DE102010031554A1

DE102010031554A1 - Brennkraftmaschine mit einem thermoelektrischen Generator

Info

Publication number: DE102010031554A1
Application number: DE102010031554A
Authority: DE
Inventors: Boris MAZAR; Dr. Eder Andreas
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Brennkraftmaschine (1) mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) (2), der mit seiner Heißseite an einen Abgasstrang (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Kühlmittelkreislauf (4) aufweist, an den eine Kaltseite des TEG (2) angeordnet ist und wobei in dem Kühlmittelkreislauf (4), in Strömungsrichtung eines Kühlmittels vor dem TEG (2) ein Getriebeölwärmetauscher (5) angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann das Potential der Warmlaufbeschleunigung besonders gut ausgenutzt werden.

Description

Zur Wandlung der im Abgas enthaltenen thermischen Energie in elektrische Energie gibt es bereits eine große Anzahl von Patentveröffentlichungen. Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 063 173 A1 hingewiesen. Aus dieser ist ein thermoelektrischer Generator bekannt mit mindestens einer Wärmesenke, mindestens einer Wärmequelle, wobei die Summe der Anzahl von Wärmesenken und der Anzahl von Wärmequellen wenigstens 3 beträgt. Hierbei weist die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem Fluid auf mit mindestens zwei thermoelektrischen Modulen, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmequelle zumindest ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist.
Eine weitere technische Ausführung eines thermoelektrischen Generators sowie ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 063 196 A1 bekannt. Aus dieser ist ein thermoelektrischer Generator bekannt, umfassend mindestens eine Wärmesenke, mindestens eine Wärmequelle, mindestens ein thermoelektrisches Modul und mindestens eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke, der mindestens einen Wärmequelle und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls, wobei die mindestens eine Wärmesenke und die mindestens eine Wärmequelle parallel zueinander und – entlang einer Stapelachse gesehen – einander abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam einen Stapel bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmegrelle mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Dieser thermoelektrische Generator ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung mindestens ein unter Zugspannung stehendes Umgreifungselement umfasst, welches den Stapel zumindest abschnittsweise umschließt und eine zu der Stapelachse zumindest annähernd parallel gerichtete Druckkraft auf den Stapel ausübt.
Der Grundgedanke ist es stets, die Gesamtenergiebilanz eines Fahrzeugs oder zumindest einer Brennkraftmaschine mit Nebenaggregaten zu erhöhen, indem die Wärmeenergie des Abgases zur Stromerzeugung genutzt wird und somit der konventionelle Generator entlastet werden kann. Das Bauelement „Thermoelektrischer Generator” kann sehr stark auf die auftretenden Randbedingungen (z. B. Temperaturniveau des Abgases) angepasst werden, wodurch eine Leistungssteigerung erzielt werden kann. Dazu zählt die Auswahl des entsprechenden thermoelektrisch aktiven Materials, das Design der gasseitigen Wärmeübertragungsstruktur (z. B. Anzahl und Größe der Berippungen usw.) und auch der konkrete Aufbau des thermoelektrischen Moduls. Das Modul besteht dabei aus einer Abfolge von thermoelektrischen Schenkelpaaren (TE-Schenkelpaaren), die thermisch parallel (eine Seite heiß, die andere Seite kalt) und elektrisch seriell verschaltet sind. Ein thermoelektrischer Generator besteht wiederum aus einer Vielzahl solcher Module. Die bisherigen Aufbauten des gesamten thermoelektrischen Generators beruhen meist auf dem Prinzip einer planparallelen Grundstruktur und sich wiederholenden funktionalen Schichten, wie es oben bereits aus dem Stand der Technik beschrieben ist. Der Gesamtabgasmassenstrom kann beispielweise auf drei Heißgaswärmeübertrager aufgeteilt werden. Daran angrenzend sind die thermoelektrischen Module angebracht. Als Wärmesenke dient ebenfalls beispielhaft ein kühlmitteldurchflossener Wärmeübertrager.
Die Art der Kühlsystemeinbindung beeinflusst den Nutzen des thermoelektrischen Generators (Entlastung des normalen Generators, Senkung des Kraftstoffverbrauchs) in zweierlei Weise. Der Wandlungswirkungsgrad (der Anteil der Wärmenergie, der in elektrische Energie gewandelt wird) profitiert von einer möglichst geringen Kaltseitentemperatur der thermoelektrischen Module. Zusätzlich kann der aus dem Abgas entnommene und in das Kühlmittel übertragene Wärmestrom genutzt werden, um den Warmlauf des Antriebsstrangs zu beschleunigen (Prinzip Abgaswärmetauscher). Bei den bisher bekannten Versuchsträgern wurde der thermoelektrische Generator in einen separaten Kühlkreislauf integriert.
Nachteilig hierbei ist, dass das Potential der Warmlaufbeschleunigung dabei nicht genutzt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie das Potential der Warmlaufbeschleunigung zur weiteren Reduktion des Kraftstoffverbrauchs genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 bis 5 sind jeweils weitere Wirkungsgradverbesserungen des thermoelektrischen Generators möglich.
Der Fokus der vorliegenden Erfindung liegt auf der kühlmittelseitigen Integration des thermoelektrischen Generators und nicht auf der abgasseitigen Integration des thermoelektrischen Generators, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise die Lage des thermoelektrischen Generators, beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Katalysator oder im Katalysator usw..
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Potential der Warmlaufbeschleunigung besonders groß ist, sofern man den thermoelektrischen Generator in den Kühlmittelkreislauf des Getriebes, insbesondere eines Automatikgetriebes integriert. Der Grund liegt darin, dass das Getriebe aufgrund seiner geringeren Wärmekapazität eine geringere natürliche Aufheizrate als die Brennkraftmaschine besitzt. Als natürliche Aufheizrate wird der mittlere Temperaturtransient einer Komponente des Antriebsstrangs bezeichnet, der sich in einem unmodifizierten Fahrzeug bei einem kalt gestarteten Fahrzyklus ergibt. Zusätzlich ist die thermische Masse des Getriebes geringer als bei der Brennkraftmaschine, d. h., dass dieselbe übertragene Wärmemenge eine größere Temperaturerhöhung zur Folge hat. In 1 ist anschließend eine mögliche Variante dargestellt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem thermoelektrischen Generator.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit einem thermoelektrischen Generator 2. Allgemein bekannte elektrische Anschlüsse des thermoelektrischen Generators 2 sind nicht dargestellt. Die Brennkraftmaschine 1 weist sechs symbolisch durch Kreise dargestellte Zylinder 8 auf. Die Abgase aus den sechs Zylindern 8 münden in einen Abgasstrang 3, an den der thermoelektrische Generator 2 mit seiner Heißseite angeordnet ist. Weiter ist für die Brennkraftmaschine 1 ein ebenfalls bekanntes und daher nicht dargestelltes Getriebe vorgesehen, bei dem es sich bevorzugt um ein ölgekühltes Automatikgetriebe handelt. Zur Kühlung des Getriebes ist ein Getriebeölwärmetauscher 5 vorgesehen, der in einen Kühlmittelkreislauf 4 eingebunden ist. Ein Getriebeölzulauf und ein Getriebeölablauf sind nicht dargestellt. Eine Fließrichtung des Kühlmittels ist durch Pfeile symbolisch dargestellt. Der Getriebeölwärmetauscher 5, der thermoelektrische Generator 2 und eine Kühlmittelpumpe 7 in Verbindung mit einem Thermostat 6 bilden für sich gesehen einen kleinen Kühlmittelkreislauf 4', der Teil eines größeren, zur Brennkraftmaschine 1 zugehörigen Kühlmittelkreislaufes 4 ist.
Erfindungsgemäß ist in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem thermoelektrischen Generator 2 der Getriebeölwärmetauscher 5 angeordnet. Mit Hilfe des Thermostaten 6 ist es möglich, einen Kühlmittelvolumenstrom zu dem thermoelektrischen Generator 2 und zu dem Getriebeölwärmetauscher 5 einzustellen. Weiter ist für einen autarken Betrieb des kleinen Kühlmittelkreislaufs 4' die Kühlmittelpumpe 7 vorgesehen. Desweiteren ist in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kühlmittelkreislauf 4 ein Niedertemperaturkühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1, der im Folgenden näher erläutert wird.
Die Brennkraftmaschine 1 verfügt neben dem Niedertemperaturkühlmittelkreislauf über einen Hauptkühlmittelkreislauf 13, wie er für Brennkraftmaschinen mit seiner relativ hohen Temperatur (bis ca. 120°C) üblich ist. Von der Brennkraftmaschine kommend strömt das Kühlmittel, von einer Hauptkühlmittelpumpe 11 gefördert, zuerst in einen Hauptwärmetauscher 14 und dann weiter zu einem Hauptthermostatventil 10. im Anschluss an das Hauptthermostat 10 fördert die Hauptkühlmittelpumpe 11 das kühle Kühlmittel wieder zurück in die Brennkraftmaschine 1. Weiter fördert die Hauptkühlmittelpumpe 11 das kühle Kühlmittel in einen Motorölkühler 12 und nach diesem wieder zurück in den Hauptkühlmittelkreislauf 13.
Parallel zu dem Zweig zu dem Motorölkühler 12 fördert die Hauptkühlmittelpumpe 11 das kühle Kühlmittel auch in einen Wärmetauscher 9, der zu dem Niedertemperaturkühlmittelkreislauf 4 gehört. Die maximale Temperatur des Niedertemperaturkühlmittelkreislaufs 4 liegt typischerweise 10 bis max. 20 K unterhalb des Hauptkühlmittelkreislaufs 13 (je nach Auslegung des Wärmtauschers, d. h. Kühlfläche, Rohranzahl, Getriebegröße etc.). Nach dem Wärmetauscher 9 wird das Kühlmittel weiter zu dem Thermostat 6 gefördert und von dort – wie bereits oben beschrieben – durch den Getriebeölwärmetauscher 5 und weiter durch den thermoelektrischen Generator 2. Anschließend wird das warme Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf 4 zurückgepumpt in Richtung des Hauptthermostates 10.
Für einen Druck- und Volumenausgleich ist zwischen dem Hauptthermostat 10 und dem Hauptwärmetauscher 14 noch ein Ausgleichsbehälter 15 vorgesehen. Bei einigen konventionellen Fahrzeugen gibt es bereits – wie in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt – den zusätzlichen „Niedertemperaturkühler”, den Getriebeölkühler 5 für ein Getriebe, bevorzugt ein Automatikgetriebe, der von dem thermoelektrischen Generator 2 erfindungsgemäß mit genutzt werden kann. Hierzu wird der Niedertemperaturkühlerrücklauf zu einem kleinen thermoelektrischen Generator-/Getriebekreislauf, dem kleinen Kühlmittelkreislauf 4' geführt.
Mittels der Kühlmittelpumpe 7 zirkuliert das Kühlmittel nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 nur in dem kleinen Kühlmittelkreislauf 4'. Durch die geringe Kühlmittelmenge wärmt sich der kleine Kühlmittelkreislauf 4' schnell auf. Nach Überschreiten einer applizierbaren Kühlmitteltemperatur öffnet sich das Thermostat 6, so dass die Mischtemperatur zwischen dem kleinen Kühlmittelkreislauf 4' und dem kälteren Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 4 eine optimale Betriebstemperatur behält. Das Kühlmittel im kleinen Kühlmittelkreislauf 4' geht somit zurück zum Hauptthermostaten 10. Der Getriebeölwärmetauscher 5 sollte erfindungsgemäß dem thermoelektrischen Generator 2 vorgeschaltet sein, da die thermische Betriebssicherheit des Getriebes, insbesondere eines Automatikgetriebes im Auslegungsfall der Kühlung sichergestellt sein muss.
Der Volumenstrom des thermoelektrischen Generatorkreises bzw. kleinen Kühlmittelkreislaufes 4' kann zusätzlich variabel eingestellt werden. Der Druckabfall des Kühlmittels über den Getriebeölwärmetauscher 5 und dem thermoelektrischen Generator 2 hängt quadratisch von der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit ab. Bei einem niedrigen übertragenen Wärmestrom (d. h. bei einer niedrigen Abgastemperatur und -massenstrom bei niedriglastigen Brennkraftmaschinenbetriebspunkten) ist der benötigte Kühlmittelvolumenstrom gering. Um die elektrische Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe 7 zu minimieren, sollte der Kühlmittelvolumenstrom bedarfsgerecht geregelt werden.
Die beschriebene Integration des thermoelektrischen Generators in den kleinen Kühlmittelkreislauf 4', hat folgende Vorteile:

– Das Kühlmitteltemperaturniveau des Getriebes, insbesondere eines Automatikgetriebes, ist generell niedriger als die Temperatur vom Kühlmittelkreislauf 4 der Brennkraftmaschine 1. Von einer niedrigen Kühlmitteltemperatur profitiert der thermoelektrische Generator 2 wegen seines gesteigerten Wandlungswirkungsgrades.
– Die aus dem Abgas extrahierte Wärmeenergie kann für einen beschleunigten Warmlauf einer Antriebsstrangkomponente genutzt werden. Durch den kleinen Kühlmittelkreislauf 4', dem TEG-Kreislauf, wird das Getriebe, insbesondere das Automatikgetriebe (analog einem nicht dargestellten kleinen Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1) besonders schnell aufgewärmt. Danach übernimmt ein Getriebeölthermostat, das Thermostat 6, die Einstellung der optimalen Kühlmitteltemperatur im kleinen Kühlmittelkreislauf 4'.
– Bisher wird im Stand der Technik eine Getriebeölleitung vom Getriebe bis zum Getriebeölwärmetauscher 5, der üblicherweise in einem Motorraum angeordnet ist, geleitet. Eine Kühlmittelleitung ist in der Regel günstiger als eine Getriebeölleitung. Bei dem TEG-Kreislauf, dem kleinen Kühlmittelkreislauf 4', kann auf die teure Getriebeölleitung verzichtet werden, weil der thermoelektrische Generator 2 und das Getriebe bauräumlich nah zusammenliegen und eine Kühlmittelleitung für den thermoelektrischen Generator 2 sowieso bis in den mittleren Bereich des Unterbodens des Kraftfahrzeuges verlegt werden muss.

Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: thermoelektrischen Generator (TEG)
3: Abgasstrang
4: Kühlmittelkreislauf
4: kleiner Kühlmittelkreislauf
5: Getriebeölwärmetauscher
6: Thermostat
7: Kühlmittelpumpe
8: Zylinder
9: Wärmetauscher
10: Hauptthermostat
11: Hauptkühlmittelpumpe
12: Motorölkühler
13: Hauptkühlmittelkreislauf
14: Hauptwärmetauscher
15: Ausgleichsbehälter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007063173 A1 [0001]
DE 102007063196 A1 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine (1) mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) (2), der mit seiner Heißseite an einen Abgasstrang (3) der Brennkraftmaschine (1) angeordnet ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) einen Kühlmittelkreislauf (4) aufweist, an den eine Kaltseite des TEG (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf (4), in Strömungsrichtung eines Kühlmittels vor dem TEG (2) ein Getriebeölwärmetauscher (5) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf (4) ein Thermostat (6) vorgesehen ist, mit dem ein Kühlmittelvolumenstrom zu dem TEG (2) und zu dem Getriebeölwärmetauscher (5) einstellbar ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Thermostat (6) der Kühlmittelkreislauf (4) in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Getriebeölwärmetauscher (5) und nach dem TEG (2) Kühlmittel führend verbindbar ist, so dass ein kleiner Kühlmittelkreislauf (4') für den Getriebeölwärmetauscher (5) und den TEG (2) gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem kleinen Kühlmittelkreislauf (4`) eine Kühlmittelpumpe (7) anordenbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) ein Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf ist.