DE102009046331A1

DE102009046331A1 - Device for determining temperature profile of e.g. particulate filter in exhaust gas duct of internal-combustion engine of motor vehicle, has tap provided between elements of thermoelectric generator to determine electrical voltage

Info

Publication number: DE102009046331A1
Application number: DE102009046331A
Authority: DE
Inventors: Udo Schulz; Klaus Ries-Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2011-05-05

Abstract

The device has a thermoelectric generator (10) attached to an exhaust gas purification system (3), where the thermoelectric generator includes multiple thermoelectric elements (12-16) that are connected in series. A tap is provided between the thermoelectric elements of the thermoelectric generator to determine an electrical voltage. The thermoelectric elements are arranged at a part in an interior of the exhaust gas purification system. The thermoelectric generator is connected with a voltage supply.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Temperaturprofils in einer Abgasreinigungsanlage in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, wobei an der Abgasreinigunganlage ein aus mehreren in Serie geschalteten thermoelektrischen Elementen bestehender thermoelektrischer Generator angebracht ist.The invention relates to a device for determining a temperature profile in an exhaust gas purification system in an exhaust passage of an internal combustion engine, wherein on the exhaust gas purification system consisting of a plurality of series-connected thermoelectric elements existing thermoelectric generator.

Stand der TechnikState of the art

Abgasreinigungsanlagen für Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge dienen der katalytischen Umsetzung unerwünschter gasförmiger Bestandteile oder der Rückhaltung fester Partikel im Abgas, wobei diese Partikelfilter bei Bedarf freigebrannt werden müssen. In beiden Fällen ist eine gewisse Mindest-Temperatur zur bestimmungsgemäßen Funktion erforderlich. Andererseits dürfen materialabhängige Höchst-Temperaturen nicht überschritten werden, um die Lebensdauer des Bauteils nicht zu beeinträchtigen. Es ist daher erforderlich, die Temperatur der Bauteile im Betrieb zu überwachen. Nach dem Stand der Technik werden hierzu ein oder mehrere Temperaturfühler an der Abgasreinigungsanlage angebracht.Exhaust gas purification systems for internal combustion engines for motor vehicles are used for the catalytic conversion of unwanted gaseous components or the retention of solid particles in the exhaust gas, these particulate filters must be burned if necessary. In both cases, a certain minimum temperature for proper function is required. On the other hand, material-dependent maximum temperatures must not be exceeded in order not to impair the service life of the component. It is therefore necessary to monitor the temperature of the components during operation. According to the prior art, one or more temperature sensors are attached to the exhaust gas purification system for this purpose.

Im Rahmen einer Verbesserung der Nutzung der Energie der Brennstoffe für Kraftfahrzeuge wird eine Nutzung der in den heißen Abgasen enthaltenen Energie angestrebt. Eine Option sind thermoelektrische Generatoren, die an Bauteilen im Abgaskanal der Brennkraftmaschinen angebracht werden. Thermoelektrische Generatoren nutzen die Erzeugung von Spannungsdifferenzen aufgrund des Seebeck-Effekts an Halbleitermaterialien wie Bi₂Te₃, PbTe, SiGe, BiSb, FeSi₂ wenn zwei Bereiche eines Körpers aus einem solchen Halbleitermaterials unterschiedlichen Temperaturen haben. Bei vorgegebener Temperaturdifferenz hängt die Spannungsdifferenz dabei vom Seebeck-Koeffizienten des Materials ab, der durch dotieren des Halbleitermaterials beeinflusst werden kann. Zur Erreichung praktisch nutzbarer Spannungen werden thermoelektrische Elemente in einem thermoelektrischen Generator in Serie geschaltet. Hierbei werden abwechselnd p-dotierte und n-dotierte Materialien für die Elemente verwendet, so dass sich die Spannungen addieren. Die an einem thermoelektrischen Element auftretenden Spannung ist weitgehend proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dessen Enden.As part of an improvement in the use of energy from fuels for motor vehicles, the aim is to use the energy contained in the hot exhaust gases. One option is thermoelectric generators, which are attached to components in the exhaust passage of the internal combustion engine. Thermoelectric generators use the generation of voltage differences due to the Seebeck effect on semiconductor materials such as Bi ₂ Te ₃ , PbTe, SiGe, BiSb, FeSi ₂ when two regions of a body of such a semiconductor material have different temperatures. At a given temperature difference, the voltage difference depends on the Seebeck coefficient of the material, which can be influenced by doping the semiconductor material. To achieve practically usable voltages, thermoelectric elements in a thermoelectric generator are connected in series. In this case, alternately p-doped and n-doped materials are used for the elements, so that the voltages add up. The voltage occurring at a thermoelectric element is largely proportional to the temperature difference between its ends.

Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen ist, dass Temperaturfühler eingesetzt werden, die zusätzliche Kosten verursachen.A disadvantage of the known devices is that temperature sensors are used, which cause additional costs.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welcher die Temperatur in einer Abgasreinigungsanlage während des Betriebs überwacht werden kann.It is an object of the invention to provide a device with which the temperature in an exhaust gas purification system can be monitored during operation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zwischen zumindest zwei Elementen des thermoelektrischen Generators ein Abgriff zur Bestimmung einer elektrischen Spannung vorgesehen ist. Da die von einem thermoelektrischen Element erzeugte Spannung weitgehend proportional der Temperaturdifferenz über dem Element ist, kann über die Spannungsabgriffe das Temperaturprofil in Längsrichtung der Abgasreinigungsanlage bestimmt werden, wenn der thermoelektrische Generator entsprechend angeordnet ist. Der Spannungsabgriff erfolgt dabei hochohmig im Vergleich zum Innenwiderstand der thermoelektrischen Elemente um die Spannungsbestimmung nicht zu verfälschen. In einer vereinfachten Ausführung können nur die von außen auf der kalten Seite angebrachten Verbindungen zwischen den thermoelektrischen Elementen mit Abgriffen versehen sein. Hierdurch wird zwar die Ortsauflösung halbiert, andererseits wird aber eine Kontaktierung und eine Führung von Leitern im Heißbereich des thermoelektrischen Generators vermieden. Es ist somit ohne zusätzliche Vorrichtungen möglich, das Temperaturprofil der Abgasreinigungsanlage zu bestimmen; Zusatzkosten können somit vermieden werden.The object of the invention relating to the device is achieved in that a tap for determining an electrical voltage is provided between at least two elements of the thermoelectric generator. Since the voltage generated by a thermoelectric element is largely proportional to the temperature difference across the element, the temperature profile in the longitudinal direction of the emission control system can be determined via the voltage taps, if the thermoelectric generator is arranged accordingly. The voltage tap is thereby high impedance compared to the internal resistance of the thermoelectric elements in order not to falsify the voltage determination. In a simplified embodiment, only the externally mounted on the cold side connections between the thermoelectric elements can be provided with taps. As a result, although the spatial resolution is halved, but on the other hand, a contact and a leadership of conductors in the hot region of the thermoelectric generator is avoided. It is thus possible without additional devices to determine the temperature profile of the emission control system; Additional costs can be avoided.

Sind zumindest ein Teil der thermoelektrischen Elemente zu einem Teil im Innern der Abgasreinigungsanlage angeordnet, entspricht deren Temperatur am heißen Ende sehr genau der zu überwachenden Temperatur. Bei einem intakten Katalysator mit einer hohen Konvertierungsrate stellt sich unter sonst gleichen Randbedingungen wie Abgaszusammensetzung, Temperatur des Abgases beim Eintritt in die Abgasreinigungsanlage und Abgasmenge eine höhere Temperatur ein als bei einem bereits zonenweise geschädigten Katalysator. Im Falle eines Partikelfilters können beim Freibrennen lokale Überhitzungen auftreten, die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erkannt werden können. In einem solchen Fall kann das Freibrennen beendet werden.If at least some of the thermoelectric elements are arranged to a part in the interior of the emission control system, their temperature at the hot end corresponds very closely to the temperature to be monitored. With an intact catalyst with a high conversion rate, a temperature which is otherwise the same as exhaust gas composition, temperature of the exhaust gas when entering the exhaust gas purification system and exhaust gas quantity is higher than in the case of an already zone-damaged catalyst. In the case of a particulate filter, local overheating can occur during burn-off, which can be detected with the arrangement according to the invention. In such a case, burnout can be stopped.

Ist der thermoelektrische Generator mit einer Spannungsquelle verbindbar, kann im Fall einer sich andeutenden Überhitzung der Abgasreinigungsanlage mittels des Generators eine Kühlung bewirkt werden, indem die Spannungen so gepolt werden, dass die der Abgasreinigungsanlage zugewendete Seite über den Peltier-Effekt gekühlt wird. Durch die Abgriffe an den Verbindungsstellen der thermoelektrischen Elemente kann dies auch lokal gezielt bewirkt werden.If the thermoelectric generator can be connected to a voltage source, a cooling can be effected in the case of a suggestive overheating of the exhaust gas purification system by means of the generator by polarizing the voltages such that the side facing the exhaust gas purification system is cooled by the Peltier effect. By the taps at the junctions of the thermoelectric elements, this can also be effected locally targeted.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für Abgasreinigungsanlagen geeignet, die als ein Partikelfilter, ein Dreiwege-Katalysator oder als ein Stickoxid-Speicherkatalysator ausgebildet sind.The device according to the invention is suitable for emission control systems which are designed as a particle filter, a three-way catalytic converter or as a nitrogen oxide storage catalytic converter.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in FIGS. Show it:

1 einen thermoelektrischen Generator im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, 1 a thermoelectric generator in the exhaust passage of an internal combustion engine,

2 den thermoelektrischen Generator mit Wärmeleitkomponenten im Abgaskanal, 2 the thermoelectric generator with Wärmeleitkomponenten in the exhaust passage,

3 den thermoelektrischen Generator mit Abgriffen zur Bestimmung eines Temperaturprofils. 3 the thermoelectric generator with taps to determine a temperature profile.

1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einer in einem Abgaskanal 2 angeordneten Abgasreinigungsanlage 3. An der Abgasreinigungsanlage 3 ist ein thermoelektrischer Generator 10 so angebracht, dass eine Seite von den heißen Abgasen erhitzt wird, während die andere Seite zur Außenseite orientiert ist und eine niedrigere Temperatur aufweist. Hierdurch kann elektrische Energie aus der in dem Abgas enthaltenen Wärmenergie gewonnen werden. Der thermoelektrischer Generator 10 besteht aus einem ersten thermoelektrischen Element 12, einem zweiten thermoelektrischen Element 14, einem dritten thermoelektrischen Element 16 und gegebenenfalls weiteren thermoelektrischen Elementen. Das ersten thermoelektrische Element 12 und das zweite thermoelektrischen Element 14 sind an einer ersten Verbindungsstelle 13 elektrisch miteinander verbunden. Das zweite thermoelektrische Element 14 ist mit einer zweiten Verbindungsstelle 15 mit dem dritten thermoelektrischen Element 16 verbunden. Über eine dritten Verbindungsstelle 17 sind weitere thermoelektrische Elemente verbunden. Die Spannung des thermoelektrischen Generators 10 wird an einem ersten Anschluss 11 und einem zweiten Anschluss 18 abgenommen. Ist das erste thermoelektrische Element 12 ein p-dotierter Halbleiter entsteht an dessen kalter Seite, dem ersten Anschluss 11, der positive Pol des thermoelektrischen Generators 10. Für das zweite thermoelektrische Element 14 wird dann ein n-dotierter Halbleiter verwendet, für das dritte thermoelektrische Element 16 wieder ein p-dotierter Halbleiter um eine Addition der Spannungen zu erreichen. Der zweite Anschluss 18 ist der negative Pol des thermoelektrischen Generators 10. 1 schematically shows an internal combustion engine 1 with one in an exhaust duct 2 arranged emission control system 3 , At the emission control system 3 is a thermoelectric generator 10 mounted so that one side is heated by the hot exhaust gases while the other side is oriented to the outside and has a lower temperature. As a result, electrical energy can be obtained from the heat energy contained in the exhaust gas. The thermoelectric generator 10 consists of a first thermoelectric element 12 , a second thermoelectric element 14 a third thermoelectric element 16 and optionally further thermoelectric elements. The first thermoelectric element 12 and the second thermoelectric element 14 are at a first junction 13 electrically connected to each other. The second thermoelectric element 14 is with a second connection point 15 with the third thermoelectric element 16 connected. About a third connection point 17 Further thermoelectric elements are connected. The voltage of the thermoelectric generator 10 is at a first connection 11 and a second port 18 removed. Is the first thermoelectric element 12 a p-doped semiconductor is formed on its cold side, the first port 11 , the positive pole of the thermoelectric generator 10 , For the second thermoelectric element 14 Then, an n-doped semiconductor is used for the third thermoelectric element 16 again a p-doped semiconductor to achieve an addition of the voltages. The second connection 18 is the negative pole of the thermoelectric generator 10 ,

In 2 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezeichnern wie in 1 bezeichnet. An dem thermoelektrischen Generator 10 sind hier zusätzlich im Bereich des ersten thermoelektrischen Elements 12 ein erstes Wärmeleitelement 30, im Bereich des zweiten thermoelektrischen Elements 14 ein zweites Wärmeleitelement 31, im Bereich des dritten thermoelektrischen Elements 16 ein drittes Wärmeleitelement 32 sowie ein viertes Wämeleitelement 33 angebracht. Die Wärmeleitelemente 30, 31, 32, 33 sind aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt und ragen in den Innenraum der Abgasreinigungsanlage 3. Der thermoelektrische Generator 10 kann in dieser Ausführungsform eine größere Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite erreichen und daher eine größere elektrische Leistung bereitstellen. Ein mit den thermoelektrischen Elementen 12, 14, 16 bestimmtes Temperaturprofil gibt die Verhältnisse im Innern der Abgasreinigungsanlage genauer wieder als ohne die Wärmeleitelemente 30, 31, 32, 33.In 2 are the same components with the same identifiers as in 1 designated. At the thermoelectric generator 10 are here additionally in the range of the first thermoelectric element 12 a first heat conducting element 30 , in the region of the second thermoelectric element 14 a second heat conducting element 31 , in the region of the third thermoelectric element 16 a third heat conducting element 32 and a fourth Wämeleitelement 33 appropriate. The heat-conducting elements 30 . 31 . 32 . 33 are made of a material with good thermal conductivity and protrude into the interior of the emission control system 3 , The thermoelectric generator 10 In this embodiment, it may reach a greater temperature difference between the hot and cold sides and therefore provide greater electrical power. One with the thermoelectric elements 12 . 14 . 16 certain temperature profile gives the conditions in the interior of the emission control system exactly as without the heat-conducting elements 30 . 31 . 32 . 33 ,

In 3 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezeichnern wie in 1 bezeichnet. Der thermoelektrische Generator 10 ragt hier mit der der hohen Temperatur ausgesetzten Seite in die Abgasreinigungsanlage 3 hinein und ist so dem inneren Temperaturprofil stärker ausgesetzt als bei einer Anbringung nach 1, bei der der thermoelektrische Generator 10 mit der äußeren Oberfläche der Abgasreinigungsanlage 3 in thermischem Kontakt steht. Zur Bestimmung des Temperaturprofils der Abgasreinigunganlage 3 sind an der ersten Verbindungsstelle 13 ein fünfter Anschluss 21, an der zweiten Verbindungsstelle 15 ein vierter Anschluss 20 und an der dritten Verbindungsstelle 17 ein dritter Anschluss 19 vorgesehen. Über die Anschlüsse 11, 18, 19, 20 und 21 kann die Spannung an den thermoelektrischen Elementen 12, 14, 16 und damit deren jeweilige Temperaturdifferenz bestimmt werden. Liegen die der Außenseite zugewendeten Teile der thermoelektrischen Elemente 12, 14, 16 auf annähernd gleicher Temperatur und ist der thermoelektrische Generator 10 in Längsrichtung der Abgasreinigungsanlage 3 orientiert, kann so das Temperaturprofil in der Abgasreinigungsanlage 3 bestimmt werden. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass nur die auf der kalten Seite liegenden Verbindungsstellen, wie die zweite Verbindungsstelle 15, nach außen geführt werden. Das vermindert zwar die Ortsauflösung des Temperaturprofils, vereinfacht jedoch die Kontaktierung und Kabelführung, da nur im vergleichsweise kühlen Bereich Kabel geführt und isoliert werden müssen.In 3 are the same components with the same identifiers as in 1 designated. The thermoelectric generator 10 projects here with the high temperature exposed side in the emission control system 3 into and is thus exposed to the internal temperature profile stronger than when attached to 1 in which the thermoelectric generator 10 with the outer surface of the emission control system 3 is in thermal contact. For determining the temperature profile of the exhaust gas purification plant 3 are at the first junction 13 a fifth connection 21 at the second junction 15 a fourth connection 20 and at the third junction 17 a third connection 19 intended. About the connections 11 . 18 . 19 . 20 and 21 can the voltage at the thermoelectric elements 12 . 14 . 16 and thus their respective temperature difference are determined. Are the parts facing the outside of the thermoelectric elements 12 . 14 . 16 at approximately the same temperature and is the thermoelectric generator 10 in the longitudinal direction of the emission control system 3 oriented, so can the temperature profile in the emission control system 3 be determined. In one embodiment, it may be provided that only the cold side joints, such as the second joint 15 to be led outside. Although this reduces the spatial resolution of the temperature profile, but simplifies the contact and cable management, since only in the relatively cool area cables must be routed and isolated.

Claims

Device for determining a temperature profile in an emission control system ( 3 ) in an exhaust duct ( 2 ) an internal combustion engine ( 1 ), wherein at the exhaust gas purification plant ( 3 ) a plurality of series-connected thermoelectric elements ( 12 . 14 . 16 ) existing thermoelectric generator ( 10 ), characterized in that between at least two elements ( 12 . 14 . 16 ) of the thermoelectric generator ( 10 ) one Tap is provided for determining an electrical voltage.

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least a part of the thermoelectric elements ( 12 . 14 . 16 ) to a part inside the emission control system ( 3 ) are arranged.

Device according to claim 2, characterized in that the thermoelectric generator ( 10 ) is connectable to a voltage source.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the exhaust gas purification system ( 3 ) is formed as a particulate filter, a three-way catalyst or as a nitrogen oxide storage catalyst.

Application of a device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the emission control system ( 3 ) is formed as a particulate filter, a three-way catalyst or as a nitrogen oxide storage catalyst.