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Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Temperaturmanagement einer Abgasreinigungsanlage in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine wobei im Abgaskanal oder an der Abgasreinigungsanlage mindestens ein thermoelektrischer Generator angebracht ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Stand der Technik
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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 (TEG), 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 Halbleitermaterial unterschiedliche 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 auftretende Spannung ist weitgehend proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dessen Enden. Andererseits ist bekannt, dass durch Bestromung von thermoelektrischen Materialien Wärme erzeugt werden kann (Peltier-Effekt), womit ein Wärmepumpenbetrieb realisiert werden kann.
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Die prototypische Nutzung derartiger thermoelektrischer Generatoren im Fahrzeugbereich sowie ansatzweise ihre mögliche Integration in ein Thermomanagementsystem für den Abgaskanal sind u. a. in den Fachmagazinen MTZ (Ausgabe 4/2009) bzw. ATZ (Ausgabe 4/2010) beschrieben.
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Stand der Technik der Abgasnachbehandlung sind bei Ottomotoren Drei-Wege-Katalysatoren bei homogen mit λ = 1 betriebenen Motoren und NOx-Speicherkatalysatoren bei mager (λ > 1) betriebenen Motoren. Während der Drei-Wege-Katalysator ab einer Anspringtemperatur kontinuierlich arbeitet und je nach Einbauort (motornah oder motorfern) ggf. durch Kühlmaßnahmen vor Überhitzung geschützt werden muss, zeichnet sich der Speicherkatalysator durch diskontinuierliche Arbeitsweise (Wechsel von NOx-Einspeicherung und DeNOx- bzw. DeSOx-Regeneration) aus. Die verschiedenen Phasen dieses Betriebes stellen unterschiedliche thermische Anforderungen für ihre prinzipielle bzw. optimale Funktionsweise. So findet das Einspeichern von NOx im Magerbetrieb mit gutem Wirkungsgrad nur in einem mittleren Temperaturbereich von ca. 250 bis 400°C statt, während die beiden Regenerationsarten neben fetten Gemischbedingungen auch Mindesttemperaturen verlangen. Andererseits unterliegen diese Speicherkatalysatoren auch der thermischen Alterung, wenn ein weiteres Grenztemperaturniveau überschritten wird. Dies ist entsprechend zu vermeiden. Da der Magerbetrieb verbrauchsgünstiger als ein homogener Betrieb ist, ist die Ausdehnung des Magerbetriebsbereiches bei ausreichender Emissionsminderung durch den Speicherkatalysator angestrebt.
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Bei heutigen Dieselmotoren kommen Oxidationskatalysatoren, die in ihren Anforderungen den Drei-Wege-Katalysatoren vergleichbar sind, und die bei den Ottomotoren bereits genannten NOx-Speicherkatalysatoren zum Einsatz. Da der Dieselmotor mit Ausnahme der DeNOx-/DeSOx-Regeneration vorteilhaft nur mager betrieben werden kann, ist eine Optimierung des Einspeicherbereiches aus Emissionssicht ein Iohneswertes Ziel.
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Im Dieselmotor kommen zur Minderung der NOx-Emission alternativ zu den NOx-Speicherkatalysatoren auch SCR-Katalysatoren (SCR = Selektive katalytische Reduktion) zum Einsatz. Diese erfordern das Eindosieren eines Reduktionsmittels, in der Regel ein Harnstoff-Wasser-Gemisch, in den Abgasstrang vor dem SCR-Katalysator, damit ebenfalls wiederum in einem bestimmten Temperaturbereich eine kontinuierliche Reduktion der im Abgas enthaltenen NOx von statten gehen kann. Für die Optimierung des SCR-Betriebs ist dabei zusätzlich ein definiertes Verhältnis von NO2 zu NO günstig, das wiederum im stromaufwärts angeordneten Oxidationskatalysator bei entsprechenden Temperaturen eingestellt werden kann. Thermische Einschränkungen gibt es bei SCR-Systemen zusätzlich noch aufgrund der Randbedingung der Harnstoff-Wasser-Gemischaufbereitung im Abgas. Aufgrund der Gefahr von schwer löslichen Ablagerungen durch Wandauftrag bei niedrigen Abgastemperaturen kann die Zudosierung erst ab einer Mindesttemperatur erfolgen. Ebenso findet der Abbau von Ablagerungen bevorzugt in einem bestimmten Temperaturbereich statt.
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Dieselpartikelfilter (DPF) sind in vielen Fahrzeugmärkten bereits seit einiger Zeit Standard und weisen ebenfalls eine diskontinuierliche Arbeitsweise (Filtern/Regenerieren) auf, wobei insbesondere die Regeneration unter definierten thermischen Randbedingungen (Mindesttemperatur für den Rußabbrand und Vermeidung von thermischer Schädigung) abzulaufen hat. Für eine kontinuierliche Form der Regeneration ist das Zusammenspiel mit dem Oxidationskatalysator bei der Bildung von NO2 relevant, die ebenfalls bevorzugt in einem Temperaturbereich abläuft.
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Um diese vielschichtigen Anforderungen an die Abgasnachbehandlung von Otto- und Dieselmotoren zu erfüllen, sind umfangreiche motorische Steuerungsmaßnahmen für die Gemischbildung und zur Einstellung der thermischen Randbedingungen (Kühlen oder Heizen) als Stand der Technik in Fahrzeuganwendungen eingeführt, wie beispielsweise (Nach-)Einspritzstrategien, Anfettung des Gemischs, Androsselung oder Abgasrückführung (AGR). Zum Teil werden die Heizmaßnahmen auch durch Zusatzeinrichtungen (Brenner, elektrische Heizer) im Abgassystem dargestellt. Der Stand der Technik bezieht die Nutzung der thermoelektrischen Generatoren allerdings gar nicht oder nur unzureichend in die Betriebsstrategie der Abgasnachbehandlung mit ein.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem thermoelektrische Generatoren vollständig in das Thermomanagement von Abgasnachbehandlungsanlagen einbezogen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 gelöst.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einer Motorsteuerung der Brennkraftmaschine oder in einem separaten Steuergerät die Betriebsarten des thermoelektrischen Generators (TEG) in das Temperaturmanagement der Abgasreinigungsanlage einbeziehbar ist, wobei die erzielbare Heiz- oder Kühlleistung des thermoelektrischen Generators sowie die Kühlleistung seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung des thermoelektrischen Generators bei der Steuerung des Abgasstroms im Abgaskanal oder zur Steuerung der Abgasreinigungsanlage auswertbar und die Betriebsart des thermoelektrischen Generators sowie seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung vorgebbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Betriebsarten des thermoelektrischen Generators in das Temperaturmanagement der Abgasreinigungsanlage einbezogen werden, wobei die erzielbare Heiz- oder Kühlleistung des thermoelektrischen Generators sowie die Kühlleistung seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung des thermoelektrischen Generators bei der Steuerung des Abgasstroms im Abgaskanal oder zur Steuerung der Abgasreinigungsanlage berücksichtigt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und mit Hilfe der entsprechenden Vorrichtung ergeben sich insbesondere Verbesserungsmöglichkeiten hinsichtlich des Gesamtsystemaufbaus der Abgasreinigungsanlage, bei dem eine optimierte Einbaulage des thermoelektrischen Generators relativ zu den Komponenten der Abgasreinigungsanlage realisiert werden kann, und hinsichtlich einer vollständigen Einbeziehung aller Betriebsmöglichkeiten des thermoelektrischen Generators in das Thermomanagement aller Abgasnachbehandlungskomponenten. Vorteile ergeben sich dadurch, dass infolge der vollständigen Einbeziehung der TEG-Betriebsarten bei gleicher Funktion der Abgasreinigungsanlage verbrauchseffizienter gestaltet werden bzw. die Leistung des Abgasnachbehandlungssystems in Bezug auf die Emissionsminderung gesteigert werden kann. Durch diese Optimierung können ggf. Zusatzeinrichtungen zum Heizen/Kühlen ganz entfallen.
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Wird z. B. die Kühlleistung des thermoelektrischen Generators in einem Generatorbetrieb des thermoelektrischen Generators gezielt zur Reduktion der Temperatur oder zur Einhaltung eines bestimmten maximal zulässigen Temperaturniveaus im Abgaskanal bei bestimmten Betriebsarten der Brennkraftmaschine genutzt, kann in bestimmten Betriebsarten des Motors die Abgastemperatur auf ein niedrigeres Niveau gehalten werden, als dies in einem System ohne TEG unter identischen Fahrbedingungen der Fall wäre. Dadurch kann beispielsweise der Einspeicherbereich eines NOx-Speicherkatalysators hin zu höheren Lastbereichen ausgedehnt werden, wodurch sich Emissionsvorteile und, durch den in einem größeren Bereich möglichen Magerbetrieb bei einem Ottomotor, auch Verbrauchsvorteile ergeben. In ähnlicher Weise können katalytisch beschichtete Abgasnachbehandlungskomponenten vor thermischer Schädigung bewahrt werden. Beim Ottomotor kann ggf. eine Gemischanfettung zur Kühlung reduziert werden oder ganz entfallen. Dadurch ist ein Verbrauchvorteil gegeben. Indirekt ergibt sich durch den verbesserten thermischen Schutz eine Emissionsverbesserung über die Lebensdauer der Abgasreinigungsanlage.
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Andererseits kann auch die Heizleistung des thermoelektrischen Generators in einem Wärmepumpenbetrieb des thermoelektrischen Generators gezielt zur Erhöhung der Temperatur oder zur Einhaltung eines bestimmten minimalen Temperaturniveaus im Abgaskanal bei bestimmten Betriebsarten der Brennkraftmaschine genutzt werden, um beispielsweise bestimmte Mindesttemperaturen im Abgas zu erreichen.
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Ein Wechsel von Generatorbetrieb und Wärmepumpenbetrieb des thermoelektrischen Generators kann in vorteilhafter Weise für die Steuerung von Regenerationsbetriebsarten, z. B. bei einem Partikelfilter oder bei einem NOx-Speicherkatalysator, genutzt und damit ein bestimmter Temperaturbereich eingehalten werden. Durch die unterstützenden Thermomanagement-Anteile des thermoelektrischen Generators kann der Regenerationsbetrieb unabhängiger vom Fahrbetrieb gehalten werden. Die zuverlässigere vollständigere Durchführung von Regenerationen bietet Vorteile im Kraftstoffverbrauch infolge Vermeidung mehrfacher Aufheizung der Abgasanlage und Emissionsvorteile durch frühere Betriebsbereitschaft der diskontinuierlich arbeitenden Systeme für neue Einspeicherphasen. Der reine Wärmepumpenbetrieb des TEG zum Aufheizen von Abgasnachbehandlungskomponenten, wie z. B. des Drei-Wege-Katalysators zum schnelleren Erreichen der Anspringtemperatur, ist bereits in der Literatur vorgeschlagen worden. Ein Vorteil der vorgeschlagenen erweiterten Betriebsstrategie besteht darin, dass Kriterien für den Mehrverbrauch der alternativen Heizmaßnahmen und eines Bypass-Betriebs des TEG gebildet werden, so dass die optimale Strategie in Abhängigkeit von der Betriebssituation und weiterer Randbedingungen ausgewählt werden kann.
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Für einen Bypass-Betrieb ist als eine Zusatzkomponente des thermoelektrischen Generators eine Bypass-Klappe, welche zum thermoelektrischen Generator parallel im Abgaskanal angeordnet ist und mit der im Bedarfsfall zu heiße Abgasströme am thermoelektrischen Generator vorbeigeleitet werden, vorgesehen. Zudem oder alternativ kann als weitere Zusatzkomponente vorgesehen sein, dass ein Kühlkreislauf, mit dem der thermoelektrische Generator bedarfsweise zur Optimierung seines Wirkungsgrades bzw. seiner elektrischen Leistung gekühlt werden kann, zur Temperaturregelung der Abgasreinigungsanlage angesteuert werden kann. Der für den TEG vorhandenen Kühlkreislauf kann alternativ oder zusätzlich auch um einen direkt im Abgasstrom angeordneten Wärmetauscher erweitert werden, um damit eine weitere Möglichkeit des Abgastemperaturmanagements zu erhalten.
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Hinsichtlich einer integrierten Betriebsstrategie von thermoelektrischem Generator und Abgasnachbehandlung, welche besonders vorteilhaft ist, wenn mindestens eine Komponente der Abgasreinigungsanlage ein optimales Temperaturband erfordert, welches im normalen Fahrzeugbetrieb teils unter und teils überschritten werden kann, kann bei einer optimierten Betriebsstrategie vorgesehen sein, dass für das Temperaturmanagement der Abgasreinigungsanlage bei der Betriebsstrategie des thermoelektrischen Generators mindestens eines der nachfolgenden Kriterien benutzt wird. Diese können sein:
- – Energiegewinn oder Energieverbrauch durch den Generator- oder Wärmepumpenbetrieb des thermoelektrischen Generators,
- – Verringerung oder Erhöhung der Abgaswärme durch den Generator- oder Wärmepumpenbetrieb des thermoelektrischen Generators,
- – Verringerung der Abgastemperatur durch Nutzung der Kühlleistung des Kühlkreislaufes,
- – Emissionssenkung der Abgasreinigungsanlage in Abhängigkeit der Temperatur,
- – Kraftstoffmehrverbrauch durch Wärmepumpenbetrieb des thermoelektrischen Generators (Abgasheizen),
- – Kraftstoffmehrverbrauch durch alternative innermotorische und/oder zusätzliche Abgasheizmaßnahmen (z. B. Brenner),
- – Kraftstoffmehrverbrauch durch Unterbrechung von Regenerationsbetriebsarten einer diskontinuierlich arbeitenden Abgasreinigungsanlage und
- – Kraftstoffminderverbrauch durch Ausdehnung einer verbrauchsgünstigen Motorbetriebsart durch Heiz- oder Kühlmaßnahmen.
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In einer weiteren Verfahrensvariante kann auch vorgesehen sein, dass bei mehreren Abgasreinigungsanlagen oder bei mehreren thermoelektrischen Generatoren die Kriterien für verschiedene Komponenten der Abgasreinigungsanlagen und/oder der thermoelektrischen Generatoren und ihrer Zusatzkomponenten separat erfasst und ausgewertet werden. In diesem Fall sind diese Kriterien mittels einer Ablaufsteuerung zu gewichten und auf Basis einer Gesamtbewertung die Betriebsstrategie des thermoelektrischen Generators und der Abgasnachbehandlungskomponenten auszuwählen.
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In einer bevorzugten Vorrichtungsvariante ist daher vorgesehen, dass in der Motorsteuerung oder in dem separaten Steuergerät eine Ablaufsteuerung implementiert ist, welche als Komponenten eine Signalerfassungseinheit, eine Berechnungseinheit, eine Bewertungseinheit, eine Steuereinheit und eine Stellsignalausgabe umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass mittels der Signalerfassungseinheit Messsignale von am Motorblock angebrachten Sensoren, vom thermoelektrischen Generator sowie seiner Zusatzkomponenten sowie von in der Abgasreinigungsanlage angebrachten Sensoren erfassbar und mit der Stellsignalausgabe Aktoren im Motorblock, am thermoelektrischen Generator und an seinen Zusatzkomponenten (Kühlkreislauf, Bypass-Klappe) sowie an der Abgasreinigungsanlage ansteuerbar sind. Eine Berechnung der Betriebskriterien erfolgt dabei innerhalb der Berechnungseinheit, wobei aus den Sensorsignalen und unter zusätzlicher Nutzung von Modellen zur Berechnung von prognostizierten Betriebswerten, wie Emissionen, Abgastemperaturen und Kraftstoffmehrverbrauch die oben genannten Kriterien gebildet werden können. Die Bewertung, welche innerhalb der Bewertungseinheit erfolgt, kann die Betriebskriterien des Motors und mindestens eines thermoelektrischen Generators und mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente umfassen. Die Gewichtung der Kriterien und damit die Bewertung kann von weiteren Randbedingungen, wie Fahrsituation, Alterungszustand der Komponenten und Batterieladezustand abhängig sein. Die Steuerstrategie für den thermoelektrischen Generator, den Kühlkreislauf, die Bypass-Klappe und die Abgasnachbehandlungsanlage, welche innerhalb der Steuereinheit bestimmt wird, kann aus der gewichteten Bewertung der Betriebskriterien abgeleitet werden und hat die simultane Optimierung von Kraftstoffverbrauch und Emission zum Ziel. Die Funktionalität der Ablaufsteuerung mit ihren oben beschriebenen Funktionseinheiten kann dabei als Hardware und/oder als Software in dem Steuergerät oder in der übergeordneten Motorsteuerung implementiert sein. Weiterhin können einzelne Funktionseinheiten auch zu komplexeren Einheiten zusammengefasst sein.
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Der TEG hat in seinem Generatorbetrieb eine umso höhere Leistung, je höher die Temperaturdifferenz an seinem thermoelektrischen Material ist. Daher ist in einer bevorzugten Vorrichtungsvariante vorgesehen, dass der thermoelektrische Generator im Abgaskanal in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage, d. h. motornah angeordnet ist. Wird er somit vor einer emissionsmindernden Komponente des Abgassystems eingebaut, so ist der Generatorbetrieb mit der Folge eines Wärmeentzuges aus dem Abgas dann doppelt vorteilhaft, wenn die Emissionsminderung dieser Komponenten im Betriebsbereich des Fahrzeuges/des Motors oder deren thermische Stabilität durch Erreichen einer maximal zulässigen Abgastemperatur beschränkt ist oder die emissionsgünstigere Betriebsart nur bis zu einer Grenztemperatur aufrechterhalten werden kann. Dies ist der Fall bei Beschichtungen von Katalysatoren, die ab Erreichen einer Grenztemperatur durch Schmelzen eine Einbuße von katalytisch wirksamer Oberfläche erleiden, wie dies beispielsweise bei Drei-Wege-Katalysatoren, Oxidations- und NOx-Speicherkatalysatoren der Fall sein kann. Wird eine von dem Beschichtungsmaterial abhängige Maximaltemperatur bei der Einspeicherung in NOx-Speicherkatalysatoren im Magerbetrieb oder bei der Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren im Fettbetrieb überschritten, muss diese Betriebsart beendet werden. Dadurch muss z. B. in einen verbrauchsungünstigeren Betrieb gewechselt werden. Durch den vorzeitigen Abbruch und die spätere Wiederaufnahme einer Regeneration entsteht ein Mehrverbrauch oder das Abgassystem ist bei unvollständiger Regeneration eines Speicherkatalysators vorübergehend nicht in vollem Maße für die Emissionsminderung einsatzfähig. Ggf. kann die unterstützende Anordnung eines Wärmetauschers im Abgasstrom zwischen TEG und Abgasnachbehandlungskomponente mit Anschluss an den Kühlkreislauf des TEG vorteilhaft sein, wenn die maximale Kühlleistung des TEG im Generatorbetrieb alleine nicht ausreichend ist.
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Bei Komponenten im Abgassystem, deren Emissionsminderung im jeweiligen Emissionstest in großem Maße vom Erreichen einer Anspringtemperatur abhängt, ist es vorteilhaft, wenn der thermoelektrische Generator im Abgaskanal in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage angeordnet ist oder bei Anordnung vor der Abgasreinigungsanlage als Zusatzkomponente zwischen Motorblock und Abgasreinigungsanlage eine parallel zum thermoelektrischen Generator angeordnete steuerbare Bypass-Klappe aufweist. Eine weitere Möglichkeit ist der Betrieb des TEG als Wärmepumpe im Aufwärmbetrieb der Abgasanlage. Beispiele sind wiederum. Drei-Wege-Katalysatoren (Anspringtemperatur) oder der in einem Temperaturbereich optimale Einspeicherwirkungsgrad eines NOx-Speicherkatalysators.
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Viele emissionsmindernde Komponenten des Abgassystems weisen für ihren optimalen Betrieb sowohl eine untere als auch eine obere Temperaturgrenze auf. In diesem Fall ist zur Optimierung des Nutzens des TEG und der Abgasnachbehandlung zwingend ein Einbauort des TEG vor dieser Komponente, eine flexible Betriebsstrategie des TEG (Generator und Wärmepumpe) und eine Bypasssteuerung erforderlich.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher für Abgasreinigungsanlagen besonders geeignet, die als ein Partikelfilter, ein Dreiwege-Katalysator oder als ein Stickoxid-Speicherkatalysator ausgebildet sind.
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Eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens mit seinen Verfahrensvarianten, wie es zuvor beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei Otto- oder Diesel-Motoren vor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung einen thermoelektrischen Generator im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine,
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2 den thermoelektrischen Generator in einer alternativen Anordnung im Abgaskanal,
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3 den thermoelektrischen Generator mit zusätzlichen Komponenten zur Erreichung eines optimalen Temperaturbereichs und
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4 in einer schematischen Darstellung ein Steuergerät mit seinen Hauptfunktionseinheiten in Wechselwirkung mit den Komponenten der Brennkraftmaschine.
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1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Motorblock 10 und einer in einem Abgaskanal 20 angeordneten Abgasreinigungsanlage 40. An der Abgasreinigungsanlage 40 ist in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage 40 ein thermoelektrischer Generator 30 derart 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, wie eingangs beschrieben, elektrische Energie aus der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie gewonnen werden. Diese Anordnung ist besonders geeignet, die Abgasnachbehandlungsanlage 40 vor zu hohen Temperaturen und damit vor einer möglichen thermischen Schädigung zu schützen, wenn der thermoelektrische Generator 30 im Generatorbetrieb betrieben wird und somit Wärmeenergie dem Abgas entzogen werden kann.
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In 2 ist ebenfalls schematisch eine Anordnung gezeigt, bei der der thermoelektrische Generator 30 im Gegensatz zu 1 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Abgasreinigungsanlage 40 im Abgaskanal 20 angeordnet ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft hinsichtlich einer Erreichbarkeit einer unteren Grenztemperatur (Anspringtemperatur) für die Abgasreinigungsanlage 40, da im Generatorbetrieb der Wärmeentzug sich nicht auf die Abgastemperatur vor der Abgasreinigungsanlage 40 auswirkt.
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In 3 ist eine Anordnungsvariante gezeigt, bei der, wie in 1 gezeigt, der thermoelektrische Generator 30 in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasreinigungsanlage 40 im Abgaskanal 20 angeordnet ist, wobei zusätzlich Komponenten zur Kühlung des thermoelektrischen Generators 30 verbaut sind. Eine der Zusatzkomponenten stellt eine ansteuerbare Bypass-Klappe 60 dar, welche zwischen Motorblock 10 und Abgasreinigungsanlage 40 parallel zum thermoelektrischen Generator 30 angeordnet ist und zum Schutz des thermoelektrischen Generators 30 dient. Bei zu hohen Abgastemperaturen kann diese zumindest teilweise geöffnet werden, wodurch die Temperaturbelastung des thermoelektrischen Generators 30 reduziert werden kann.
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Eine weitere Komponente zum Schutz des thermoelektrischen Generators 30 sowie zur Effizienzsteigerung stellt ein Kühlkreislauf 50 dar. Dieser sorgt einerseits im Generatorbetrieb für eine höhere Temperaturdifferenz und somit für eine höhere Generatorspannung. Anderseits kann mit dessen aufgebrachter Kühlleistung auch eine Temperaturreduktion des Abgases bewirkt werden, was sich bei bestimmten Betriebsarten der Abgasreinigungsanlage 40 positiv auswirken kann.
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Zur Erhöhung der Abgastemperatur vor der Abgasreinigungsanlage 40 kann aber auch vorgesehen sein, dass entweder die Bypass-Klappe 60 geöffnet und der thermoelektrische Generator 30 zusätzlich als Wärmepumpe arbeitet oder nur die Bypass-Klappe 60 geöffnet wird. Damit kann beispielsweise recht schnell eine Mindesttemperatur (Anspringtemperatur) erzielt werden, wie sie beispielsweise bei einem Partikelfilter (DPF) im Regenerationsbetrieb erforderlich ist.
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Um diese komplexen Betriebsmodi zu steuern, ist erfindungsgemäß ein Steuergerät 70 vorgesehen, wie dies 4 schematisch in Verbindung mit der in 3 beschriebenen Anordnung zeigt.
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Mit dem Steuergerät 70 sind die Betriebsarten des thermoelektrischen Generators 30 in das Temperaturmanagement der Abgasreinigungsanlage 40 einbeziehbar, wobei die erzielbare Heiz- oder Kühlleistung des thermoelektrischen Generators 30 sowie die Kühlleistung seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung des thermoelektrischen Generators 30 bei der Steuerung des Abgasstroms im Abgaskanal 20 oder zur Steuerung der Abgasreinigungsanlage 40 auswertbar und die Betriebsart des thermoelektrischen Generators 30 sowie seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung vorgebbar ist.
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In dem Steuergerät 70 ist eine Ablaufsteuerung implementiert, welche als Komponenten eine Signalerfassungseinheit 71, eine Berechnungseinheit 72, eine Bewertungseinheit 73, eine Steuereinheit 74 und eine Stellsignalausgabe 75 umfasst. Mit der Signalerfassungseinheit 71 können Messsignale vom Motorblock 10, vom thermoelektrischen Generator 30 sowie seiner Zusatzkomponenten sowie von der Abgasreinigungsanlage 40 erfasst werden. Mit der Stellsignalausgabe 75 können Aktoren im Motorblock 10, am thermoelektrischen Generator 30 und an seinen Zusatzkomponenten sowie an der Abgasreinigungsanlage 40 angesteuert werden, womit eine integrierte Betriebsstrategie der thermoelektrischen Generatoren 30 mit der Abgasnachbehandlungsanlage 40 realisiert werden kann.
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Die Funktionalität der Ablaufsteuerung kann als Software oder als Hardware im Steuergerät 70 implementiert sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Funktionalität der Ablaufsteuerung auch in einer übergeordneten Motorsteuerung bzw. Fahrzeugsteuerung implementiert sein kann.
