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Natürlich könnten auch
vor dem Vor-Katalysator und nach demselben thermoelektrische Generatoren
eingesetzt werden.
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Die
thermoelektrischen Generatoren werden insbesondere bereits am Abgaskrümmerrohr,
eines Krümmer-Hitzeschildes
und/oder einem Abgasrohr angeordnet.
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Bevorzugt,
jedoch nicht zwingend, kontaktiert die Heißseite die Außenseite
der Wand des Abgaskrümmerrohrs,
eines Krümmer-Hitzeschildes bzw.
des Abgasrohres unmittelbar.
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Die
Wand, an der der oder die thermoelektrischen Generatoren sitzen,
muss natürlich
keine Rohrwand sein. Es ist auch möglich, dass die Wand Teil eines
Turboladergehäuses
oder die Außenwand des
Vor-Katalysators ist. Die bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor,
dass die Wand Teil eines abgasführenden
Rohres ist, an dessen Innenseite das Abgas entlangströmt und an
dessen Außenseite unmittelbar
der thermoelektrische Generator angebracht ist.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Kaltseite des thermoelektrischen Generators
ohne einen angrenzenden Kühlkreislauf
ausgeführt
ist. Der Aufwand für
eine aktive Kühlung
ist damit nicht vorhanden.
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Natürlich wäre eine
solche aktive Kühlung durch
Koppelung der Kaltseite mit einem Flüssigkeitskreislauf möglich. Hierbei
wäre es
besonders vorteilhaft, wenn die aktive Kühlung in der Anlaufphase des
Motors ausgeschaltet werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug
genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung,
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2 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung,
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3 eine
schematische Ansicht, im Schnitt, durch den Abschnitt der Abgasbehandlungsvorrichtung
nach den vorhergehenden Figuren, in dem ein thermoelektrischer Generator
vorgesehen ist,
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4 ein
Diagramm, das Daten über
den NEDC-Fahrzyklus bei einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
der Erfindung zeigt, die an einen Fahrzeug-Verbrennungsmotor angeschlossen
ist,
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5 ein
Diagramm, das die Abgastemperatur im Fahrzyklus bei verschiedenen
thermoelektrischen Generatoren in der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
zeigt,
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6 ein
Diagramm, das den Temperaturabfall im Abgas im NEDC-Fahrzyklus bei
Verwendung unterschiedlicher thermoelektrischer Generatoren in der
erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
zeigt, und
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7 ein
Diagramm, das bei der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
im NEDC-Fahrzyklus die Wärmestromdichten
zwei verschiedener thermoelektrischer Generatoren zeigt.
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In 1 ist
ein Motor 10 einer Verbrennungskraftmaschine, genauer gesagt
ein Kfz-Verbrennungsmotor 10 dargestellt. An den Motor 10 ist eine
Abgasbehandlungsvorrichtung 12 angeflanscht.
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Die
Abgasbehandlungsvorrichtung 12 umfasst einen Abschnitt 14,
hier u. a. einen Krümmerabschnitt 14,
einen Abgaskatalysator 16 und ein stromabwärtiges Abgasrohr 18.
Zusätzliche
Bauteile wie Abgasturbolader, Abgasrückführungsleitungen und Klappen
etc. können
vorgesehen sein, sind zur Vereinfachung jedoch nicht dargestellt.
Der Krümmerabschnitt 14 umfasst
mehrere, mit unterbrochenen Linien dargestellte Krümmerrohre 20 sowie
ein die Krümmerrohre 20 umschließendes Hitzeschild 22.
Das Hitzeschild 22 ist üblicherweise
ein mehrschaliges Blechteil, das an den Krümmerrohren 20 anliegen kann
oder mit einem geringen Luftspalt von diesen beabstandet ist.
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Vorzugsweise
zwischen dem Hitzeschild 22 und den Krümmerrohren 20 ist
eine Vielzahl von thermoelektrischen Generatoren 24 angebracht,
wie dies in 3 näher gezeigt ist.
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Die
Generatoren 24 liegen mit ihrer Heißseite 26 am entsprechenden
Krümmerrohr 20 an.
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Gemäß einer
möglichen
Ausgestaltung kontaktiert die Kaltseite 28 das Hitzeschild 22.
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Die
thermoelektrischen Generatoren 24 sind vorgefertigte, meist
rechteckige, plattenförmige
Gebilde. Die thermoelektrischen Generatoren 24 werden üblicherweise
nicht auf Maß gefertigt,
sondern sind Zukaufteile in Einheitsgröße, sodass man möglichst
viele dieser Generatoren möglichst
nahe aneinander anordnet, um eine möglichst große Oberfläche der Krümmerrohre 20 zu bedecken.
Die elektrischen Anschlüsse
der thermoelektrischen Generatoren 24 sind zur Vereinfachung
weggelassen.
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In 3 ist
zu sehen, dass die thermoelektrischen Generatoren 24 eine
Heißseite 26 und
eine entgegengesetzte Kaltseite 28 besitzen, dies sind
die der angrenzenden Wand (hier dem Krümmerrohr 20) bzw.
dem Hitzeschild 22 zugewandten großflächigen Seiten.
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Möglich wäre es, den
Krümmer
samt Rohren 20, Generatoren 24 und Hitzeschild 22 als
vormontierte Baueinheit auszubilden.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform liegt
die Heißseite 26 unmittelbar
auf der angrenzenden, im Betrieb extrem heiß werdenden Wand an.
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Der
Begriff „Wand” bezeichnet
dasjenige Teil, das für
die Erwärmung
der Heißseite 26 zuständig ist
und unmittelbar an die Heißseite 26 angrenzt und
vorzugsweise Teil der Abgasleitung ist. Alternativ hierzu können die
Generatoren 24 auch direkt mit dem Abgas in Kontakt kommen,
zum Beispiel auf der Rohrinnenseite liegen. Eine weitere Option
der Anordnung der Generatoren 24 wäre an einem Trichter eines
Katalysators.
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Die
Wand selbst ist jedoch funktionaler Bestandteil der Abgasbehandlungsvorrichtung,
gehört also
zum Krümmerrohr 20 oder
einem anderen, im Abgasstrang vorhandenen Teil.
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Wie
in den 1 und 3 zu sehen, wird die Kaltseite 28 über die
Außenatmosphäre gekühlt. Eine
aktive Kühlung,
insbesondere Flüssigkeitskühlung, ist
vorzugsweise nicht vorgesehen. Das Hitzeschild 24 kann
Kühlrippen 38 aufweisen.
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Wie
in 1 anhand der Lage der thermoelektrischen Generatoren 24 zu
sehen ist, sind diese stromaufwärts
des Katalysators 16 zwischen dem Motor und dem Katalysator 16 angeordnet.
Der Katalysator 16 ist der Haupt-Katalysator, gegebenenfalls der
einzige Katalysator.
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Es
ist keine Bypassleitung stromaufwärts oder im Bereich der Generatoren 24 für das Abgas vorgesehen,
sodass die Generatoren 24 im Bereich der Leitungen liegen,
die das gesamte Motorabgas führen.
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Die
Generatoren 24 sind auch permanent gleichbleibend mit dem
Abgasstrom thermisch gekoppelt. Ein zuschaltbares Wärmeübertragungsmittel zwischen
Abgasstrom und Generatoren 24 ist nicht vorgesehen.
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Im
Gegensatz zur ersten weist die Ausführungsform nach 2 nicht
nur den Haupt-Katalysator 16, sondern auch einen Vor-Katalysator 32 auf. Ferner
sind die thermoelektrischen Generatoren 24 stromaufwärts des
in Strömungsrichtung
ersten Katalysators (hier Vor-Katalysators 32) positioniert.
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Alternativ
könnten
die thermoelektrischen Generatoren auch stromabwärts des Vor-Katalysators 32 und
stromaufwärts
des Haupt-Katalysators 16, zum Beispiel an einem Abgasrohr 34,
angeordnet sein. Diese thermoelektrischen Generatoren sind mit dem
Bezugszeichen 24' versehen.
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Es
kann in diesem Zusammenhang sehr sinnvoll sein, nur die thermoelektrischen
Generatoren 24' vorzugsehen,
nicht die im Krümmerbereich liegenden
Generatoren 24, um die Abgastemperatur vor dem Vor-Katalysator 32 nicht
durch die thermoelektrischen Generatoren 24 zu reduzieren.
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Die
thermoelektrischen Generatoren 24, 24' haben eine
Wärmestromdichte
zwischen Heiß-
und Kaltseite 26, 28, die kleiner als 15 W/cm2, vorzugsweise kleiner als 5 W/cm2 ist. Thermoelektrische Generatoren 24, 24' mit solchen
Wärmestromdichten sind
im Vergleich zu bisher bei Abgasbehandlungsvorrichtungen eingesetzte
Generatoren fast als isolierend anzusehen. Das bedeutet, die abgeführte Wärmemenge
im Betrieb ist eher gering und führt nicht
zur starken Abkühlung
des Abgases, insbesondere beim Kaltstart.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
der thermoelektrischen Generatoren 24, 24' zwischen Heiß- und Kaltseite 26, 28 ist ≤ 2,5 W/m·K.
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Mit
den in den 1 und 2 gezeigten Abgasbehandlungsvorrichtungen
können
im normalen Fahrbetrieb elektrische Leistungen von mehreren hundert
Watt erzeugt werden.
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Eine
Flüssigkeitskühlung kann
aber optional vorgesehen sein, insbesondere im Unterbodenbereich
und weiter insbesondere in Kombination mit den gezeigten, nicht
aktiv gekühlten
Generatoren.
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In 3 ist
deshalb exemplarisch mit unterbrochenen Linien ein Leitungsabschnitt 30 eines Flüssigkeitskühlkreislaufes
angedeutet. Die nach links führenden
Pfeile sollen die Kühlflüssigkeit
symbolisieren, der zentrale, nach rechts gerichtete Pfeil symbolisiert
das heiße
Abgas. Die Ausbeute an elektrischer Energie lässt sich steigern, wenn stromaufwärts der
Katalysatoren 16 und/oder 32 die vorgenannten „isolierenden” Generatoren
eingesetzt werden, stromabwärts
aber eine deutlich höhere
Wärmestromdichte
aufweisende Generatoren 24'' (siehe 1 und 2).
Diese Generatoren 24'' haben Wärmestromdichten > 10 W/cm2 und
sind luft- und/oder flüssigkeitsgekühlt.
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In
den nachfolgenden Diagrammen ist die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung
anhand von zwei verschiedenen thermoelektrischen Generatoren 24, 24' dargestellt.
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In 4 ist
vorab zur Erläuterung
der NEDC-Fahrzyklus dargestellt, der über nahezu 1.200 Sekunden verläuft und
mit dem Kaltstart beginnt. Neben der Fahrgeschwindigkeit sind auch
der Massenstrom und die Abgastemperatur angegeben, die mit zunehmender
Zeit und zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ebenfalls zunehmen.
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5 zeigt
bei dem zuvor erläuterten
NEDC-Fahrzyklus die Abgastemperatur vor und nach demjenigen Bauteil,
an dem die thermoelektrischen Generatoren 24, 24' angebracht
sind (hier Hitzeschild 22). Dabei ist zu erkennen, dass
natürlich
auch ohne die Generatoren das Abgas geringfügig abgekühlt wird, da es in dem durchströmten Bauteil
zur Wärmeübertragung
nach außen
kommt. Mit den thermoelektrischen Generatoren 24 wird sich
die Abgastemperatur weiter verringern. Da die eingesetzten thermoelektrischen
Generatoren 24 aber keine extreme, bislang gewünschte Wärmestromdichte
besitzen, ist gerade im Kaltstartbereich die Temperaturreduzierung
durch diese thermoelektrischen Generatoren zu vernachlässigen.
Es werden zwei verschiedene thermoelektrische Generatoren 24, 24' betrachtet, nämlich einerseits
Generatoren, die einen Wärmeübergangskoeffizienten
von 80 und andererseits von 150 W/m2 K liefern,
und zwar bezogen auf die Wärmeleitung
vom Abgas zur Wand, weiter zum Generator 24 und schließlich über eine
Wand wie dem Hitzeschild 22 zur kühlenden Luft.
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In 6 ist
der Temperaturabfall durch Einsatz der thermoelektrischen Generatoren
beim NEDC-Fahrzyklus klarer zu erkennen. Im Kaltstartbereich sind
lediglich Temperaturreduzierungen von etwa 2°C zu erwarten, sodass keine
entscheidende Verzögerung
bei der Erwärmung
des Katalysators 16 auftritt.
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7 zeigt
die Wärmestromdichte
der eingesetzten Generatoren 24, 24'. Hier ist zu erkennen, dass diese
Generatoren eine sehr geringe Wärmestromdichte
im Betrieb zeigen, nämlich
eindeutig unterhalb 15 W/cm2, auch vorzugsweise
unter 5 W/cm2.
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Die
eingesetzten Elemente haben sogar Werte unter 3 W/cm2 über den
gesamten NEDC-Fahrzyklus.