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Die Erfindung betrifft die Stromgewinnung aus der Abgaswärme eines Verbrennungsmotors und bezieht sich im Besonderen auf die Integration von thermoelektrischen Generatoren in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
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Zur Steigerung der Energieeffizienz von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird die im Abgas oder im Kühlkreislauf transportierte Abwärme des Motors zunehmend als zusätzliche Energiequelle für die Versorgung von Fahrzeugkomponenten genutzt. Thermoelektrische Generatoren ermöglichen eine direkte Umwandlung von Abwärme in elektrischen Strom, der beispielsweise für die Versorgung von Subsystemen des Fahrzeugs wie z. B. dessen Bordnetz oder zum gezielten Beheizen ausgewählter Komponenten beim Kaltstart verwendet werden kann.
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Zur Energierückgewinnung aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors werden thermoelektrische Generatoren (TEGs) an den Abgasstrang des Motors angebunden. Die Anbindung erfolgt über einen oder mehrere Wärmetauscher, die vom Abgas durchströmt werden und die hierbei aus dem Abgas aufgenommene Wärmeenergie an einen oder mehrere thermoelektrische Generatoren weiterleiten.
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Thermoelektrische Generatoren weisen eine Warmseite und eine Kaltseite auf, wobei die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten entscheidend für die erzeugte Strommenge ist. Bei einer Integration von thermoelektrischen Generatoren in den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs wird die Kühlung der Kaltseite in der Regel durch Anbindung der Generatoren an einen Kühlwasserkreislauf des Fahrzeugs realisiert. Die Warmseite befindet sich in thermischem Kontakt mit einem Wärmetauscher. Bekannte thermoelektrische Generatoren verwenden zur Umwandlung der Wärmeenergie in Strom Halbleitermaterialien, die beispielsweise auf Basis von Bleitellurid, Siliciumgermanium oder Wismuttellurid hergestellt sind.
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Mit zunehmender Motorleistung erhöhen sich sowohl die Temperatur der Motorabgase als auch der vom Motor ausgestoßene Abgasmassenstrom und damit die über die Wärmetauscher an die thermoelektrischen Generatoren übertragene Wärmeleistung. Diese Wärmeleistung kann zu einer Überhitzung der thermoelektrischen Generatoren führen. Da die Wärmetauscher das sie durchströmende Abgas zum wirksamen Entzug der darin enthaltenen Wärmeenergie ferner über eine große Innenfläche kontaktieren und dem Abgas damit einen hohen Strömungswiderstand entgegensetzen, nimmt der Abgasgegendruck bei zunehmender Motorleistung zu und die Effizienz des Motors in der Folge ab.
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Thermoelektrische Energierückgewinnungseinrichtungen sind zum Schutz ihrer thermoelektrischen Generatoren vor Überhitzung und zum Aufrechterhalten eines ausreichend geringen Abgasgegendrucks mit einer üblicherweise als Bypass bezeichneten Überbrückungsleitung ausgestattet, die bei hoher Motorleistung einen Teil des Abgasstroms an den Wärmetauschern vorbei leitet. Die Steuerung der Öffnung der Überbrückungsleitung erfolgt mithilfe eines Ventils, das abhängig von der Motorleistung oder einem Abgasdruck in der Zuleitung zu den Wärmetauschern angesteuert werden kann. Die Überbrückungsleitung ist dabei so dimensioniert, dass über sie bei voller Motorleistung soviel Abgas an den Wärmtauschern vorbeiführt, dass es weder zu einer Überhitzung der thermoelektrischen Generatoren noch zu einer Überschreitung eines maximal zulässigen Abgasgegendrucks kommen kann. Die Abmessungen einer mit einem Bypass versehenen thermoelektrischen Energierückgewinnungseinrichtung sind bei leistungsstarken Verbrennungsmotoren daher entsprechend groß, wodurch solche Anlagen in Kraftfahrzeugen ein hohes Einbauvolumen beanspruchen.
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Es wäre daher wünschenswert eine Stromerzeugung aus Abgaswärme mit einer kompakter aufgebauten thermoelektrischen Energierückgewinnungseinrichtung zu ermöglichen.
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Ausführungsformen solcher thermoelektrischer Energierückgewinnungseinrichtungen umfassen einen Wärmetauscher, der einen von einem Abgas eines Verbrennungsmotors durchströmbaren Innenraum umfasst, der sich in thermischem Kontakt mit einer am Wärmetauscher ausgebildeten Wärmeabgabefläche befindet, wobei der Innenraum einen ersten Innenraumbereich aufweist, dessen thermischer Kontakt zur Wärmeabgabefläche einen ersten thermischen Widerstandswert aufweist, und einen zweiten Innenraumbereich, dessen thermischer Kontakt zur Wärmeabgabefläche einen zweiten thermischen Widerstandswert aufweist, und wobei der erste thermische Widerstandswert kleiner als der zweite thermische Widerstandswert ist.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe ”umfassen”, ”aufweisen”, ”beinhalten”, ”enthalten” und ”mit”, sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Komponenten, Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
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Ein Wärmetauscher mit zwei Innenraumbereichen, von denen einer mit guter Wärmeleitung an eine Wärmeabgabefläche des Wärmetauschers angebunden ist und der andere mit schlechterer Wärmeleitung, ermöglicht eine Steuerung der Temperatur der Wärmeabgabefläche durch entsprechende Wahl des bzw. der Innenraumbereiche für die Durchströmung mit Abgas. Die Verfügbarkeit zweier unabhängig voneinander durchströmbarer Innenraumbereiche ermöglich darüber hinaus auch eine Anpassung des vom Wärmetauscher induzierten Abgasgegendrucks an den jeweils diesen durchströmenden Abgasmassenstrom.
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Weitere Ausführungsformen solcher thermoelektrischer Energierückgewinnungseinrichtungen umfassen eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Abgaswärme in elektrischen Strom mit einem wie zuvor angegebenen Wärmetauscher, einem thermoelektrischen Generator, dessen Warmseite sich in thermischem Kontakt mit der Wärmeabgabefläche des Wärmetauschers befindet, und einem Ventil zum öffnen des ersten bzw. des zweiten Innenraumbereichs des Wärmetauschers.
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Das Ventil ermöglicht eine wahlweise Steuerung des Abgasstroms durch den ersten und zweiten Innenraumbereich des Wärmetauschers abhängig vom jeweiligen Abgasmassenstrom bzw. der jeweiligen Abgastemperatur.
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Zur an eine Abgastemperatur bzw. einen Abgasmassenstrom angepasste Überführung der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie an die Wärmeabgabefläche des Wärmetauschers sind erster und zweiter Innenraumbereich bei vorteilhaften Ausführungsformen so ausgebildet, das der erste Innenraumbereich dem Abgasstrom einen höheren Strömungswiderstand entgegensetzt als der zweite Innenraumbereich. Eine solche Ausbildung des Wärmetauschers ermöglicht eine effiziente Übertragung der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie an die Wärmeabgabefläche bei geringen Abgastemperaturen bzw. geringen Abgasmassenströmen und eine reduzierte Übertragung der Wärmeenergie an die Wärmeabgabefläche bei hohen Abgastemperaturen bzw. hohen Abgasmassenströmen.
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Bei weiter vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der erste Innenraumbereich zur Ausbildung einer großen Kontaktfläche des Wärmetauschers mit dem Abgasstrom mehrere Kanäle, deren Innenflächen sich in thermischem Kontakt zur Wärmeabgabefläche befinden.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 einen Wärmetauscher mit zwei Innenraumbereichen in einer schematisierten Perspektivdarstellung zeigt,
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2 eine Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Abgaswärme in elektrischen Strom mit Wärmetauschern nach 1 in einer schematischen Frontansicht zeigt,
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3 die Vorrichtung von 2 in einer schematisierten Seitenansicht zeigt,
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4 zwei Beispiele für einen Schieber zur Steuerung des Abgasflusses in einer Vorrichtung nach 2 bzw. 3 zeigt und
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5 zwei Schieberelemente zeigt, die in Kombination drei unterschiedliche Weisen einer Durchströmung der Innenraumbereiche von in einer Vorrichtung nach 3 verwendeten Wärmetauschern ermöglichen.
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In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen für funktionell gleichwertige oder ähnliche Charakteristiken unabhängig von speziellen Ausführungsformen verwendet. Ferner sind in den Figuren nur diejenigen Komponenten des jeweils dargestellten Gegenstands illustriert, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Auf die Darstellung weiterer, bei den jeweils dargestellten Ausführungsformen darüber hinaus vorhandenen Komponenten wurde im Interesse einer übersichtlichen Darstellung verzichtet.
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Die schematische Perspektivdarstellung von 1 zeigt einen Wärmetauscher 10 mit zwei Innenraumbereichen 1 und 2. Der Wärmetauscher weist ein rohrförmiges, abgeflachtes Gehäuse 4 auf, das an den beiden Stirnseiten offen ist und beide Innenraumbereiche 1 und 2 umhüllt. Eine an einer der abgeflachten Oberflächen des Gehäuses 4 ausgebildete Wärmeabgabefläche 3 dient dem Anbringen eines thermoelektrischen Generators. Die Wärmeabgabefläche 3 ist in der Darstellung von 1 schraffiert hervorgehoben. In der Regel wird auch die dieser Fläche 3 gegenüber liegende zweite abgeflachte äußere Oberfläche des Wärmetauschers als Wärmeabgabefläche genutzt. Zwei im vom Gehäuse 4 umschlossenen Innenraum angeordnete Trennwände 21 unterteilen den Innenraum in einen ersten Innenraumbereich 1 und einen zweiten Innenraumbereich 2, deren Eingänge in 1 zur besseren Erkennbarkeit mit unterschiedlichen Musterungen hervorgehoben sind.
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Die Trennwände 21 unterteilen den Innenraum des Wärmetauschers 10 so, dass der erste Innenraumbereich 1 direkt unterhalb der Wärmeabgabefläche 3 bzw. zwischen den einander gegenüberliegend angeordneten Wärmeabgabeflächen 3 angeordnet ist, während sich der zweite Innenraumbereich 2 seitlich der Wärmeabgabefläche 3 bzw. Wärmeabgabeflächen 3 befindet. Hierdurch wird erreicht, dass die über die Innenflächen des ersten Innenraumbereichs 1 aufgenommene Wärmeenergie auf dem kürzest möglichen Weg durch die Gehäusewand ganzflächig auf die Wärmeabgabefläche 3 übertragen bzw. geleitet wird. Da die Wandstärke des Gehäuses 4 vorzugsweise wesentlich geringer ist als die Wärmeabgabefläche 3, ist auch der thermische Widerstand dieses, die Wärmeabgabefläche 3 vom ersten Innenraum 1 trennenden Gehäuseabschnitts entsprechend gering. Bei alternativen Ausführungsformen des Gehäuses unterscheidet sich dessen Wandstärke am ersten Innenraumbereich 1 von der am zweiten Innenraumbereich 2, wobei die den zweiten Innenraumbereich 2 umhüllende Wandstärke des Gehäuses 4 bevorzugt dünner als die den ersten Innenraumbereich 1 umhüllende ausgeführt ist. Zur Verbesserung des Wärmeentzugs aus einem den ersten Innenraumbereich 1 durchströmenden Abgas ist der erste Innenraumbereich 1 in mehrere Kanäle unterteilt, deren Abgrenzungswände 11 zusätzliche Oberflächen zur Wärmeaufnahme verfügbar machen. Die Abgrenzungswände 11 können geschlossene Trennwände ausbilden oder perforiert sein. Statt mit Abgrenzungswänden 11 kann der erste Innenraumbereich auch mit z. B. rippenförmigen Strukturen zur Vergrößerung seiner Oberfläche versehen sein.
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Im Unterschied zum ersten Innenraumbereich 1 erfolgt die Leitung einer in einem zweiten Innenraumbereich 2 aufgenommenen Wärmeenergie zur Wärmeabgabefläche 3 entlang der an die Seiten der Wärmeabgabefläche 3 anschließenden Gehäusewand und daher mit einem höheren thermischen Widerstand. Der aus dem zweiten Innenraumbereich 2 an die Wärmeabgabefläche 3 überführte Wärmestrom ist im Vergleich zum ersten Innenraumbereich daher geringer. Um auch die Wärmeaufnahme aus einem den zweiten Innenraumbereich 2 durchströmenden Abgasstrom gering zu halten, ist die Oberfläche des zweiten Innenraumbereichs bei Ausführungsformen vorzugsweise auf das mögliche Minimum beschränkt.
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2 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung 100 zur thermoelektrischen Umwandlung von Abgaswärme in elektrischen Strom unter Verwendung von Wärmetauschern gemäß der in 1 illustrierten Ausführungsform in einer Frontansicht. Die Vorrichtung umfasst drei parallel zueinander angeordnete Wärmetauscher 10. Jede der beiden Wärmeabgabeflächen eines Wärmetauschers 10 befindet sich in thermischem Kontakt mit der Warmseite eines thermoelektrischen Generators 20. Die Kaltseiten der thermoelektrischen Generatoren befinden sich jeweils in thermischem Kontakt mit einer Kühleinrichtung 30, die im dargestellten Fall zur Anbindung an einen Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Zum Erzielen einer kompakten Anordnung sind aufeinander zuweisende Kaltseiten benachbarter thermoelektrischer Generatoren jeweils an die selbe Kühleinrichtung 30 thermisch angebunden. Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gewählten Größen, Formgebungen und Größenverhältnisse rein anschaulichen Zwecken dienen und keine Wiedergabe realer Gegenstände repräsentieren.
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3 zeigt den Aufbau der Vorrichtung 100 von 2 in einer Seitenansicht. Die Einleitung und Steuerung des Abgasstroms in die Innenraumbereiche 1 und 2 der Wärmetauscher 10 erfolgt mithilfe eines Verteilers 50, der den ankommenden Abgasstrom in drei parallele Abgasteilströme aufteilt, von denen jeder jeweils einem Wärmetauscher 10 zugeführt wird. Zwischen dem Verteiler 50 und der Stapelanordnung aus Wärmetauschern 10, thermoelektrischen Generatoren 20 und Kühleinrichtungen 30 ist ein Ventil 40 angeordnet, über das die Verteilung der Abgasteilströme in die verschiedenen Innenraumbereiche 1 bzw. 2 der Wärmetauscher 10 gesteuert werden kann. An den Auslässen der Wärmetauscher 10 befindet sich ein Sammelstutzen 51, der die gekühlten Abgasteilströme zusammenführt. Die Richtung der Abgasströme ist in 3 durch Pfeile markiert.
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Kernstück des in 3 veranschaulichten Ventils 40 ist ein Schieber 41, der relativ zu den Einlassöffnungen der Wärmetauscher in der durch den Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung verschoben werden kann. 4 illustriert zwei mögliche Ausführungsformen eines solchen Schiebers 41. Beide Ausführungsformen werden von einem plattenförmigen Grundkörper gebildet, in dem Öffnungen ausgebildet sind, deren Geometrie jeweils mit der Geometrie der Einlassöffnung von einem der beiden Innenraumbereiche 1 bzw. 2 oder der Geometrie der Einlassöffnungen beider Innenraumbereiche übereinstimmt.
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Mit einem Schieber gemäß der linken Darstellung von 4 kann jeder der Abgasteilströme wahlweise entweder mithilfe der Öffnungen 42 durch den ersten Innenraumbereich 1 der Wärmetauscher 10 oder mithilfe der Öffnungen 43 durch den zweiten Innenraumbereich 2 der Wärmetauscher 10 geleitet werden. Im ersten Fall wird jedem der Abgasteilströme über die große Oberfläche des ersten Innenraumbereichs 1 und die gute thermische Anbindung dessen an die Warmseite der thermoelektrischen Generatoren 20 die Wärmeenergie effektiv entzogen. Bei hohen Abgasmassenströmen wie auch bei zu heißem Abgas wird der Schieber 41 in eine Stellung gebracht, bei der die Öffnungen 43 den Zugang zum zweiten Innenraumbereich 2 der Wärmetauscher 10 freigeben. Der Zugang zum ersten Innenraumbereich 1 der Wärmetauscher 10 ist in dieser Stellung des Schiebers 41 blockiert. Da die Übertragung der dem zweiten Innenraumbereich 2 entzogenen Wärmeenergie an die Wärmeabgabeflächen 3 und damit an die Warmseiten der thermoelektrischen Generatoren 20 mit hohen thermischen Widerstand erfolgt, ist der Wärmefluss zu den thermoelektrischen Generatoren 20 im Vergleich zu der in den zweiten Innenraumbereich 2 eingebrachten Wärmeleistung gering. Um den Abgasgegendruck im zweiten Innenraumbereich 2 gering zu halten, ist dieser zudem vorzugsweise so gestaltet, dass er dem durch ihn geleiteten Abgasteilstrom einen im Verhältnis zum ersten Innenraumbereich 1 geringeren Strömungswiderstand entgegensetzt. Hierzu wird der zweite Innenraumbereich 2 mit einer möglichst kleinen Oberfläche ausgeführt, wodurch verhältnismäßig weniger Wärmeenergie aus einem den zweiten Innenraumbereich 2 durchströmenden Abgasteilstrom in das Gehäuse 4 eines Wärmetauschers 10 eingeleitet wird. In der Folge kann auch bei hohen Abgastemperaturen und hohen Abgasmasseströmen eine Überhitzung der thermoelektrischen Generatoren vermieden werden. Da das Abgas bei hohen Abgasmasseströmen ausschließlich über die zweiten Innenraumbereiche 2 der Wärmetauscher 10 geleitet wird, bleibt der Abgasgegendruck in der Energierückgewinnungsvorrichtung 100 gering, wodurch es möglich ist, einen die Vorrichtung 100 überbrückenden Bypass mit kleineren Dimensionen auszuführen. Die zweiten Innenraumbereiche 2 der Wärmetauscher nutzen den Bereich zwischen den Kühleinrichtungen 30 und tragen ihrerseits somit nicht zu einer Vergrößerung der äußeren Abmessungen der Vorrichtung 100 bei.
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Die rechte Darstellung von 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schiebers 41 zur Verwendung in einem Ventil 40. Mit einem solchen Schieber 41 werden die Abgasteilströme entweder nur durch den ersten Innenraumbereich 1 oder durch beide Innenraumbereiche 1 und 2 gleichzeitig geleitet. Mit dieser Anordnung kann der Abgasgegendruck bei hohen Abgasmassenströmen weiter reduziert werden.
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Um eine Überhitzung der thermoelektrischen Generatoren bei sehr hohen Abgastemperaturen zu vermeiden und bei weniger heißen Abgasen aber hohen Abgasströmen dennoch einen möglichst niedrigen Abgasgegendruck zu erhalten, kann das Ventil 40 auch als Dreiwegeventil ausgestaltet sein, das abhängig von Abgastemperatur und -massestrom entweder nur den ersten Innenraumbereich 1, nur den zweiten Innenraumbereich 2, oder beide Innenraumbereiche 1 und 2 simultan freigibt. Ein solches Ventil kann beispielsweise mit zwei bezüglich dem Abgasstrom unmittelbar hintereinander angeordneten Schiebern 41 realisiert werden, die zur Realisierung der unterschiedlichen Ventilzustände relativ zueinander verschoben werden können. Ein Beispiel für zwei solcherart kombinierbare Schieber 41a und 41b ist in 5 schematisch dargestellt.
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Statt den in den Figuren veranschaulichten Ventilen 40 können selbstverständlich auch andere Bauarten von Ventilen zur gezielten Einleitung der Abgasteilströme in verschiedene Innenraumbereiche der Wärmetauscher 10 verwendet werden. Beispielsweise können statt der Schieber 41 bzw. 41a und 41b mit passenden Öffnungen versehene rotierende Drehscheiben oder auch Kippscheiben bzw. -hebel zu Ausbildung solcher Ventile verwendet werden. Die Steuerung der Ventilstellungen kann in Abhängigkeit der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms in der Zuführung zur Vorrichtung 100 vorgenommen werden. Die Ventilsteuerung kann auch unter Verwendung von Motorbetriebsparametern erfolgen.
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Außerdem ist die Anzahl der in einer Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Abgaswärme in elektrischen Strom verwendeten Wärmetauscher 10, thermoelektrischen Generatoren 20 und Kühleinrichtungen 30 nicht auf die der dargestellten Ausführungsform beschränkt. Andere Ausführungsformen können sich z. B. auf nur einen Wärmetauscher 10 mit nur einem einzigen oder mit mehreren thermoelektrischen Generatoren 20 und einer oder mehreren Kühleinrichtungen 30 beschränken. Weitere Ausführungsformen können zwei oder auch mehr als drei Wärmetauscher und eine entsprechend angepasste Anzahl von thermoelektrischen Generatoren 20 und Kühleinrichtungen 30 aufweisen. Von der in 1 dargestellten Ausführungsform abweichende Wärmetauscher 10 können statt einem zweikammerigen zweiten Innenraumbereich 2 auch einen ein- oder mehrkammerigen zweiten Innenraumbereich 2 aufweisen.
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Durch die beschriebene Integration einer Bypassfunktion in den Wärmetauscher wird ein kompakter Aufbau einer thermoelektrischen Energierückgewinnungsvorrichtung bei geringem Gesamtgewicht erzielt und eine Überhitzung der thermoelektrischen Generatoren bei hohen Motorleistungen vermieden.
