DE102013115001A1

DE102013115001A1 - Thermoelektrischer Generatoreinsatz zur Verbrennungsmotorabwärmerückgewinnung

Info

Publication number: DE102013115001A1
Application number: DE201310115001
Authority: DE
Inventors: Nayan Engineer; Lang Sui
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Hyundai America Technical Center Inc
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp; Hyundai America Technical Center Inc
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-05-13
Also published as: KR20150054609A; US9574517B2; US20150128590A1

Abstract

Gemäß den offenbarten Ausführungsformen wird ein thermoelektrischer Generator(TEG)-Einsatz (110) zum Zurückgewinnen von Verbrennungsmotorabwärme verwendet. Die Ausführungsformen weisen auf einen Verbrennungsmotor (105), welcher einen Abgaskrümmerauslass hat, und ein Abgasrohr (115), welches einen Einlass und einen Auslass hat. Der TEG-Einsatz (110), welcher eingerichtet ist, um Wärme eines Abgases, welches den Verbrennungsmotor verlässt, in elektrische Leitung umzuwandeln, kann zwischen dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors und dem Einlass des Abgasrohrs angeordnet sein kann. Die Position des TEG-Einsatzes kann die Thermo-Umwandlung von Wärme in Elektrizität maximieren. Weiter kann die Größe des TEG-Einsatzes durch die Verwendung von hoch-Effizienz Nanomaterial minimiert werden. Als ein Ergebnis kann eine Gesamtkraftstoffökonomie maximiert werden, die Größe von Nebenkomponenten, z. B. einer Lichtmaschine, einer Kühlmittelpumpe, einer Ölpumpe, etc. können reduziert werden, und kann eine minimale Verbrennungsmotordesignänderungen notwendig sein, um den hier beschriebenen TEG-Einsatz aufzunehmen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Wesentlichen Verbrennungsmotorkraftfahrzeuge, und insbesondere einen thermoelektrischen Generatoreinsatz zur Verbrennungsmotorabwärmerückgewinnung in Verbrennungsmotorkraftfahrzeugen.
Hintergrund
Thermoelektrische Generatoren (TEGs) sind Vorrichtungen, welche zum Umwandeln von Wärme in elektrische Energie in der Lage sind. TEGs können angewendet werden, um eine Betriebseffizienz einer Unzahl von Anwendungen zu verbessern. Eine solche Anwendung sind Automobile, in welchen TEGs verwendet werden können, um nutzbare Energie aus Automobilabwärme zurück zu gewinnen. Insbesondere kann ein TEG in einem Verbrennungsmotor (IC) Abwärme, zum Beispiel Abgasabwärme, in elektrische Elektrizität umwandeln. Diese Elektrizität kann dann von anderen Komponenten innerhalb des Automobils verwendet werden, zum Beispiel zum Laden einer Batterie, für elektrische Komponenten, etc., was die Gesamtkraftstoffökonomie verbessern kann und Kraftfahrzeugemissionen verbessern kann.
Jedoch leiden gegenwärtige Automobil-TEGs unter Nachteilen, welche den potentiellen Nutzwert der Vorrichtung behindern können. Zum Beispiel sind gegenwärtige Automobil-TEGs typischerweise ausgehend vom Verbrennungsmotor weit weg gelegen und der Kühlmittelzirkulationspfad ist typischerweise relativ groß. Als ein Ergebnis verringert sich die maximal auf die Vorrichtung angewendete Wärmemenge, da es weiter vom Verbrennungsmotorblock entfernt ist. Da diese Vorrichtungen außerdem groß sind, sind sie auch relativ schwer und benötigen ein erhebliches Kühlsystem, welches mit ihnen verbunden ist. Dieses zusätzliche Gewicht kann dazu führen, dass der Verbrennungsmotor schwerer arbeitet, wodurch eine geringere Kraftstoffreichweite resultiert.
Darüber hinaus sind gegenwärtige Automobil-TEGs typischerweise komplex in ihrer Montage und sind schwierig auszubauen. Als ein Ergebnis kann es notwendig sein das Verbrennungsmotordesign zu ändern, um den TEG aufzunehmen, und Reparieren und/oder Ersetzen des TEGs können teuer und zeitraubend sein. Deshalb ist gegenwärtig ein Bedarf für einen TEG vorhanden, welcher hoch effizient ist und dennoch eine minimale Größe und ein minimales Gewicht hat, einfach auszubauen ist und eine Montage mit minimaler Komplexität hat.
Erläuterung der Erfindung
Gemäß den offenbarten Ausführungsformen wird ein TEG-Einsatz zur Rückgewinnung von Verbrennungsmotorabwärme verwendet. Die Ausführungsformen weisen auf einen Verbrennungsmotor, welcher einen Abgaskrümmerauslass hat, und ein Abgasrohr, welches einen Einlass und einen Auslass hat. Der TEG-Einsatz, welcher konfiguriert ist, um Wärme von Abgas, das den Verbrennungsmotor verlässt, in elektrische Leistung umzuwandeln, kann zwischen dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors und dem Einlass des Abgasrohrs angeordnet sein. Die Position des TEG-Einsatzes kann die Thermo-Umwandlung von Wärme in Elektrizität maximieren. Weiter kann die Größe des TEG-Einsatzes durch die Verwendung von einem hocheffizienten Nanomaterial minimiert sein. Als ein Ergebnis kann die Gesamtkraftstoffökonomie maximiert sein, kann die Größe von Nebenkomponenten, zum Beispiel einer Lichtmaschine, einer Kühlmittelpumpe, einer Ölpumpe, etc., reduziert sein und kann eine minimale Verbrennungsmotordesignänderung notwendig sein, um den hier beschriebenen TEG-Einsatz aufzunehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorherigen und anderen Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen, welche hier offenbart sind, werden von der folgenden detaillierten Beschreibung klarer werden, wenn sie zusammen mit den folgenden begleitenden Zeichnungen verwendet wird.
1A bis 1C zeigen eine beispielhafte Baugruppe eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors und eines Abgaskrümmers in Verbindung mit einem TEG-Einsatz.
2 zeigt eine beispielhafte Querschnittsseitenansicht des TEG-Einsatzes.
3 zeigt eine beispielhafte Teil-Querschnittsseitenansicht des TEG-Einsatzes, wobei Kühlmittel eine Hohl-Innenkammer durchquert.
4 zeigt eine beispielhafte schematische Querschnittsdraufsicht eines TEG-Einsatzes, welche eine Abgas-Strömungsrichtung und eine Kühlmittelströmungsrichtung anschaulich darstellt.
Es sollte klar sein, dass die Zeichnungen, auf welche oben Bezug genommen wird, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und eine etwas vereinfachte Darstellungsweise von verschiedenen bevorzugten Merkmalen der Grundprinzipien der Offenbarung aufzeigen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, z. B. konkrete Abmessungen, Richtungen, Positionen und Formen werden teilweise von der jeweiligen geplanten Anwendung und der Nutzungsumgebung vorgegeben.
Detaillierte Beschreibung
Die hier verwendete Ausdrucksweise dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, um die Offenbarung zu beschränken. Die wie hier verwendeten Singularformen „ein/eine” und „der/die/das” sind dazu gedacht, um ebenfalls die Pluralformen zu beinhalten, außer der Kontext zeigt klar das Gegenteil. Weiter ist zu verstehen, dass die Begriffe „aufweisen” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit von genannten Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht die Anwesenheit oder den Zusatz von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Der hier verwendete Begriff „und/oder” weist jegliche und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziiert-aufgezählten Elemente auf.
Es ist zu verstehen, dass die Begriffe „Fahrzeug”, „Fahrzeug-...”, „Automobil” oder ein anderer ähnlicher Begriff, welcher hier verwendet wird, Verbrennungsmotorkraftfahrzeuge im Allgemeinen einschließt, wie z. B. Personenautomobile, einschließlich sogenannter Sportnutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, zahlreiche kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl an Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in Hybridfahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl hergestellt werden) einschließt. In die gleiche Richtung gehend bezieht sich der Begriff „Insasse” oder „Fahrzeuginsasse” auf irgendeine Person, welche sich in einem Fahrzeug befindet, zum Beispiel einen Fahrer, einen Mitfahrer auf dem Vordersitz oder dem Rücksitz, etc.
Die 1A bis 1C zeigen eine beispielhafte Baugruppe eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors und eines Abgaskrümmers in Verbindung mit einem TEG-Einsatz. Wie in der 1A gezeigt weist die Verbrennungsmotor-TEG-Einsatzbaugruppe 100 auf einen Verbrennungsmotor 105, einen TEG-Einsatz 110 und einen Abgaskrümmer 115. Wie in der 1B gezeigt weist die Verbrennungsmotor-TEG-Einsatzbaugruppe 100 auf den Verbrennungsmotor 105 und den TEG-Einsatz 110, wobei der Abgaskrümmer 115 von der Baugruppe zu Zwecken der Darstellung entfernt ist. Wie in der 1C gezeigt ist eine Seitenansicht der Verbrennungsmotor-TEG-Einsatzbaugruppe 100 anschaulich dargestellt, wonach die Verbrennungsmotor-TEG-Einsatzbaugruppe 100 den Verbrennungsmotor 105, den TEG-Einsatz 110 und Abgaskrümmer 115 aufweist.
Zum Beispiel kann der Verbrennungsmotor 105 verwendet werden, um mittels Umwandelns von Energie in mechanische Bewegung einem Fahrzeug Leistung bereitzustellen. Der Verbrennungsmotor 105 kann von jeglichem Typ sein, welcher zum Antreiben eines Fahrzeugs und zum Kuppeln mit einem Abgaskrümmer geeignet ist und welcher, zum Beispiel, einen Verbrennungsmotor aufweist. Der Verbrennungsmotor 105 kann einen Abgaskrümmerauslass aufweisen, welcher geeignet ist, um mit einem Abgaskrümmer gekuppelt zu werden, wie zum Beispiel mit dem Abgaskrümmer 115.
Der Abgaskrümmer 115, zum Beispiel ein „Sammelrohr”, kann verwendet werden, um Abgas zu sammeln, welches vom Verbrennungsmotor 105 ausgelassen wird, zum Beispiel, wenn ein Verbrennungsmotorauslassventil geöffnet ist. Insbesondere kann der Abgaskrümmer 115 mehrere Zylinder aufweisen, welche eingerichtet sind, um von mehreren Auslässen des Verbrennungsmotors 105 Abgas zu erhalten. Die mehreren Zylinder gehen typischerweise in ein einzelnes Rohr über, zum Beispiel ein Abgasrohr, und das Abgas wird letztendlich vom Abgasrohr in die Atmosphäre entlassen. Wie es von einem gewöhnlichen Fachmann verstanden werden würde, kann das Abgas durch verschiedene andere Komponenten, zum Beispiel einen Katalysator, einen Schalldämpfer, etc., hindurch passieren, bevor es in die Atmosphäre entlassen wird.
In einigen Fahrzeugen wird Wärme, welche von Abgas, das den Verbrennungsmotor verlässt, erzeugt wird, von einem thermoelektrischen Generator (TEG) eingefangen und in elektrische Leistung umgewandelt. Betriebsbedingt weist der TEG typischerweise Elemente/Paneele auf. Ein Temperaturgradient kann über die TEG Paneele hinweg von Kühlmittel und heißem Abgas, welches durch den Krümmer hindurch strömt, erzeugt werden. Dieser Gradient erzeugt einen elektrischen Strom, welcher von zahlreichen Nebenkomponenten verwendet werden kann, wodurch eine Betriebseffizienz erhöht wird, zum Beispiel mittels Reduzierens der Größe der Lichtmaschine/Kühlmittelpumpe/Ölpumpe/etc., und eine Kraftstoffeffizienz gesteigert wird. Ohne einen TEG kann die Wärme, welche vom Abgas erzeugt wird, das den Verbrennungsmotor verlässt, einfach verschwendet sein.
Wie oben angemerkt leiden typische TEGs darunter groß und schwer zu sein, und deshalb sind sie vom Verbrennungsmotor ausgehend weit weg gelegen. Als ein Ergebnis kann das Gewicht eines Fahrzeuges deutlich erhöht sein, da Kühlmittel ausgehend vom Verbrennungsmotor weiter weg gepumpt werden muss. Das zusätzliche Gewicht kann dazu führen, dass der Verbrennungsmotor schwerer arbeitet, wodurch eine geringere Kraftstoffreichweite resultiert.
Wie jedoch in den 1A bis 1C gezeigt kann ein TEG-Einsatz 110 zwischen dem Verbrennungsmotor 105 und dem Abgaskrümmer 115 angeordnet sein. Insbesondere kann der TEG-Einsatz 110 zwischen dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors 105 und dem Einlass des Abgasrohrs angeordnet sein. Der TEG-Einsatz 110 kann wie in der 1C gezeigt von konstanter Breite W sein. Die Breite (W) des TEG-Einsatzes kann in einem Bereich von 0,2 mm bis 10 mm sein und bevorzugt in einem Bereich von 0,5 mm bis 1 mm. Darüber hinaus kann die Länge des TEG-Einsatzes in einem Bereich von 0,5 mm bis 50 mm sein und bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm. Deshalb kann eine Kontaktfläche des TEG-Einsatzes bevorzugt in einem ungefähren Bereich von 0,5 mm² bis 10 mm² sein. Vorteilhafterweise kann der TEG-Einsatz 110 aufgrund seiner kompakten Größe für maximale Energieumwandlung in der heißesten Region des Verbrennungsmotors angeordnet sein, d. h. im Wesentlichen angrenzend zum Verbrennungsmotor und dem Abgaskrümmerauslass. Deshalb kann der TEG-Einsatz 110 direkt vom heißen Abgas, welches den Verbrennungsmotor 105 verlässt, geheizt werden.
Wie weiter unten im Detail erörtert kann der TEG-Einsatz 110 aufweisen ein Gehäuse, welches im Wesentlichen geschlossen ist, und TEG-Elemente, welche auf einem Innenabschnitt des Gehäuses angebracht sind. Die TEG-Elemente können aus einer hoch-Effizienz silikonbasierten Nanostruktur hergestellt sein, was es gestattet, die Größe der TEG-Elemente stark zu reduzieren, und deshalb kann die Packungsdichte erhöht werden. Unter Verwendung der silikonbasierten Nanostruktur kann jedes der TEG-Elemente ungefähr 1 mm² groß sein, was tausende Elemente auf einem relativ kleinen Flächenbereich gestattet. Dementsprechend kann eine größere Anzahl von TEG-Elementen in ein kleineres Fach passen, wodurch die Gesamtgröße des TEG-Einsatzes reduziert wird.
Darüber hinaus kann der TEG-Einsatz 110 entwickelt sein, so dass er lösbar am Verbrennungsmotor befestigt ist. Zum Beispiel kann der TEG-Einsatz 110 am Verbrennungsmotor 105 und am Abgaskrümmer 115 unter Verwendung von Befestigungselementen, zum Beispiel Schrauben, befestigt sein. Als ein Ergebnis kann der TEG-Einsatz 110 einfach an einem Verbrennungsmotor angebracht werden ohne dass wesentliche Änderungen am gegenwärtigen Design notwendig sind. Auch kann der TEG-Einsatz 110 einfach zur Instandhaltung oder zum Ersetzen entfernt werden, wodurch signifikante Kostenvorteile erzeugt werden.
Die 2 zeigt eine beispielhafte Querschnittsseitenansicht des TEG-Einsatzes. Wie in der 2 gezeigt kann der TEG-Einsatz 200 aufweisen ein Gehäuse 205, welches zumindest eine Seitenwand 210, eine Außenwand 215, eine Vorsprungswand 220, einen Aussparungsabschnitt 225 und einen Befestigungsabschnitt 230 aufweist. Die TEG-Elemente 235 können an der Innenseite des Gehäuses 205 angebracht sein, wie weiter unten im Detail beschrieben ist. Die Funktion und Konfiguration des in der 2 gezeigten TEG-Einsatzes 200 können äquivalent zu der des TEG-Einsatzes sein, welcher in der 1 gezeigt ist.
Der TEG-Einsatz 200 kann aufweisen ein Gehäuse 205, welches im Wesentlichen geschlossen ist. Da das Gehäuse 205 im Wesentlichen geschlossen ist, kann es als ein Fach für ein oder mehrere TEG-Elemente 235 dienen. Das Gehäuse 205 kann im Wesentlichen von der Seitenwand 210, zum Beispiel der „ersten Seitenwand”, und der zweiten Seitenwand (in der 3 als 325 gezeigt) in Verbindung mit der Außenwand 215 umhüllt sein. Die erste Seitenwand 210 und die zweite Seitenwand können einander zugewandt sein und sich in eine im Wesentlichen zueinander parallele Richtung erstrecken. Die Außenwand 215 kann einen Umfang der ersten Seitenwand 210 mit einem Umfang der zweiten Seitenwand verbinden. Die Außenwand 215 kann von konstanter Breite sein und deshalb den TEG-Einsatz 210 bedingen, auch von konstanter Breite zu sein. Der wie in der 2 gezeigte TEG-Einsatz 200 und insbesondere das Gehäuse 205 haben eine längliche Gestalt. Jedoch kann der TEG-Einsatz 200 jegliche Abmessungen annehmen, welche für eine Anordnung zwischen dem Verbrennungsmotor 105 und dem Abgaskrümmer 115 geeignet sind, so dass der TEG-Einsatz direkt vom heißen Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, geheizt werden kann.
Das Gehäuse 205 kann ein Innenabschnitt mit einer Hohlkammer aufweisen. Insbesondere können die Umfänge der ersten und der zweiten Seitenwand mit der Außenwand 215 verbunden sein, so dass der Innenabschnitt des Gehäuses 205 eine Hohlkammer formt. Die Hohlkammer kann nutzbar sein, um es Luft und oder/einem Fluid, zum Beispiel einem Kühlmittel, zu erlauben den Innenabschnitt des Gehäuses 205 zu durchqueren. Das Kühlmittel, welches den Innenabschnitt des Gehäuses 205 durchquert, kann dazu dienen, um die daran angebrachten TEG-Elemente 235 zu kühlen, wie weiter unten im Detail beschrieben.
Das Gehäuse 205 kann weiter zumindest eine Vorsprungswand 220 aufweisen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann der Begriff „Vorsprungswand” eine einzelne Vorsprungswand oder mehrere Vorsprungswände umfassen. Die Vorsprungswand 220 kann den Innenabschnitt des Gehäuses 205 durchqueren, um die erste Seitenwand 210 mit der zweiten Seitenwand zu verbinden. Die Vorsprungswand 220 kann sich ebenfalls in eine Richtung erstrecken, welche im Wesentlichen senkrecht zur ersten und zur zweiten Seitenwand ist. Die Oberfläche der Vorsprungswand 220 kann mit Kühlmittel, welches den Innenabschnitt des Gehäuses 205 durchquert, in Kontakt kommen; jedoch sollte die Vorsprungswand das Strömen des Kühlmittels nicht komplett behindern.
Die Vorsprungswand 220 kann von einem Aussparungsabschnitt 225 im Gehäuse 205 geformt sein. Der Aussparungsabschnitt 225 kann eine Breite des Gehäuses 205 durchqueren, wobei die Breite des Gehäuses von der Breite der Außenwand 215 festgelegt wird. Der TEG-Einsatz 200 kann angrenzend zum Verbrennungsmotor 105 positioniert sein, so dass der Aussparungsabschnitt 225 funktionsbereit ist, um das Abgas zu empfangen, welches den Verbrennungsmotor verlässt. Insbesondere kann der TEG-Einsatz 200 an den Verbrennungsmotor montiert sein, so dass der Umfang des Aussparungsabschnitts 225 mit dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors gekuppelt ist. Als ein Ergebnis durchquert das Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, die Länge des Aussparungsabschnitts 225, d. h. in eine Querrichtung des Gehäuses 205, und das Abgas kann die TEG-Elemente 235 heizen, welche im Inneren des Gehäuses 205 angebracht sind. Der TEG-Einsatz 200 kann weiter an den Abgaskrümmer 115 montiert sein, welcher an einer zum Verbrennungsmotor 105 entgegengesetzten Seite des TEG-Einsatzes angeordnet ist, so dass der Umfang des Aussparungsabschnitts 225 mit dem Abgaskrümmer/Rohreinlass gekuppelt ist. Wie in der 2 gezeigt hat der Aussparungsabschnitt 225 eine Kreisgestalt; jedoch kann jede Gestalt, welche zum Montieren des TEG-Einsatzes 200 an den Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors und an den Abgaskrümmerinlass geeignet ist, verwendet werden.
Das Gehäuse 205 kann weiter zumindest einen Befestigungsabschnitt 230 aufweisen. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann der Begriff „Befestigungsabschnitt” einen einzelnen Befestigungsabschnitt oder mehrere Befestigungsabschnitte umfassen. Der Befestigungsabschnitt 230 kann funktionsbereit sein, um den TEG-Einsatz 200 am Verbrennungsmotor 105 und/oder am Abgaskrümmer 105 lösbar zu befestigen. Der Befestigungsabschnitt 230 kann ein Befestigungselement empfangen, welches zum Beispiel eine Schraube aufweist. Das Befestigungselement kann das Gehäuse 205 des TEG-Einsatzes am Verbrennungsmotor 105 und/oder am Abgaskrümmer 115 befestigen. Bevorzugt kann das Befestigungselement einfach vom TEG-Einsatz 200, vom Verbrennungsmotor 105 und/oder vom Abgaskrümmer 115 gelöst werden, wodurch ein einfaches Entfernen des TEG-Einsatzes zum Instandhalten oder zum Ersetzen erlaubt wird.
Die TEG-Elemente 235 können an einem Innenabschnitt des Gehäuses 205 angebracht sein. Insbesondere können die TEG-Elemente 235 an den Innenwänden des Gehäuses 205 angebracht sein, zum Beispiel an den Innenflächen der Seitenwand 210, der Außenwand 215 und/oder der Vorsprungswand 220. Die TEG-Elemente 235 können nur an den Innenflächen der ersten Seitenwand 210, nur an den Innenflächen der zweiten Seitenwand (in der 3 gezeigt) oder an beiden davon angebracht sein. Und zwar, wie die Anzahl von TEG-Elementen 235 steigt, die an den Innenwänden des TEG-Einsatzes 200 angebracht sind, steigt auch die Leistungsabgabe.
Wie es von einem Fachmann verstanden werden würde wandeln die TEGs Wärme in elektrische Energie, d. h. Elektrizität, um. Insbesondere erzeugt die Temperaturdifferenz zwischen zwei Flächen/Enden eines TEG-Moduls Elektrizität. Heizen eines Endes eines TEGs bedingt, dass sich Elektronen vom heißen Ende weg und zum kalten Ende hin bewegen, wodurch ein elektrischer Strom verursacht wird. Die Temperaturdifferenz in einem TEG-Modul, welches in einem Fahrzeug verwendet wird, entsteht häufig aufgrund von Abwärme und Kühlmittel. Während des Betriebs von typischen Fahrzeugen ist die Differenz der Temperatur des Abgases und der Temperatur des Kühlmittels bis zu 400°C. Die Temperaturdifferenz entspricht proportional der Ausgangsleistung der TEG-Elemente. Mit anderen Worten, eine große Temperaturdifferenz über den TEG hinweg resultiert in einer großen Leistungsabgabe. Deshalb ist es vorteilhaft den TEG-Einsatz 200 direkt angrenzend zum Verbrennungsmotor in Übereinstimmung mit den offenbarten Ausführungsformen zu positionieren, da der TEG-Einsatz sich in einem Bereich befindet, in welchem die Temperatur des Abgases ein maximales Niveau erreicht.
Die TEG-Elemente 235 können aus einer silikonbasierten Nanostruktur hergestellt sein, oder alternativ aus anderen geeigneten Materialien zusammengestellt sein, wie zum Beispiel Bismut, Blei, Magnesium, Selen, Tellur, Germanium, Antimon, Nickel-Chrom und dergleichen. Die silikonbasierte Nanostruktur ist ein hocheffizientes TEG adaptierbares Material, welches es erlaubt die Größe der TEG-Elemente signifikant zu reduzieren. Ein einzelnes TEG Paar kann aus einer N-Typ und einer P-Typ Nanostruktur bestehen, oder alternativ aus einer N-Typ Nanostruktur oder einer P-Typ Nanostruktur. Jedes TEG-Element kann zusammen gruppiert in Reihen/Paneelen sein. Jede Reihe beinhaltet hunderte Halbleiter-Nanostruktur TEG-Elemente. Jedes individuelle TEG-Element kann etwa von 1 mm² Größe sein. Darüber hinaus können die TEG-Elemente 235 für zusätzlichen Schutz mit einer Schutzhülle umhüllt sein.
Wie oben angegeben sollte der TEG-Einsatz 200 ausreichend kompakt sein, um so zusätzliches Gewicht für das Fahrzeug zu reduzieren, wodurch die Gesamtkraftstoffökonomie verbessert wird. Und zwar erlaubt es ein großes Innenflächenbereich zu TEG-Element-Größenverhältnis – ein Ergebnis der Nanostrukturzusammensetzung der TEG-Elemente – eine hohe Anzahl von TEG-Elementen 235 innerhalb im TEG-Einsatz 200 anzubringen. Zum Beispiel, im Interesse des Minimierens von Gewicht und Größe des TEG-Einsatzes, während die TEG-Effizienz maximiert wird, ist es in Erwägung zu ziehen, dass der gesamte Innenflächenbereich des Gehäuses 205 in einem Bereich von 20.000 mm² bis 150.000 mm² ist, und bevorzugt in einem Bereich von 50.000 mm² bis 120.000 mm² ist, und noch mehr bevorzugt in einem Bereich von 80.000 mm² bis 90.000 mm² ist. Gemäß den oben spezifizierten exemplarischen Abmessungen kann der gesamte Innenflächenbereich der Seitenwand 210, zum Beispiel der „ersten Seitenwand”, und der zweite Seitenwand in einem Bereich von 10.000 mm² bis 75.000 mm² sein, kann der gesamte Innenflächenbereich der Außenwand 215 (ausgeschlossen der Einlass/Auslassöffnungen) in einem Bereich von 5.000 mm² bis 40.000 mm² sein und kann der gesamte Innenflächenbereich der Vorsprungswand 220 in einem Bereich von 5.000 mm² bis 40.000 mm² sein. Von großer Bedeutung ist, dass die oben beschriebenen Flächenbereichsabmessungen nur für darstellende Zwecke gedacht sind und zum Bereitstellen eines besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung, und sie sollen nicht als die vorliegenden Ausführungsformen beschränkend verstanden werden.
Die 3 stellt eine partielle Querschnittsseitenansicht des TEG-Einsatzes mit einer Hohl-Innenkammer dar, welche von Kühlmittel durchquert wird. Wie in der 3 gezeigt weist der TEG-Einsatz 300 einen Einlass 305 und einen Auslass 310 auf, welche am Gehäuse 320 angeordnet sind. Die partielle Querschnittsseitenansicht stellt weiter die zweite Seitenwand 325 dar, welche wie in der 2 gezeigt der ersten Seitenwand 210 entgegengesetzt ist. Die Funktion und die Konfiguration des in der 3 gezeigten TEG-Einsatzes können gleich denen der in den 1 und 2 dargestellten TEG-Einsätze sein.
Der TEG-Einsatz 300 kann aufweisen einen Einlass 305 und einen Auslass 310, welche am Gehäuse 320 geformt sind. Der Einlass 305 und der Auslass 310 können jeweilig an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 320 angeordnet sein. Wie oben angemerkt kann der Innenabschnitt des Gehäuses 320 eine Hohlkammer aufweisen. Deshalb können der Einlass 305 und der Auslass 310 eingerichtet sein, um es Kühlmittel zu erlauben, durch die Hohlkammer hindurch zu passieren, welche die Abgaspassagen 315 quert. Der Einlass 305 und der Auslass 310 können eingerichtet sein, um daran z. B. einen Kühlmittelschlauch/rohr (nicht gezeigt) anzumontieren.
Wie oben angemerkt können die auf den Innenwänden des TEG-Einsatzes 300 angebrachten TEG-Elemente vom Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, geheizt werden. Zur selben Zeit, da das Kühlmittel den hohlen Innenabschnitt des Gehäuses 320 durchquert, kann das Kühlmittel die TEG-Elemente kühlen, z. B. vom Abgas erzeugte Wärme abführen. Folglich kann eine Temperaturdifferenz, welche der TEG wie oben beschrieben verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, an entgegengesetzten Enden der TEG-Elemente erzeugt werden.
Die 4 stellt eine beispielhafte schematische Querschnittsdraufsicht des TEG-Einsatzes dar, welche eine Abgasströmungsrichtung und eine Kühlmittelströmungsrichtung wiedergibt. Wie in der 4 gezeigt weist der TEG-Einsatz 400 eine Verbrennungsmotorseitenwand 405, eine Abgaskrümmerseitenwand 410 und dazwischen einen Innenabschnitt 415 auf. Der TEG-Einsatz kann weiter einen Aussparungsabschnitt 420 und zumindest ein TEG-Element 425 aufweisen. Die Funktion und die Konfiguration des in der 4 dargestellten TEG-Einsatzes 400 kann äquivalent zu denen der in den 1 bis 3 dargestellten TEG-Einsätze sein.
Die Verbrennungsmotorseitenwand 405 und die Abgaskrümmerseitenwand 410 können wie oben beschrieben jeweilig zur ersten Seitenwand und zur zweiten Seitenwand äquivalent sein. Zwischen der Verbrennungsmotorseitenwand 405 und der Abgaskrümmerseitenwand 410 kann ein Innenabschnitt 415 sandwich-artig eingefügt sein. Der Innenabschnitt 415 kann eine Hohlkammer aufweisen, welche eingerichtet ist, um es Kühlmittel zu erlauben durch das Innere des TEG-Einsatzes 400 hindurch zu passieren. Wie in der 3 gezeigt kann der Innenabschnitt 415 mit einem Einlass und einem Auslass gekuppelt sein. Das Kühlmittel kann zum Beispiel von einer stromaufwärts gelegenen Kühlmittelpumpe durch den TEG-Einsatz 400 hindurch gepumpt werden.
Wie oben angemerkt kann der Aussparungsabschnitt 420 eine Breite des TEG-Einsatzes 400 durchqueren. Als solcher kann der Aussparungsabschnitt 420 auch die Breite der Verbrennungsmotorseitenwand 420 und der Abgaskrümmerseitenwand 410 durchqueren. Wie außerdem oben angemerkt kann der TEG-Einsatz 400 angrenzend zum Verbrennungsmotor positioniert sein, so dass der Aussparungsabschnitt 420 funktionsbereit ist, um das Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, zu empfangen. Wie in der 4 gezeigt kann Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, durch den Aussparungsabschnitt 420 in eine Breitenrichtung des TEG-Einsatzes 400 hindurch strömen, d. h. quer zur Richtung, in welcher sich der TEG-Einsatz längs erstreckt. Das Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, erzeugt Wärme, welche die TEG-Elemente 425 heizen kann. Darüber hinaus, aufgrund der Positionierung der TEG-Elemente 425 innerhalb des TEG-Einsatzes 400, können die TEG-Elemente an einer ersten Seite der TEG-Elemente mehr geheizt werden, z. B. einer Verbrennungsmotorseite, als an einer zweiten Seite der TEG-Elemente, z. B. einer Abgaskrümmerseite – obwohl der Verbrennungsmotor nicht notweniger Weise wärmer als der Abgaskrümmer ist. Und zwar, nachdem das Abgas vom Verbrennungsmotor ausgelassen wird, wird Wärme des Abgases über die Zeit abgeleitet. Deshalb, aufgrund der Positionierung des TEG-Einsatzes 400, kann die Verbrennungsmotorseitenwand 405 mehr Wärme empfangen als die Abgaskrümmerseitenwand 410, da sich das Abgas etwas abgekühlt haben kann nachdem es die Abgaskrümmerseitenwand erreicht hat.
Und zwar kann die TEG-Einsatzwand, d. h. die Verbrennungsmotorseitenwand 405, im direkten Kontakt mit dem Abgas sein. Jedoch können die TEG-Elemente 425 ihrerseits nicht in direktem Kontakt mit dem Abgas sein. Stattdessen können die TEG-Elemente nur im direkten Kontakt mit der TEG-Einsatzwand und/oder der Schutzhülle, welche die TEG-Elemente umgibt, sein. Deshalb kann das Abgas die TEG-Elemente 425 indirekt heizen, d. h. ohne direkten Kontakt.
Zum selben Zeitpunkt kann Kühlmittel den Innenabschnitt 415 des TEG-Einsatzes 400 durchqueren. Wie in der 4 gezeigt kann das Kühlmittel durch den Innenabschnitt 415 in eine Längsrichtung des TEG-Einsatzes 400 hindurch strömen, d. h. parallel zur Richtung, in welcher sich der TEG-Einsatz längs erstreckt. Der Kühlmittelpfad kann über die Fläche der TEG-Elemente 425 kontinuierlich sein, und als ein Ergebnis kann das strömende Kühlmittel die TEG-Elemente kühlen. Deshalb, da eine erste Seite der TEG-Elemente 425 direkt vom Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, geheizt werden kann, und die zweite Seite der TEG-Elemente vom Kühlmittel gekühlt werden kann, kann eine Temperaturdifferenz über die TEG-Elemente hinweg erzeugt werden. Die TEG-Elemente 425 können dann die Temperaturdifferenz nutzen, um Abgasabwärme in Elektrizität umzuwandeln.
Wie oben beschrieben können die TEG-Elemente 425 nur an der Innenfläche der Verbrennungsmotorseitenwand 405, nur an der Innenfläche der Abgaskrümmerseitenwand 410 oder an beiden davon angebracht sein. In dem Fall, in welchem die TEG-Elemente 425 an der Verbrennungsmotorseitenwand 405 und an der Abgaskrümmerseitenwand 410 angebracht sind, kann das Kühlmittel die TEG-Elemente an beiden Seiten kühlen. Wie in der 2 gezeigt können zusätzliche TEG-Elemente 425 auch an der Innenfläche der der Außenwand und/oder der Vorsprungswand (Vorsprungswände) angebracht sein. Wenn die Anzahl von TEG-Elementen 425 steigt, welche an der Innenseite des TEG-Einsatzes 400 angebracht sind, kann natürlich auch die Leistungsabgabe steigen.
Die hier beschriebenen Komponenten, Anordnungen und Verfahren stellen deshalb eine Verbrennungsmotorabwärmerückgewinnung unter Verwendung eines TEG-Einsatzes bereit. Wie oben angemerkt, aufgrund seiner kompakten Größe, kann der TEG-Einsatz für eine maximale Energieumwandlung in der heißesten Region des Verbrennungsmotors angeordnet sein, das heißt, im Wesentlichen angrenzend zum Verbrennungsmotor und zum Abgaskrümmerauslass. Deshalb kann der TEG-Einsatz direkt vom heißen Abgas, welches den Verbrennungsmotor verlässt, geheizt werden. Darüber hinaus, da die TEG-Elemente in einem einzelnen TEG-Einsatz angebracht sein können und der TEG-Einsatz lösbar am Verbrennungsmotor und/oder am Abgaskrümmer angebracht sein kann, kann der TEG-Einsatz einfach für Instandhaltung oder zum Ersetzen entfernt werden, wodurch signifikante Kostenvorteile entstehen.
Obwohl erläuternde Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, welche unter Verwendung eines TEG-Einsatzes eine Verbrennungsmotorabwärmerückgewinnung bereitstellen, ist es klar, dass zahlreiche andere Adaptionen und Abwandlungen im Sinn und Umfang der hier ausgeführten Ausführungsformen mit dem Erreichen von einigen oder allen deren Vorteile getätigt werden können. Deshalb ist es die Aufgabe der angehängten Ansprüche alle solche Variationen und Abwandlungen abzudecken, die mit dem tatsächlichen Sinn und Umfang der hier ausgeführten Ausführungsformen zusammenkommen.

Claims

Ein System, aufweisend: einen Verbrennungsmotor (105), welcher einen Abgaskrümmerauslass hat, ein Abgasrohr (115), welches einen Einlass und einen Auslass hat, und einen thermoelektrischen Generator(TEG)-Einsatz (110; 200; 300; 400), welcher zwischen dem Abgaskrümmerauslass des Verbrennungsmotors (105) und dem Einlass des Abgasrohrs (115) angeordnet ist und welcher eingerichtet ist, um Wärme von Abgas, welches den Verbrennungsmotor (105) verlässt, in elektrische Leistung umzuwandeln.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) im Wesentlichen angrenzend zum Abgaskrümmerauslass gelegen ist.
Das System gemäß Anspruch 2, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) lösbar am Verbrennungsmotor (115) befestigt ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) aufweist: ein Gehäuse (205; 320), welches im Wesentlichen geschlossen ist, und TEG-Elemente (235; 425), welche an einem Innenabschnitt des Gehäuses (205; 320) angebracht sind.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei der Innenabschnitt des Gehäuses (205; 320) eine Hohlkammer aufweist.
Das System gemäß Anspruch 5, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) weiter einen Einlass und einen Auslass aufweist, welche am Gehäuse (205; 320) geformt sind und eingerichtet sind, um es Kühlmittel zu erlauben, durch die Hohlkammer des Gehäuses (205; 320) hindurch zu passieren.
Das System gemäß Anspruch 5, wobei die TEG-Elemente (235; 425) positioniert sind, so dass sie vom Abgas, welches den Verbrennungsmotor (105) verlässt, geheizt werden.
Das System gemäß Anspruch 7, wobei die TEG-Elemente (235; 425) an einer ersten Seite der TEG-Elemente mehr geheizt werden als an einer zweiten Seite der TEG-Elemente.
Das System gemäß Anspruch 7, wobei die TEG-Elemente (235; 425) positioniert sind, so dass sie vom Kühlmittel gekühlt werden, welches durch die Hohlkammer des Gehäuses (205; 320) hindurch passiert.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei das Gehäuse (205; 320) des TEG-Einsatzes (110; 200; 300; 400) einen Aussparungsabschnitt (225; 420) aufweist, welcher eine Breite des TEG-Einsatzes (110; 200; 300; 400) durchquert.
Das System gemäß Anspruch 10, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) positioniert ist, so dass der Aussparungsabschnitt (225; 420) funktionsbereit ist, um das Abgas zu empfangen, welches den Verbrennungsmotor (105) verlässt.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei das Gehäuse (205; 320) des TEG-Einsatzes (110; 200; 300; 400) aufweist: eine erste Seitenwand (210) und eine zweite Seitenwand (325), welche einander zugewandt sind und sich in eine im Wesentlichen zueinander parallele Richtung erstrecken, eine Außenwand (215), welche einen Umfang der ersten Seitenwand (210) mit einem Umfang der zweiten Seitenwand (325) verbindet und im Wesentlichen das Gehäuse (205; 320) in Verbindung mit der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand umhüllt, und eine Vorsprungswand (220), welche den Innenabschnitt des Gehäuses (205; 320) durchquert, die erste Seitenwand (210) mit der zweiten Seitenwand (325) verbindet und sich in eine im Wesentlichen zur ersten Seitenwand und zur zweiten Seitenwand senkrechte Richtung erstreckt.
Das System gemäß Anspruch 12, wobei ein oder mehrere TEG-Elemente (235; 425) an einer Innenseite der ersten Seitenwand (210) und an einer Innenseite der zweiten Seitenwand (325) angebracht sind.
Das System gemäß Anspruch 12, wobei ein oder mehrere TEG-Elemente (235; 425) an einer Innenseite der Außenwand (215) angebracht sind.
Das System gemäß Anspruch 12, wobei ein oder mehrere TEG-Elemente (235; 425) an einer Innenseite der Vorsprungswand (220) angebracht sind.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei die TEG-Elemente (235; 425) in eine Schutzhülle eingehüllt sind.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei eine Kontaktfläche von einem der TEG-Elemente (235; 425) in einem ungefähren Bereich von 0,5 mm² bis 10 mm² ist.
Das System gemäß Anspruch 4, wobei die TEG-Elemente (235; 425) aus einer silikonbasierten Nanostruktur hergestellt sind.
Eine Vorrichtung, aufweisend: ein TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400), welcher eingerichtet ist, um zwischen einem Abgaskrümmerauslass eines Verbrennungsmotors (105) und einem Einlass eines Abgasrohrs (115) angebracht zu sein und eingerichtet ist, um Wärme von Abgas, welches den Verbrennungsmotor (105) verlässt, in elektrische Leistung umzuwandeln.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei der TEG-Einsatz (110; 200; 300; 400) TEG-Elemente (235; 425) aufweist, welche an einem Innenabschnitt eines Gehäuses (205; 320) des TEG-Einsatzes (110; 200; 300; 400) angebracht sind und aus einer silikonbasierten Nanostruktur hergestellt sind.