DE102016112232B4 - Hot gas utilization device, vehicle and method for operating a hot gas utilization device - Google Patents

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Abstract

Heißgasnutzungsvorrichtung, umfassend eine Führungseinrichtung (40) für Heißgas, eine Katalysatoreinrichtung (44) für Heißgas, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung (40) verbunden ist und der Führungseinrichtung (40) strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung (54), welche thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung (58), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung (58) eine Wärmespeichereinrichtung (70) aufweist, in welcher ein Wärmespeichermaterial (72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (72) ein Phasenwechselmedium ist, dass das Wärmespeichermaterial (72) in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung (40) und der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) steht, und dass die elektrische Heizeinrichtung (58) ein oder mehrere Stromdurchflusselemente (74) umfasst, welche von Wärmespeichermaterial (72) umgeben sind.A hot gas utilization apparatus comprising hot gas guide means (40), hot gas catalyst means (44) fluidly connected to said guide means (40) and downstream of said guide means (40), thermoelectric module means (54) which thermally adhere to said Guide device (40), a cold heat transfer device (56), which is thermally coupled to the thermoelectric module device (54), and an electrical heater (58), which thermally to the thermoelectric module device (54) and thermally to the guide device (40) wherein the electrical heating device (58) comprises a heat storage device (70) in which a heat storage material (72) is arranged, characterized in that the heat storage material (72) is a phase change medium, that the heat storage material (72) in thermal communication with the fluid guide device (40) and the thermoelectric module device (54), and that the electrical heating device (58) comprises one or more Stromdurchflusselemente (74) which are surrounded by heat storage material (72).

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgasnutzungsvorrichtung, umfassend eine Führungseinrichtung für Heißgas, eine Katalysatoreinrichtung für Heißgas, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung verbunden ist und der Führungseinrichtung strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung, welche thermisch an die Führungseinrichtung gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung, welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung, welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung und thermisch an die Führungseinrichtung gekoppelt ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung eine Wärmespeichereinrichtung aufweist, in welcher ein Wärmespeichermaterial angeordnet ist.The invention relates to a hot gas utilization device, comprising a guide device for hot gas, a hot gas catalyst device, which is fluidly connected to the guide means and downstream of the guide means, a thermoelectric module means, which is thermally coupled to the guide means, a cold heat transfer means, which thermally to the thermoelectric module device is coupled, and an electric heater which is thermally coupled to the thermoelectric module means and thermally coupled to the guide means, wherein the electrical heating means comprises a heat storage device in which a heat storage material is arranged.

Aus der DE 10 2010 012 629 A1 ist eine Vorrichtung für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, wobei die Vorrichtung zumindest ein Gehäuse umfasst, das Gehäuse eine Längsachse und eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist, sowie einen Einlass und einen Auslass für Abgas sowie zumindest einen Einlauf und einen Auslauf für ein Kühlmedium. In dem Gehäuse ist ein von Abgas durchströmbarer Katalysatorträgerkörper mit einer Außenumfangsfläche und einer Innenumfangsfläche angeordnet, wobei das Abgas über die erste Stirnseite in das Gehäuse eintritt und über die Innenumfangsfläche zur Außenumfangsfläche den Katalysatorträgerkörper radial durchströmt und das Gehäuse über die zweite Stirnseite verlässt. Stromabwärts das Katalysatorträgerkörpers sind eine Vielzahl von Rohrelementen mit Außenseiten und Innenseiten angeordnet, wobei die Rohrelemente parallel zur Längsachse entlang der Außenumfangsfläche angeordnet sind und die Außenseiten mit Abgas und die Innenseiten von dem Kühlmedium beaufschlagt werden, wobei zwischen Außenseite und Innenseite der Rohrelemente thermoelektrische Elemente angeordnet sind.From the DE 10 2010 012 629 A1 an apparatus for an exhaust system of an internal combustion engine is known, wherein the device comprises at least one housing, the housing has a longitudinal axis and a first end side and a second end side, and an inlet and an outlet for exhaust gas and at least one inlet and an outlet for a cooling medium , In the housing, a catalyst support body can be flowed through by exhaust gas having an outer peripheral surface and an inner peripheral surface, wherein the exhaust enters the housing via the first end face and radially flows through the catalyst carrier body via the inner peripheral surface to the outer peripheral surface and leaves the housing via the second end face. Downstream of the catalyst carrier body are arranged a plurality of tube elements with outer sides and inner sides, wherein the tube elements are arranged parallel to the longitudinal axis along the outer peripheral surface and the outer sides are exposed to exhaust gas and the inner sides of the cooling medium, wherein between the outside and inside of the tubular elements thermoelectric elements are arranged ,

Die WO 02/40838 A1 offenbart einen radial durchströmbaren, segmentierten Wabenkörper.The WO 02/40838 A1 discloses a radially permeable, segmented honeycomb body.

Die DE 10 2006 040 853 B3 offenbart eine thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator, und mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator.The DE 10 2006 040 853 B3 discloses a thermoelectric device with a thermoelectric generator, and with means for limiting the temperature at the thermoelectric generator.

Die DE 10 2013 214 826 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem in einem Abgasstrang des Fahrzeugs in einem Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs und in ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeugs integrierten thermoelektrischen Generator, wobei durch den thermoelektrischen Generator aus einem über den thermoelektrischen Generator abfallenden Temperaturgradienten elektrische Spannung zur Speisung in das elektrische Bordnetz generierbar ist. Der thermoelektrische Generator weist einen Innenwiderstand auf. An dem thermoelektrischen Generator ist durch das elektrische Bordnetz eine elektrische Spannung anlegbar, und bei angelegter Spannung in dem thermoelektrischen Generator erzeugte Wärme ist auf ein Kühlmedium des Kühlmittelkreislaufes übertragbar.The DE 10 2013 214 826 A1 discloses a vehicle with a integrated in an exhaust line of the vehicle in a coolant circuit of the vehicle and in an electrical system of the vehicle thermoelectric generator, wherein the thermoelectric generator from a falling over the thermoelectric generator temperature gradient for supplying voltage to the electrical system can be generated. The thermoelectric generator has an internal resistance. At the thermoelectric generator, an electrical voltage can be applied by the electrical system, and generated at applied voltage in the thermoelectric generator heat is transferable to a cooling medium of the coolant circuit.

Aus der DE 10 2010 035 480 A1 ist ein Katalysatortemperatursteuerungssystem bekannt, umfassend ein Fahrzeugstarterwartungsmodul, das auf Grundlage zumindest eines einer Mehrzahl von Fahrzeugzuständen, bevor ein Zündschalter eingeschaltet wird, bestimmt, ob ein Fahrzeugstart erwartet wird. Es ist weiterhin ein Steuermodul für einen elektrisch beheizbaren Katalysator vorgesehen, das einen elektrischen beheizbaren Katalysator auf Grundlage der Bestimmung aktiviert.From the DE 10 2010 035 480 A1 For example, a catalyst temperature control system is known, comprising a vehicle starter maintenance module that determines whether a vehicle start is expected based on at least one of a plurality of vehicle conditions before an ignition switch is turned on. There is further provided a control module for an electrically heatable catalyst which activates an electrically heatable catalyst based on the determination.

Aus der WO 2010/112958 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher Regenerationsmittel umfasst.From the WO 2010/112958 A1 For example, an internal combustion engine is known which comprises regeneration means.

Aus der US 2003/0223919 A1 ist ein Ergänzungs-Energieerzeugungssystem bekannt, welches in ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors integriert ist und einen katalytischen Konverter umfasst. Es ist ferner ein Kühlkanal vorgesehen. Weiterhin ist ein thermoelektrisches Generatorsystem vorgesehen.From the US 2003/0223919 A1 a supplemental power generation system is known, which is integrated in an exhaust system of an internal combustion engine and comprises a catalytic converter. There is also provided a cooling channel. Furthermore, a thermoelectric generator system is provided.

Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und eine Heißgasnutzungsvorrichtung, welcher als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors zugeführt wird.The invention further relates to a vehicle comprising an internal combustion engine and a hot gas utilization device, which is supplied as a hot gas exhaust gas of the internal combustion engine.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Heißgasn utzu ngsvorrichtu ng.The invention further relates to a method for operating a Heißgasn utzu ngsvorrichtu ng.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißgasnutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche umfangreiche Nutzungsmöglichkeiten aufweist.The invention has for its object to provide a hot gas utilization device of the type mentioned, which has extensive uses.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Heißgasnutzungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmedium ist, dass das Wärmespeichermaterial in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, und dass die elektrische Heizeinrichtung ein oder mehrere Stromdurchflusselemente umfasst, welche von Wärmespeichermaterial umgeben sind.This object is achieved according to the invention in the hot gas utilization apparatus mentioned above in that the heat storage material is a phase change medium, that the heat storage material is in thermal communication with the fluid guide device and the thermoelectric module device, and that the electric heater comprises one or more Stromdurchflusselemente which are surrounded by heat storage material ,

Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung weist eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi auf. Beispielsweise kann die Heißgasnutzungsvorrichtung dazu genutzt werden, auch wenn kein Heißgas vorhanden ist, um durch einen entsprechenden Betrieb der Heizeinrichtung einen Heizbetrieb zu ermöglichen.The hot gas utilization device according to the invention has a multiplicity of different operating modes. For example, the hot gas utilization device can be used to, too if no hot gas is present to allow heating operation by a corresponding operation of the heater.

Wenn Heißgas bereitgestellt ist, welches nicht die erforderliche Temperatur aufweist, kann die elektrische Heizeinrichtung dazu genutzt werden, das entsprechende Heißgas weiter aufzuheizen und/oder eine Katalysatoreinrichtung entsprechend aufzuheizen, so dass eine optimale Heißgasreinigung durch die Katalysatoreinrichtung möglich ist.If hot gas is provided which does not have the required temperature, the electric heating device can be used to further heat the corresponding hot gas and / or to heat a catalyst device accordingly, so that optimum hot gas purification by the catalyst device is possible.

Wenn Heißgas einer geeigneten Temperatur bereitgestellt wird, dann kann die Heißgasnutzungsvorrichtung über die thermoelektrische Moduleinrichtung dazu genutzt werden, einen nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen.If hot gas is provided at a suitable temperature, then the hot gas utilization device may be utilized via the thermoelectric module device to generate a usable electrical current.

Wenn die Heißgasnutzungsvorrichtung mit Heißgas betrieben wird, welches durch die Führungseinrichtung und die Katalysatoreinrichtung durchgeführt wird, und das Heißgas beim Einkoppeln eine zu hohe Temperatur aufweist, dann kann die thermoelektrische Moduleinrichtung über den Peltier-Effekt dazu verwendet werden, das Heißgas abzukühlen beziehungsweise die Katalysatoreinrichtung abzukühlen, um eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen.If the hot gas utilization device is operated with hot gas, which is performed by the guide device and the catalyst device, and the hot gas during coupling has a too high temperature, then the thermoelectric module device can be used via the Peltier effect to cool the hot gas or to cool the catalyst device to reach an optimal operating temperature.

Durch die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lassen sich transiente Zustände in dem Heißgas ausgleichen, wobei dieser Ausgleich über „interne“ Mittel der Heißgasnutzungsvorrichtung möglich ist. In einem Normalbetrieb kann die thermoelektrische Moduleinrichtung dazu genutzt werden, nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Bei zu heißem Heißgas kann die thermoelektrische Moduleinrichtung zur Kühlung genutzt werden.By means of the hot gas utilization device according to the invention, transient states in the hot gas can be compensated for, wherein this compensation is possible via "internal" means of the hot gas utilization device. In a normal operation, the thermoelectric module device can be used to generate usable electric power. If the hot gas is too hot, the thermoelectric module device can be used for cooling.

Die elektrische Heizeinrichtung kann für Heizzwecke genutzt werden sowohl für eine externe Anwendung wie ein Heizsystem eines Fahrzeugs als auch für eine interne Anwendung zur weiteren Aufheizung des Heißgases und/oder der Katalysatorei nrichtung.The electric heater can be used for heating purposes both for an external application such as a heating system of a vehicle and for an internal application for further heating of the hot gas and / or the Katalysatorei device.

Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lässt sich optimiert in Fahrzeugen einsetzen wie Hybridfahrzeugen, Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik, oder Fahrzeuge mit Abgasturboladern. Bei der Verwendung von Abgasturboladern zur Effizienzsteigerung tritt oftmals das Problem auf, dass die notwendige Temperatur der Katalysatoreinrichtung nicht oder nur langsam erreicht wird. Durch Anfetten eines Kraftstoff-Luftgemischs könnte dieser Problematik begegnet werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich durch Verwendung der elektrischen Heizeinrichtung die notwendige Temperatur an der Katalysatoreinrichtung ohne Anfetten des Kraftstoff-Luftgemischs erreichen, so dass kein erhöhter Kraftstoffverbrauch verursacht wird beziehungsweise keine erhöhten Emissionen verursacht werden.The hot gas utilization device according to the invention can be optimally used in vehicles such as hybrid vehicles, vehicles with automatic start-stop, or vehicles with exhaust gas turbochargers. When using exhaust gas turbochargers to increase efficiency often the problem arises that the necessary temperature of the catalyst device is not or only slowly achieved. By enriching a fuel-air mixture this problem could be met. In the solution according to the invention can be achieved by using the electric heater, the necessary temperature at the catalyst device without enriching the fuel-air mixture, so that no increased fuel consumption is caused or no increased emissions are caused.

Bei Hybridfahrzeugen oder Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik erfolgt durch Abschalten des Verbrennungsmotors eine Verbrauchseinsparung. Es kann jedoch dadurch eine Temperaturabsenkung an der Katalysatoreinrichtung bewirkt werden, so dass diese nicht mehr optimiert betrieben ist und eine schlechte Umwandlungsrate aufweist. Durch Nutzung der elektrischen Heizeinrichtung kann dieser Problematik begegnet werden.In hybrid vehicles or vehicles with automatic start-stop, a shutdown of the internal combustion engine saves fuel. However, this can cause a temperature drop at the catalyst device, so that it is no longer operated optimally and has a poor conversion rate. By using the electric heater this problem can be met.

Beispielsweise bei Hybrid-Fahrzeugen steht im elektrischen Betrieb keine Wärmequelle zur Temperierung der Fahrgastzelle oder anderer Komponenten des Fahrzeugs zur Verfügung. Die elektrische Heizeinrichtung kann in diesem Falle Wärme bereitstellen.For example, in hybrid vehicles, no heat source is available for controlling the temperature of the passenger compartment or other components of the vehicle during electrical operation. The electric heater can provide heat in this case.

Günstig ist es, wenn die thermoelektrische Moduleinrichtung mindestens eine thermoelektrische Modullage aufweist und die elektrische Heizeinrichtung mindestens eine Heizlage aufweist, wobei die mindestens eine Heizlage zwischen der Führungseinrichtung und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage angeordnet ist und thermisch mit der Führungseinrichtung und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage verbunden ist. Dadurch ergibt sich bei kompaktem Aufbau eine Mehrzahl von Betriebsmodi. Je nach Betriebsmodus kann die thermoelektrische Moduleinrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom oder als Kühleinrichtung benutzt werden. It is advantageous if the thermoelectric module device has at least one thermoelectric module layer and the electric heating device has at least one heating layer, wherein the at least one heating layer is arranged between the guide device and the at least one thermoelectric module layer and is thermally connected to the guide device and the at least one thermoelectric module layer is. This results in a compact design, a plurality of operating modes. Depending on the operating mode, the thermoelectric module device can be used to generate electric current or as a cooling device.

Die elektrische Heizeinrichtung kann je nach Betriebsmodus genutzt werden, um Heißgas in der Führungseinrichtung aufzuheizen und/oder die Katalysatoreinrichtung aufzuheizen, oder Kühlmittel in der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aufzuheizen.Depending on the operating mode, the electrical heating device can be used to heat up hot gas in the guide device and / or to heat the catalytic converter device, or to heat up coolant in the cold-heat transfer device.

Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die Kaltwärmeübertragungseinrichtung mindestens eine Kaltwärmeübertragungslage aufweist, wobei die mindestens eine thermoelektrische Modullage zwischen der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage und der mindestens einen Heizlage angeordnet ist und mit der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage und der mindestens einen Heizlage thermisch verbunden ist. Es lässt sich so durch die thermoelektrische Modullage hindurch Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung abgeben, welche durch die mindestens eine Heizlage bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Art von Standheizung realisieren.For the same reason, it is favorable if the cold heat transfer device has at least one cold heat transfer layer, wherein the at least one thermoelectric module layer between the at least one cold heat transfer layer and the at least one heating layer is arranged and is thermally connected to the at least one cold heat transfer layer and the at least one heating layer. As a result, heat can be released through the thermoelectric module layer to the cold heat transfer device, which is provided by the at least one heating layer. As a result, for example, a kind of auxiliary heating can be realized.

Die elektrische Heizeinrichtung weist eine Wärmespeichereinrichtung auf, in welcher ein Wärmespeichermaterial angeordnet ist, wobei das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmedium ist. Dadurch lässt sich optimiert Wärme speichern beziehungsweise Wärme eintragen und dann auch aus der elektrischen Heizeinrichtung austragen. Ferner lässt sich auf einfache Weise eine effektive thermische Kopplung über die elektrische Heizeinrichtung zwischen der Führungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung erreichen.The electrical heating device has a heat storage device in which a heat storage material is arranged, wherein the heat storage material is a phase change medium. This can be optimized heat store or enter heat and then unsubscribe from the electric heater. Furthermore, an effective thermal coupling can be easily achieved via the electrical heating device between the guide device and the thermoelectric module device.

Das Wärmespeichermaterial steht in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung, um eine effektive Wärmekopplung zu erreichen und auch um eine effektive Wärmeaustragung beziehungsweise Wärmeeintragung zu ermöglichen.The heat storage material is in thermal communication with the fluid routing device and the thermoelectric module device to achieve effective thermal coupling and also to enable effective heat transfer.

Die elektrische Heizeinrichtung weist ein oder mehrere Stromdurchflusselemente auf, welche von Wärmespeichermaterial umgeben sind. Dadurch lässt sich optimiert Wärme eintragen und auch austragen.The electrical heating device has one or more current flow elements, which are surrounded by heat storage material. This makes it possible to record and discharge heat optimally.

Bei einer Ausführungsform sind die elektrische Heizeinrichtung und Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung thermisch miteinander verbunden. Grundsätzlich ist es möglich, dass Wärme von der elektrischen Heizeinrichtung an die Katalysatoreinrichtung dadurch übertragen wird, dass die elektrische Heizeinrichtung Heißgas in der Fluidführungseinrichtung aufweist, welches dann zu der Katalysatoreinrichtung strömt. Durch eine thermische Verbindung der elektrischen Heizeinrichtung mit der Katalysatoreinrichtung lässt sich diese durch die elektrische Heizeinrichtung direkt beheizen. Dadurch ist es beispielsweise auf einfache Weise möglich, über die elektrische Heizeinrichtung die Katalysatoreinrichtung auf eine erforderliche Temperatur beziehungsweise in einen erforderlichen Temperaturbereich zu bringen, um eine optimierte Heißgasreinigung zu ermöglichen.In one embodiment, the electric heater and catalyst material of the catalyst device are thermally connected to each other. In principle, it is possible for heat to be transferred from the electrical heating device to the catalyst device in that the electrical heating device has hot gas in the fluid guiding device, which then flows to the catalyst device. By a thermal connection of the electric heater with the catalyst device can be heated directly by the electric heater. This makes it possible, for example, in a simple manner, to bring about the electric heater, the catalyst device to a required temperature or in a required temperature range to allow optimized hot gas cleaning.

Günstig ist es, wenn die Fluidführungseinrichtung an einem Diffusor für Heißgas angeordnet oder gebildet ist. Dadurch lässt sich optimiert Heißgas zuführen. Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die Katalysatoreinrichtung an einen Konzentrator für Heißgas angekoppelt ist. Dadurch lässt sich Heißgas optimiert abführen, wobei dieses Heißgas insbesondere durch die Katalysatoreinrichtung gereinigt wurde.It is advantageous if the fluid guiding device is arranged or formed on a diffuser for hot gas. This allows optimally supplying hot gas. For the same reason, it is favorable if the catalyst device is coupled to a hot gas concentrator. As a result, hot gas can be removed in an optimized manner, with this hot gas being purified in particular by the catalyst device.

Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung weist insbesondere einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung auf, bei dem die elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung heizt und/oder ein Wärmespeichermaterial der elektrischen Heizeinrichtung thermisch auflädt. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Art von Standheizung realisieren beziehungsweise es lässt sich in einem Fahrzeug im rein elektrischen Betrieb eine integrierte Heizquelle bereitstellen. Der entsprechende elektrische Strom zum Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung kann dabei von einer Fahrzeugbatterie oder auch von einer Ladestation beim Aufladen einer Fahrzeugbatterie kommen.The hot gas utilization device according to the invention has, in particular, an operating mode without hot gas flow, in which the electric heating device is in a heating mode and heats cooling medium of the cold heat transfer device and / or thermally charges a heat storage material of the electric heating device. This makes it possible, for example, to realize a type of auxiliary heating or to provide an integrated heating source in a vehicle in purely electrical operation. The corresponding electric current for operating the electric heating device can come from a vehicle battery or from a charging station when charging a vehicle battery.

Es ist ferner vorteilhafterweise ein Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist und Heißgas der Katalysatoreinrichtung zugeführt ist, wobei Heißgas durch die elektrische Heizeinrichtung aufgeheizt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung heizt. Wenn beispielsweise die Temperatur des Heißgases nicht ausreicht, die Katalysatoreinrichtung auf ihren optimierten Temperaturbereich zu bringen, dann kann die elektrische Heizeinrichtung dafür sorgen, dass dieser optimierte Temperaturbereich erreicht wird. Dadurch ergibt sich eine effektive Abgasreinigung. Ein solcher Betriebsmodus ist beispielsweise bei Verwendung eines Abgasladers beziehungsweise beim Start-Stopp-Betrieb oder einem Hybridbetrieb eines Fahrzeugs vorteilhaft.It is also advantageously an operation mode in which the electric heater is in a heating operation and hot gas is supplied to the catalyst device, wherein hot gas is heated by the electric heater and / or the electric heater heats catalyst material of the catalyst device. For example, if the temperature of the hot gas is not sufficient to bring the catalyst device to its optimized temperature range, then the electric heater can ensure that this optimized temperature range is achieved. This results in an effective emission control. Such an operating mode is advantageous, for example, when using an exhaust gas charger or during start-stop operation or a hybrid operation of a vehicle.

Es ist ferner günstig, wenn ein Betriebsmodus vorgesehen ist, bei dem die elektrische Heizeinrichtung nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung von Heißgas durchströmt ist, wobei die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung wirkt und an der thermoelektrischen Moduleinrichtung nutzbarer elektrischer Strom erzeugt wird. Es wird dann die Wärmeenergie im Heißgas dazu genutzt, über den Seebeck-Effekt an der thermoelektrischen Moduleinrichtung einen nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. In diesem Falle wirkt die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung als Kaltwärmeübertrager.It is furthermore advantageous if an operating mode is provided in which the electric heating device is not in operative operation and hot gas flows through the fluid guiding device, wherein the fluid guiding device acts as a hot heat exchanger for the thermoelectric module device and usable electrical current is generated at the thermoelectric module device. The heat energy in the hot gas is then used to generate a usable electric current via the Seebeck effect on the thermoelectric module device. In this case, the fluid guide device acts as a hot heat exchanger and the cold heat transfer device as a cold heat exchanger.

Es ist ferner günstig, wenn ein Betriebsmodus vorgesehen ist, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung mit Heißgas durchströmt ist, wobei durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung diese als Kühleinrichtung wirkt und Heißgas kühlt und/oder Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung kühlt. Wenn das Heißgas eine zu hohe Temperatur aufweist, bei der der optimale Temperaturbereich für die Katalysatoreinrichtung überschritten ist, kann in diesem Betriebsmodus die Katalysatoreinrichtung direkt und/oder durch Kühlung des Heißgases in den optimalen Temperaturbereich gebracht werden beziehungsweise dort gehalten werden.It is also advantageous if an operating mode is provided, in which the electric heating device is not in operative operation and the fluid guiding device is flowed through with hot gas, which by energizing the thermoelectric module device acts as a cooling device and cools hot gas and / or catalyst material of the catalyst device cools. If the hot gas has too high a temperature at which the optimum temperature range for the catalyst device is exceeded, in this operating mode, the catalyst device can be brought directly into the optimum temperature range and / or by cooling the hot gas or be held there.

Günstig ist es, wenn die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt wird, welches einen Verbrennungsmotor umfasst, wobei als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors verwendet ist.It is advantageous if the hot gas utilization device according to the invention is used in a vehicle which has an internal combustion engine includes, being used as the hot gas exhaust gas of the internal combustion engine.

Insbesondere ist dann die Kaltwärmeübertragungseinrichtung an eine Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs angeschlossen. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise Wärme von der Kaltwärmeübertragungseinrichtung abführen. Ferner lässt sich beispielsweise dann auch in einem elektrischen Heizbetrieb eine Beheizung an der Klimatisierungseinrichtung erfolgen, um beispielsweise eine Standheizung zu realisieren oder einen Heizbetrieb zu realisieren in Zeiten, in denen kein Heißgas (Abgas) bereitgestellt ist.In particular, the cold heat transfer device is then connected to an air conditioning device of the vehicle. It can thereby dissipate heat from the cold heat transfer device in a simple manner. Furthermore, for example, heating in the air-conditioning device can then also take place in an electrical heating operation in order, for example, to realize a parking heater or to realize a heating operation in times when no hot gas (exhaust gas) is provided.

Aus den oben genannten Gründen ist es günstig, wenn das Fahrzeug dem Verbrennungsmotor zugeordnet eine Start-Stopp-Automatik und/oder einen Abgasturbolader und/oder einen zusätzlichen Elektroantrieb aufweist. Es lässt sich dann je nach Betriebsmodus des Fahrzeugs der entsprechende Betriebsmodus der Heißgasnutzungsvorrichtung auswählen.For the reasons mentioned above, it is favorable if the vehicle has an automatic start-stop system and / or an exhaust gas turbocharger and / or an additional electric drive assigned to the internal combustion engine. It can then be selected depending on the operating mode of the vehicle, the corresponding operating mode of the hot gas utilization device.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung bereitgestellt, bei dem im Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung an der elektrischen Heizeinrichtung ein Wärmespeichermaterial aufgeheizt wird, welches Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Heißgas in der Fluidführungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung abgibt, wobei das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmedium ist, das Wärmespeichermaterial in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, und die elektrische Heizeinrichtung ein oder mehrere Stromdurchflusselemente umfasst, welche von Wärmespeichermaterial umgeben sind und welches mindestens einen der folgenden Betriebsmodi aufweist:

  1. (i) Die elektrische Heizeinrichtung wird in einem Heizbetrieb betrieben und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung wird mittels der elektrischen Heizeinrichtung aufgeheizt, wobei keine Heißgasdurchströmung der Fluidführungseinrichtung erfolgt;
  2. (ii) Die elektrische Heizeinrichtung wird in einem Heizbetrieb betrieben und heizt Heißgas auf, welches der Katalysatoreinrichtung zugeführt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung heizt Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung auf;
  3. (iii) Die elektrische Heizeinrichtung wird nicht operativ betrieben, die Fluidführungseinrichtung wirkt als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung und die thermoelektrische Moduleinrichtung wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, wobei dann die thermoelektrische Moduleinrichtung als Kühleinrichtung für das Heißgas und/oder die Katalysatoreinrichtung wirkt.
According to the invention, a method for operating the hot gas utilization device according to the invention is provided, in which, during operation of the electric heating device at the electric heating device, a heat storage material is heated, which releases heat to the cold heat transfer device and / or gives off heat to hot gas in the fluid guiding device and / or heat to catalyst material Catalyst device, wherein the heat storage material is a phase change medium, the heat storage material is in thermal communication with the fluid guide device and the thermoelectric module device, and the electric heater comprises one or more Stromdurchflusselemente which are surrounded by heat storage material and which has at least one of the following operating modes:
  1. (i) The electric heater is operated in a heating operation and cooling medium of the cold heat transfer device is heated by means of the electric heater, wherein no hot gas flowing through the fluid guide means takes place;
  2. (ii) The electric heater is operated in a heating operation and heats up hot gas supplied to the catalyst device and / or the electric heater heats catalyst material of the catalyst device;
  3. (iii) The electric heating device is not operatively operated, the fluid guiding device acts as a heat exchanger for the thermoelectric module device and the thermoelectric module device is subjected to an electric current, in which case the thermoelectric module device acts as a cooling device for the hot gas and / or the catalyst device.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.The method according to the invention has the advantages already explained in connection with the hot gas utilization device according to the invention.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung erläutert.Further advantageous embodiments of the method according to the invention have already been explained in connection with the hot gas utilization device according to the invention.

Insbesondere existiert ein weiterer Betriebsmodus, bei dem die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager wirkt und die thermoelektrische Moduleinrichtung einen nutzbaren elektrischen Strom bereitstellt. Dadurch kann auch der thermische Energieinhalt des Heißgases genutzt werden.In particular, there is another operating mode in which the fluid guiding device acts as a hot heat exchanger and the thermoelectric module device provides a usable electric current. As a result, the thermal energy content of the hot gas can be used.

Es ist günstig, wenn über die elektrische Heizeinrichtung und/oder die thermoelektrische Moduleinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Katalysatoreinrichtung an einem bestimmten Betriebspunktbereich bezüglich der Katalysatortemperatur betrieben wird. Dadurch ergibt sich bei energiesparendem Betrieb eine optimierte Abgasreinigung.It is favorable if, via the electrical heating device and / or the thermoelectric module device, it is favorable to control and / or regulate that the catalyst device is operated at a certain operating point range with respect to the catalyst temperature. This results in an energy-saving operation optimized exhaust gas purification.

Insbesondere wird im Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung an der elektrischen Heizeinrichtung ein Wärmespeichermaterial aufgeheizt, welches Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Heißgas in der Fluidführungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung abgibt. Dadurch ergibt sich ein optimierter Heizbetrieb, wobei die entsprechende Wärme beispielsweise für Heizzwecke an einer Fahrgastzelle oder dergleichen genutzt werden kann, oder je nach Betriebsmodus genutzt werden kann, um Heißgas in der Heißgasnutzungsvorrichtung aufzuwärmen beziehungsweise Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung direkt aufzuheizen.In particular, a heat storage material is heated in the operation of the electric heater to the electric heater, which gives off heat to the cold heat transfer device and / or gives off heat to hot gas in the fluid guide device and / or gives off heat to the catalyst material of the catalyst device. This results in an optimized heating operation, wherein the corresponding heat can be used, for example, for heating purposes on a passenger compartment or the like, or depending on the operating mode can be used to warm hot gas in the hot gas utilization device or directly heat catalyst material of the catalyst device.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

  • 1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Heißgasnutzungsvorrichtung (wobei Steuerungskomponenten beziehungsweise Regelungskomponenten nicht gezeigt sind);
  • 2 eine schematische Teilschnittansicht der Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß 1 mit weiteren Komponenten;
  • 3 eine schematische Darstellung ausgehend von 2 für einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung;
  • 4 eine ähnliche Ansicht wie 3 für einen Betriebsmodus, bei welchem eine elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist;
  • 5 eine ähnliche Ansicht wie 3, bei dem eine thermoelektrische Moduleinrichtung elektrische Leistung bereitstellt; und
  • 6 eine ähnliche Ansicht wie 3 in einem Betriebsmodus, bei welchem eine thermoelektrische Moduleinrichtung als Wärmepumpe wirkt.
The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawings for further explanation of the invention. Show it:
  • 1 a perspective schematic representation of an embodiment of a hot gas utilization device (wherein control components or control components are not shown);
  • 2 a schematic partial sectional view of the hot gas utilization device according to 1 with other components;
  • 3 a schematic representation starting from 2 for an operating mode without hot gas flow;
  • 4 a similar view as 3 for an operation mode in which an electric heater is in a heating operation;
  • 5 a similar view as 3 in which a thermoelectric module device provides electrical power; and
  • 6 a similar view as 3 in an operating mode in which a thermoelectric module device acts as a heat pump.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung, welches in 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung und in 2 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 20, welches von Heißgas durchströmbar ist. Das Gehäuse 20 weist einen Eingang 22 zur Einkopplung von Heißgas auf, und einen Ausgang 24 zur Auskopplung von Heißgas, wobei das Gehäuse 20 zwischen dem Eingang 22 und dem Gehäuse 24 geschlossen ist.An embodiment of a hot gas utilization device according to the invention, which in 1 schematically in a perspective view and in 2 is shown in a schematic sectional view, comprises a housing 20 , which can be flowed through by hot gas. The housing 20 has an entrance 22 for coupling hot gas on, and an output 24 for the extraction of hot gas, the housing 20 between the entrance 22 and the housing 24 closed is.

Der Ausgang 24 ist in einer (Längs-)Richtung 26 beabstandet zu dem Eingang 22. Zumindest bezüglich der Einkopplung von Heißgas in den Eingang 22 und der Auskopplung von Heißgas aus dem Ausgang 24 liegt eine Hauptströmungsrichtung von Heißgas mindestens näherungsweise parallel zu der Richtung 26.The exit 24 is in a (longitudinal) direction 26 spaced to the entrance 22 , At least with regard to the coupling of hot gas into the inlet 22 and the extraction of hot gas from the outlet 24 a main flow direction of hot gas is at least approximately parallel to the direction 26 ,

Bei einem Ausführungsbeispiel sind der Eingang 22 und der Ausgang 24 fluchtend zueinander in der Richtung 26 angeordnet.In one embodiment, the input is 22 and the exit 24 aligned with each other in the direction 26 arranged.

Das Gehäuse 20 umfasst einen ersten Bereich 28, an welchem der Eingang 22 gebildet ist. Der erste Bereich 28 ist als Diffusor 30 ausgebildet. Ein Querschnitt des ersten Bereichs 28 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung 26 verbreitert sich ausgehend von dem Eingang 22 oder einem Bereich 32 an dem Eingang 22 zu einem Ende 34 des ersten Bereichs 28. Eine Querschnittsfläche des Gehäuses 20 an dem Ende 34 des ersten Bereichs 28 ist größer als eine Querschnittsfläche des Gehäuses 20 an dem Eingang 22.The housing 20 includes a first area 28 at which the entrance 22 is formed. The first area 28 is as a diffuser 30 educated. A cross section of the first area 28 in a direction perpendicular to the direction 26 widens starting from the entrance 22 or an area 32 at the entrance 22 to an end 34 of the first area 28 , A cross-sectional area of the housing 20 at the end 34 of the first area 28 is greater than a cross-sectional area of the housing 20 at the entrance 22 ,

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 20 in dem ersten Bereich 28 in einer ersten Richtung (62) senkrecht zu der Richtung 26 eine im Wesentlichen gleich bleibende Höhe auf und in einer zweiten Richtung (36) senkrecht zu dieser ersten Richtung (62) und der Richtung 26 erfolgt die Diffusorausbildung mit der Querschnittserweiterung.In the embodiment shown, the housing 20 in the first area 28 in a first direction ( 62 ) perpendicular to the direction 26 a substantially constant height on and in a second direction ( 36 ) perpendicular to this first direction ( 62 ) and the direction 26 the diffuser formation takes place with the cross-sectional widening.

An den ersten Bereich 28 schließt sich an dem Ende 34 ein zweiter Bereich 38 an. Der zweite Bereich 38 bildet eine Führungseinrichtung 40 für Heißgas. Der zweite Bereich 38 hat eine im Wesentlichen quaderförmige Ausgestaltung. Seine Breite in der zweiten Richtung 36 entspricht der Breite des ersten Bereichs 28 an dem Ende 34. Seine Höhe in der ersten Richtung 62 entspricht der Höhe des ersten Bereichs 28 an dem Ende 34.At the first area 28 closes at the end 34 a second area 38 on. The second area 38 forms a guide device 40 for hot gas. The second area 38 has a substantially cuboidal configuration. Its width in the second direction 36 corresponds to the width of the first area 28 at the end 34 , Its height in the first direction 62 corresponds to the height of the first area 28 at the end 34 ,

Die Führungseinrichtung 40 hat eine Führungsfunktion für die Durchströmung von Heißgas.The management device 40 has a guiding function for the flow of hot gas.

An den zweiten Bereich 38 schließt sich ein dritter Bereich 42 des Gehäuses 20 an. Der dritte Bereich weist bei einem Ausführungsbeispiel die gleiche Breite in der zweiten Richtung 36 auf wie der zweite Bereich 38 und weist die gleiche Höhe in der ersten Richtung auf wie der zweite Bereich 36.To the second area 38 joins a third area 42 of the housing 20 on. The third region in one embodiment has the same width in the second direction 36 on like the second area 38 and has the same height in the first direction as the second area 36 ,

In dem dritten Bereich 42 ist eine Katalysatoreinrichtung 44 für das Heißgas angeordnet. Diese ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass sie durch Heißgas durchströmbar ist und dabei im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des dritten Bereichs 42 abdeckt. Heißgas, welches aus der Führungseinrichtung 40 dem dritten Bereich 42 zuströmt, muss am Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung 44 entlang strömen.In the third area 42 is a catalyst device 44 arranged for the hot gas. This is arranged and designed so that it can be flowed through by hot gas and thereby substantially the entire cross-sectional area of the third area 42 covers. Hot gas, which from the guide device 40 the third area 42 flows, must on the catalyst material of the catalyst device 44 to flow along.

An den dritten Bereich 42, in welchem die Katalysatoreinrichtung 44 angeordnet ist, schließt sich ein vierter Bereich 46 an. An diesem vierten Bereich 46 ist der Ausgang 24 gebildet. Der vierte Bereich 46 weist ein Ende 48 auf, welches dem dritten Bereich 42 zugewandt ist und an welchem der vierte Bereich 46 mit dem dritten Bereich 42 verbunden ist. An diesem Ende 48 weist der vierte Bereich 46 den gleichen Querschnitt auf wie der dritte Bereich 42.To the third area 42 in which the catalyst device 44 is arranged, closes a fourth area 46 on. At this fourth area 46 is the exit 24 educated. The fourth area 46 has an end 48 on which the third area 42 and to which the fourth area 46 with the third area 42 connected is. At this end 48 indicates the fourth area 46 the same cross section as the third area 42 ,

Der vierte Bereich 46 ist als Konzentrator 50 ausgebildet. An diesem Konzentrator 50 verringert sich der Querschnitt in der zweiten Richtung 36, so dass Heißgas entsprechend an dem Ausgang 24 abgeführt werden kann.The fourth area 46 is as a concentrator 50 educated. At this concentrator 50 the cross section decreases in the second direction 36 , so that hot gas corresponding to the output 24 can be dissipated.

Der Ausgang 24 hat eine kleinere Querschnittsfläche als der vierte Bereich 46 an dem Ende 48.The exit 24 has a smaller cross-sectional area than the fourth area 46 at the end 48 ,

Der Konzentrator 50 bildet das Gegenstück zu dem Diffusor 30.The concentrator 50 forms the counterpart to the diffuser 30 ,

An dem Gehäuse 20 ist an dem zweiten Bereich 38 mit der Führungseinrichtung 40 eine Funktionseinheit 52 angeordnet, welche thermisch an die Führungseinrichtung 40 gekoppelt ist. Die Funktionseinheit 52 selber ist nicht direkt von Heißgas durchströmt. In die Funktionseinheit 52 lässt sich durch die thermische Kopplung an die Führungseinrichtung 40 Wärme eintragen beziehungsweise aus ihr lässt sich Wärme austragen und in Heißgas, welches in der Führungseinrichtung 40 geführt ist, beziehungsweise in die Katalysatoreinrichtung 44 eintragen.On the case 20 is at the second area 38 with the guide device 40 a functional unit 52 arranged, which thermally to the guide device 40 is coupled. The functional unit 52 itself is not directly flowed through by hot gas. In the functional unit 52 can be due to the thermal coupling to the guide device 40 Add heat or from her can dissipate heat and hot gas, which in the guide means 40 is guided, or in the catalyst device 44 enter.

Die Funktionseinheit 52 weist eine thermoelektrische Moduleinrichtung 54 auf. Sie weist eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 auf. Sie weist ferner eine elektrische Heizeinrichtung 58 auf. Die elektrische Heizeinrichtung 58 ist direkt an dem zweiten Bereich 38 des Gehäuses 20 positioniert und sitzt insbesondere an einer Außenseite 60 des Gehäuses 20 in dem zweiten Bereich 38. Sie ist dabei direkt thermisch gekoppelt an die Führungseinrichtung 40.The functional unit 52 has a thermoelectric module device 54 on. It has a cold heat transfer device 56 on. It also has an electric heater 58 on. The electric heater 58 is right on the second area 38 of the housing 20 positioned and sits in particular on an outside 60 of the housing 20 in the second area 38 , It is directly thermally coupled to the guide device 40 ,

Insbesondere ist ein Material für eine Wandung des Gehäuses 20, welches die Außenseite 60 bildet, ein Material mit metallischer thermischer Leitfähigkeit. Insbesondere ist die thermische Leitfähigkeit dieses Materials mindestens 10 W(m·K).In particular, a material for a wall of the housing 20 which is the outside 60 forms, a material with metallic thermal conductivity. In particular, the thermal conductivity of this material is at least 10 W (m · K).

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 sitzt an der elektrischen Heizeinrichtung 58 und ist thermisch an diese gekoppelt. Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist an diese thermisch gekoppelt.The thermoelectric module device 54 sits at the electric heater 58 and is thermally coupled to these. The cold heat transfer device 56 sits on the thermoelectric module device 54 and is thermally coupled to these.

Die Führungseinrichtung 40 bildet einen Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 bildet einen Kaltwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung 54.The management device 40 forms a hot heat exchanger for the thermoelectric module device 54 and the cold heat transfer device 56 forms a cold heat exchanger for the thermoelectric module device 54 ,

Die Führungseinrichtung 40, die elektrische Heizeinrichtung 58, die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind in der ersten Richtung 62 gestapelt angeordnet.The management device 40 , the electric heater 58 , the thermoelectric module device 54 and the cold heat transfer device 56 are in the first direction 62 arranged stacked.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind die thermoelektrische Moduleinrichtung 54, die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 und die elektrische Heizeinrichtung 58 mehrlagig ausgebildet, so dass sie Komponenten beidseitig der Führungseinrichtung 40 bezogen auf die erste Richtung 62 aufweist.In one embodiment, the thermoelectric module device 54 , the cold heat transfer device 56 and the electric heater 58 multi-layered, so that they components on both sides of the guide device 40 related to the first direction 62 having.

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrische Heizeinrichtung 58 eine erste Lage 64a (erste Heizlage) und eine zweite Lage 64b (zweite Heizlage). Die erste Lage 64a ist bezogen auf die erste Richtung 62 auf einer Seite der Führungseinrichtung 40 angeordnet und die zweite Lage 64b ist auf der anderen Seite abgewandt zu der ersten Lage 64a angeordnet. Die Führungseinrichtung 40 ist dadurch zwischen der ersten Lage 64a und der zweiten Lage 64b der elektrischen Heizeinrichtung 58 positioniert, wobei sowohl die erste Lage 64a als auch die zweite Lage 64b einen direkten thermischen Kontakt mit der Führungseinrichtung 40 über ihre jeweilige Außenseite 60 haben.In one embodiment, the electric heater comprises 58 a first location 64a (first heating layer) and a second layer 64b (second heating layer). The first location 64a is related to the first direction 62 on one side of the guide device 40 arranged and the second layer 64b is on the other side facing away from the first location 64a arranged. The management device 40 is thereby between the first position 64a and the second location 64b the electric heater 58 positioned, with both the first layer 64a as well as the second location 64b a direct thermal contact with the guide means 40 over their respective outside 60 to have.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist eine erste Lage 66a (erste thermoelektrische Modullage) und eine zweite Lage 66b (zweite thermoelektrische Modullage) auf. Die erste Lage 66a ist an der ersten Lage 64a der elektrischen Heizeinrichtung 58 positioniert und steht im direkten thermischen Kontakt mit dieser. Insbesondere ist die erste Lage 66a der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 auch mechanisch direkt mit der ersten Lage 64a der elektrischen Heizeinrichtung 58 verbunden.The thermoelectric module device 54 has a first location 66a (first thermoelectric module layer) and a second layer 66b (second thermoelectric module layer). The first location 66a is at the first location 64a the electric heater 58 positioned and in direct thermal contact with this. In particular, the first location 66a the thermoelectric module device 54 also mechanically directly with the first layer 64a the electric heater 58 connected.

Die zweite Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 sitzt an der zweiten Lage 64b der elektrischen Heizeinrichtung 58 und ist mit dieser thermisch und insbesondere auch mechanisch verbunden.The second location 66b the thermoelectric module device 54 sits at the second location 64b the electric heater 58 and is connected to this thermally and in particular also mechanically.

Insbesondere sind die erste Lage 66a und die zweite Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 gleich ausgebildet.In particular, the first location 66a and the second location 66b the thermoelectric module device 54 the same education.

Die Führungseinrichtung 40 sitzt zwischen der ersten Lage 66a und der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54.The management device 40 sits between the first position 66a and the second location 66b the thermoelectric module device 54 ,

Entsprechend sitzt die elektrische Heizeinrichtung 58 mit ihrer ersten Lage 64a und ihrer zweiten Lage 64b zwischen der ersten Lage 66a und der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54.Accordingly, the electric heater sits 58 with her first situation 64a and their second location 64b between the first location 66a and the second location 66b the thermoelectric module device 54 ,

Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 weist eine erste Lage 68a (erste Kaltwärmeübertragungslage) und eine zweite Lage 68b (zweite Kaltwärmeübertragungslage) auf. Die erste Lage 68a der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der ersten Lage 66a der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist thermisch mit dieser verbunden. Insbesondere ist sie mit dieser auch mechanisch verbunden.The cold heat transfer device 56 has a first location 68a (first cold heat transfer layer) and a second layer 68b (second cold heat transfer layer) on. The first location 68a the cold heat transfer device 56 sits at the first location 66a the thermoelectric module device 54 and is thermally linked to it. In particular, it is also mechanically connected to this.

Die zweite Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist mit dieser thermisch verbunden und insbesondere auch mechanisch verbunden.The second location 68b the cold heat transfer device 56 sits at the second location 66b the thermoelectric module device 54 and is thermally connected to this and in particular mechanically connected.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 ist zwischen der ersten Lage 68a und der zweiten Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 positioniert. Entsprechend ist auch die elektrische Heizeinrichtung 58 mit ihrer ersten Lage 64a und ihrer zweiten Lage 64b sowie die Führungseinrichtung 40 zwischen der ersten Lage 68a und der zweiten Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 positioniert.The thermoelectric module device 54 is between the first location 68a and the second location 68b the cold heat transfer device 56 positioned. Corresponding to the electric heater 58 with her first situation 64a and their second location 64b as well as the leadership facility 40 between the first location 68a and the second location 68b the cold heat transfer device 56 positioned.

Die erste Lage 68a und die zweite Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind grundsätzlich gleich ausgebildet.The first location 68a and the second location 68b the cold heat transfer device 56 are basically the same.

Die elektrische Heizeinrichtung 58 weist in ihren Heizlagen 64a, 64b jeweils einen Wärmespeicher 70 auf. Der Wärmespeicher 70 umfasst ein Wärmespeichermaterial 72. The electric heater 58 points in their heating layers 64a . 64b each a heat storage 70 on. The heat storage 70 includes a heat storage material 72 ,

Insbesondere ist das Wärmespeichermaterial 72 ein Phasenwechselmedium (PCM), so dass in dem entsprechenden Wärmespeicher 70 auch latente Wärme gespeichert werden kann.In particular, the heat storage material 72 a phase change medium (PCM), so that in the corresponding heat storage 70 Also latent heat can be stored.

Die elektrische Heizeinrichtung 58 weist ein oder mehrere Stromdurchflusselemente 74 beispielsweise in Spulenform auf, wobei ein solches Stromdurchflusselement 74 insbesondere in Wärmespeichermaterial 72 positioniert ist beziehungsweise eingebettet ist.The electric heater 58 has one or more current flow elements 74 For example, in coil form, wherein such a flow element 74 especially in heat storage material 72 is positioned or embedded.

Ein Stromdurchflusselement 74 lässt sich mit elektrischem Strom beaufschlagen. Es lässt sich dadurch Ohmsche Wärme erzeugen. Zur Ansteuerung der Stromdurchflusselemente 74 der elektrischen Heizeinrichtung 58 ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 vorgesehen, an welcher die Stromdurchflusselemente 74 der ersten Heizlage 64a und zweiten Heizlage 64b angeschlossen sind.A current flow element 74 can be charged with electric current. It can thereby generate Ohmic heat. For controlling the current flow elements 74 the electric heater 58 is a control and / or regulating device 76 provided at which the Stromdurchflusselemente 74 the first heating layer 64a and second heating layer 64b are connected.

Insbesondere ist durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 eine synchrone Strombeaufschlagung der elektrischen Heizeinrichtung 58 an ihren Heizlagen 64a und 64b realisierbar.In particular, by the control and / or regulating device 76 a synchronous current application of the electric heater 58 at their heating positions 64a and 64b realizable.

Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die elektrische Heizeinrichtung 58 direkt thermisch an die Katalysatoreinrichtung 44 gekoppelt ist. Eine solche Kopplung ist in 2 durch das Bezugszeichen 78 angedeutet.In a variant of an embodiment, it is provided that the electric heater 58 directly thermally to the catalyst device 44 is coupled. Such a coupling is in 2 by the reference numeral 78 indicated.

Beispielsweise erstreckt sich dann die erste Heizlage 64a und erstreckt sich die zweite Heizlage 64b auch in den dritten Bereich 42 des Gehäuses 20, wobei dann auch hier das Material einer Gehäusewandung eine entsprechende hohe thermische Leitfähigkeit und insbesondere metallische thermische Leitfähigkeit aufweist, um eine entsprechende thermische Kopplung der elektrischen Heizeinrichtung 58 an den dritten Bereich 42 mit der Katalysatoreinrichtung 44 zu ermöglichen.For example, then extends the first heating layer 64a and extends the second heating layer 64b also in the third area 42 of the housing 20 , in which case also here the material of a housing wall has a correspondingly high thermal conductivity and, in particular, metallic thermal conductivity, in order to achieve a corresponding thermal coupling of the electrical heating device 58 to the third area 42 with the catalyst device 44 to enable.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist in ihren thermoelektrischen Modullagen 66a, 66b insbesondere eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen auf. Die jeweiligen thermoelektrischen Module weisen eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite auf, wobei die erste Seite thermisch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 kontaktiert und die zweite Seite thermisch die elektrische Heizeinrichtung 58 kontaktiert. Insbesondere sind beispielsweise alternierend n-Leiter und p-Leiter über eine elektrisch leitende Brücke miteinander verbunden angeordnet. Die Brücke ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt. Über die thermoelektrischen Module der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 ist in bestimmten Betriebsmodi der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 ein Wärmestrom erzeugbar, welcher insbesondere mindestens näherungsweise parallel zu der ersten Richtung 62 orientiert ist. Dieser Wärmestrom liegt an den entsprechenden thermoelektrischen Modulen an. Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden.The thermoelectric module device 54 points in their thermoelectric module positions 66a . 66b in particular a plurality of thermoelectric modules. The respective thermoelectric modules have a first side and an opposite second side, wherein the first side thermally the cold heat transfer device 56 contacted and the second side thermally the electric heater 58 contacted. In particular, for example, alternating n-conductors and p-conductors are arranged connected to each other via an electrically conductive bridge. The bridge is made of a metallic material, for example. About the thermoelectric modules of the thermoelectric module device 54 is in certain operating modes of the hot gas utilization device 10 a heat flow can be generated, which in particular at least approximately parallel to the first direction 62 is oriented. This heat flow is applied to the corresponding thermoelectric modules. A usable electric current can be generated from this via the Seebeck effect.

In 2 ist eine Leitung 80 angedeutet, über die nutzbarer elektrischer Strom abführbar ist.In 2 is a lead 80 indicated, on the usable electric power can be dissipated.

Es ist grundsätzlich auch möglich, wie untenstehend noch näher beschrieben wird, die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagen und mittels des Peltier-Effekts die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 für Kühlzwecke einzusetzen.It is also possible in principle, as will be described in more detail below, the thermoelectric module device 54 to apply an electric current and by means of the Peltier effect, the thermoelectric module device 54 for cooling purposes.

Insbesondere ist ein Steuerelement 82 vorgesehen, welches wiederum durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 ansteuerbar ist. Bei entsprechender Ansteuerung lässt sich dann über das Steuerelement 82 eine Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 erreichen, oder es lässt sich ein nutzbarer elektrischer Strom auskoppeln.In particular, there is a control 82 provided, which in turn by the control and / or regulating device 76 is controllable. With appropriate control can then be via the control 82 a current application of the thermoelectric module device 54 reach, or it can be a usable electric power decouple.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist entsprechende elektrische Anschlüsse auf.The thermoelectric module device 54 has corresponding electrical connections.

Die Lagen 68a, 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind mit einem Kühlmedium durchströmbar. Entsprechend weist die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 an ihren jeweiligen Lagen 68a, 68b Fluidanschlüsse 84 auf.The layers 68a . 68b the cold heat transfer device 56 can be flowed through with a cooling medium. Accordingly, the cold heat transfer device 56 at their respective positions 68a . 68b fluid connections 84 on.

Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 ist in einen entsprechenden Kühlmittelkreislauf 86 integriert, an dem insbesondere eine Pumpe 88 angeordnet ist.The cold heat transfer device 56 is in a corresponding coolant circuit 86 integrated, in particular a pump 88 is arranged.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Kühlmittelkreislauf 86 mit der Pumpe 80 eine Klimatisierungseinrichtung oder ein Teil einer Klimatisierungseinrichtung insbesondere eines Fahrzeugs.In one embodiment, the coolant circuit is 86 with the pump 80 an air conditioning device or a part of an air conditioning device, in particular of a vehicle.

Die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 lässt sich in unterschiedlichen Betriebsmodi je nach Bedarf betreiben. Diese verschiedenen Betriebsmodi ergeben sich durch die beschriebene Anordnung der Komponenten Führungseinrichtung 40, Katalysatoreinrichtung 44, thermoelektrische Moduleinrichtung 54, Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 und elektrische Heizeinrichtung 58 wie oben beschrieben.The hot gas utilization device 10 can be operated in different operating modes as needed. These various modes of operation result from the described arrangement of the components guide means 40 , Catalyst device 44 , thermoelectric module device 54 , Cold heat transfer device 56 and electric heater 58 as described above.

Insbesondere ist die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 in einem Fahrzeug und dabei in einem Hybridfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Automatik oder einem Fahrzeug mit Abgasturbolader eingesetzt, wobei dann das Heißgas, welches durch die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 genutzt werden kann, ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist.In particular, the hot gas utilization device 10 in a vehicle while being in a hybrid vehicle or a vehicle with automatic start-stop or a vehicle with exhaust gas turbocharger used, in which case the hot gas, which by the hot gas utilization device 10 can be used, is an exhaust gas of an internal combustion engine.

In einem Betriebsmodus, welcher schematisch in 3 erläutert ist, wird die elektrische Heizeinrichtung 58 betrieben, indem ihr elektrische Leistung Pel insbesondere aus einer Batterie zugeführt wird. Es kann beispielsweise auch ein Heizbetrieb über Zuführung von elektrischem Strom aus einer stationären Ladestation erfolgen.In an operating mode, which is schematically shown in FIG 3 is explained, the electric heater 58 operated by her electric power Pel is supplied in particular from a battery. For example, it is also possible to carry out a heating operation by supplying electric current from a stationary charging station.

An der elektrischen Heizeinrichtung 48 wird in diesem Betriebsmodus der Wärmespeicher 70 aufgeladen. Er kann dann durch die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 hindurch thermische Energie an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 abgeben.At the electric heater 48 in this mode of operation, the heat storage 70 charged. He can then through the thermoelectric module device 54 through thermal energy to the cold heat transfer device 56 submit.

Es lässt sich dadurch thermische Energie in eine Klimatisierungsanlage des Fahrzeugs eintragen. Dadurch lässt sich beispielsweise, auch wenn das Fahrzeug nicht in einem Fahrbetrieb ist, ein temperiertes Fahrzeug bei Fahrantritt erreichen. Es lässt sich dadurch eine Art von Standheizungsfunktion realisieren, wobei der Heizbetrieb elektrisch über die elektrische Heizeinrichtung 58 ist.It can thereby enter thermal energy in an air conditioning system of the vehicle. As a result, for example, even when the vehicle is not in a driving operation, a tempered vehicle can reach when driving. It can thereby realize a kind of parking heater function, wherein the heating operation electrically via the electric heater 58 is.

In einem elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs ist durch die Heizeinrichtung 58 eine Wärmequelle bereitgestellt.In an electric driving operation of the vehicle is by the heating device 58 provided a heat source.

Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 4 schematisch gezeigt ist, wird das Gehäuse 20 und damit auch die Führungseinrichtung 40 sowie der Katalysator 44 von Heißgas (insbesondere Abgas) durchströmt. Diese Durchströmung ist in 4 durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 90 angedeutet.In another operating mode, which in 4 is shown schematically, the housing 20 and thus also the management facility 40 and the catalyst 44 flows through hot gas (in particular exhaust gas). This flow is in 4 by the arrows with the reference numeral 90 indicated.

Zuvor oder beim Einbringen von Heißgas wird die elektrische Heizeinrichtung 58 betrieben, indem ihr entsprechende elektrische Leistung Pel zugeführt wird. Durch diesen Vorgang lässt sich die Führungseinrichtung 40 und darin geführtes Heißgas aufwärmen. Alternativ oder zusätzlich wird die Katalysatoreinrichtung 44 aufgewärmt.Before or when introducing hot gas, the electric heater 58 operated by their corresponding electric power Pel is supplied. By this process, the guide device can be 40 and warm up the hot gas. Alternatively or additionally, the catalyst device 44 warmed up.

Dadurch erreicht bei einem transienten Vorgang (beispielsweise für einen Übergang von einem elektrischen Fahrbetrieb auf einen Verbrennungsmotor-Fahrbetrieb) die Katalysatoreinrichtung 44 schneller ihre optimale Betriebstemperatur, da sie direkt aufgeheizt wird, oder ihr durch die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 vorgeheiztes Heißgas bereitgestellt wird. Diese Heizung erfolgt über die elektrische Heizeinrichtung 58.As a result, in a transient process (for example for a transition from an electric driving operation to an internal combustion engine driving operation), the catalytic converter device is reached 44 faster its optimum operating temperature, as it is heated directly, or you through the hot gas utilization device 10 preheated hot gas is provided. This heating is done via the electric heater 58 ,

Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 5 schematisch gezeigt ist, wird der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 „stabil“ Heißgas bereitgestellt. In another operating mode, which in 5 is shown schematically, the hot gas utilization device 10 Stable hot gas provided.

Beispielsweise befindet sich das Fahrzeug in einem Verbrennungsmotor-Betrieb mit permanenter Abgaserzeugung. Die Temperatur des Katalysators 44 ist ausreichend hoch.For example, the vehicle is in an internal combustion engine operation with permanent generation of exhaust gas. The temperature of the catalyst 44 is high enough.

In diesem Betriebsmodus wird die elektrische Heizeinrichtung 58 nicht betrieben.In this mode of operation, the electric heater 58 not operated.

Über das Heißgas wird Wärme in die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 durch die elektrische Heizeinrichtung 58 mit dem Wärmespeichermaterial 72 hindurch eingetragen. Bei entsprechender Kühlung über die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 entsteht ein Wärmestrom (in 5 durch das Bezugszeichen 92 angedeutet), welcher aufgrund des Seebeck-Effekts dazu führt, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 einen nutzbaren elektrischen Strom erzeugt, das heißt von dieser ist elektrische Leistung Pel abgreifbar.Heat is transferred to the thermoelectric module device via the hot gas 54 through the electric heater 58 with the heat storage material 72 entered through. With appropriate cooling via the cold heat transfer device 56 creates a heat flow (in 5 by the reference numeral 92 indicated), which due to the Seebeck effect leads to the fact that the thermoelectric module device 54 generates a usable electric current, that is from this electric power Pel can be tapped.

Diese elektrische Leistung wird beispielsweise dazu genutzt, elektrische Verbraucher in dem Fahrzeug zu bedienen oder eine Batterie aufzuladen.This electrical power is used, for example, to operate electrical loads in the vehicle or to charge a battery.

Die Katalysatoreinrichtung 44 sorgt für eine Abgasreinigung bei der Durchströmung von Abgas.The catalyst device 44 Ensures exhaust gas purification during the flow of exhaust gas.

Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 6 angedeutet ist, ist die elektrische Heizeinrichtung 58 nicht im Betrieb.In another operating mode, which in 6 is indicated, is the electric heater 58 not in operation.

Die Führungseinrichtung 40 wird mit Heißgas durchströmt, wobei in einem Ausgangsmaterial eingekoppeltes Heißgas eine zu hohe Temperatur hat, die dazu führen würde, dass die Katalysatoreinrichtung 44 eine Grenztemperatur erreicht. (In 6 ist dies durch das Bezugszeichen 90' angedeutet.)The management device 40 Hot gas flows through it, with hot gas coupled into a starting material having too high a temperature which would lead to the catalyst device 44 reached a limit temperature. (In 6 this is indicated by the reference numeral 90 ' indicated.)

Dieser Betriebsfall kann in einem verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs erreicht werden.This operation case can be achieved in an internal combustion engine driving operation of the vehicle.

Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 wird jetzt als Kühlsystem genutzt. Sie wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt (durch Einwirkung der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 auf das Steuerelement 82), um über den Peltier-Effekt eine Kühlwirkung zu erzielen. Die thermische Kopplung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 über die elektrische Heizeinrichtung 58 hindurch an die Führungseinrichtung 40 bewirkt eine Abkühlung des Heißgas, wobei die Abkühlung derart gesteuert beziehungsweise geregelt ist, dass eine Schwellentemperatur beziehungsweise ein Schwellentemperaturbereich für die Katalysatoreinrichtung 44 nicht überschritten wird.The thermoelectric module device 54 is now used as a cooling system. It is subjected to an electric current (by the action of the control and / or regulating device 76 on the control 82 ) to achieve a cooling effect via the Peltier effect. The thermal coupling of the thermoelectric module device 54 over the electric heater 58 through to the guide device 40 causes a cooling of the hot gas, wherein the cooling is controlled or regulated such that a threshold temperature or a Threshold temperature range for the catalyst device 44 is not exceeded.

In diesem Betriebsmodus wird die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 genutzt, um die Temperatur des Heißgases, welches die Führungseinrichtung 40 durchströmt, abzusenken, und damit die Temperatur der Katalysatoreinrichtung 44 abzusenken.In this mode of operation, the thermoelectric module device 54 used the temperature of the hot gas, which is the guide device 40 flows through, lower, and thus the temperature of the catalyst device 44 lower.

Die entsprechenden Betriebsmodi lassen sich über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 einstellen beziehungsweise steuern und/oder regeln.The corresponding operating modes can be controlled via the control and / or regulating device 76 adjust or control and / or regulate.

Durch die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi realisieren. Beispielsweise können unterschiedliche Betriebsmodi bei einem Fahrzeug und insbesondere Hybridfahrzeug verwendet werden.The hot gas utilization device according to the invention makes it possible to realize different operating modes. For example, different modes of operation may be used in a vehicle and in particular a hybrid vehicle.

Ferner kann ein transientes Verhalten wie es insbesondere bei einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzyklus vorliegt, erfasst und im gewissen Sinne kompensiert werden. Beispielsweise kann bei ausreichender und nicht zu hoher Temperatur des Heißgases ein nutzbarer elektrischer Strom erzeugt werden und bei zu hoher Temperatur kann durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 eine Temperaturreduktion durchgeführt werden, um insbesondere eine Schwellentemperatur beziehungsweise ein Schwellentemperaturbereich für den Katalysator 44 nicht zu überschreiten.Further, a transient behavior as it is in particular in an exhaust gas stream of an internal combustion engine in a driving cycle, be detected and compensated in a sense. For example, at a sufficient and not too high temperature of the hot gas, a usable electric current can be generated and at too high a temperature can by energizing the thermoelectric module device 54 a temperature reduction to be performed, in particular a threshold temperature or a threshold temperature range for the catalyst 44 not to be exceeded.

Durch einen Betriebsmodus mit Aufheizung des Heißgases an der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 kann beispielsweise an einem Fahrzeug mit einem Abgasturbolader die erforderliche Katalysatortemperatur erreicht werden, ohne dass ein Anfetten eines Kraftstoff-Luft-Gemisches notwendig ist. Dieses Erreichen der Katalysatortemperatur lässt sich mit „internen“ Mitteln der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 erzielen.By an operation mode with heating of the hot gas to the hot gas utilization device 10 For example, the required catalyst temperature can be achieved on a vehicle with an exhaust-gas turbocharger without it being necessary to enrich a fuel-air mixture. This achievement of the catalyst temperature can be achieved with "internal" means of the hot gas utilization device 10 achieve.

Auch bei Hybridfahrzeugen kann ein häufiges Abschalten eines Verbrennungsmotors zu niedrigen Katalysatortemperaturen und einer hieraus resultierenden schlechten Umwandlungsrate für die Abgasnachbehandlung führen. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich, wie oben beschrieben, durch „interne“ Mittel die erforderliche Temperatur erreichen und auch gesteuert einstellen beziehungsweise aufrechterhalten.Even with hybrid vehicles, frequent shutdown of an internal combustion engine can lead to low catalyst temperatures and a resulting poor conversion rate for exhaust aftertreatment. By means of the solution according to the invention, as described above, the required temperature can be achieved by means of "internal" means and can also be adjusted or maintained in a controlled manner.

Weiterhin weist die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 über die elektrische Heizeinrichtung 58 eine Wärmequelle auf, welcher wirksam eingesetzt werden kann, wenn kein Heißgasbetrieb vorliegt. So kann beispielsweise eine Art von Standheizung zur Temperierung einer Fahrgastzelle und anderer Komponenten eines Fahrzeugs bereitgestellt werden.Furthermore, the hot gas utilization device 10 over the electric heater 58 a heat source, which can be used effectively when no hot gas operation is present. Thus, for example, a type of auxiliary heating for the temperature control of a passenger compartment and other components of a vehicle can be provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
HeißgasnutzungsvorrichtungHot gas utilization device
2020
Gehäusecasing
2222
Eingangentrance
2424
Ausgangexit
2626
Richtungdirection
2828
Erster BereichFirst area
3030
Diffusordiffuser
3232
BereichArea
3434
EndeThe End
3636
Zweite RichtungSecond direction
3838
Zweiter BereichSecond area
4040
Führungseinrichtungguide means
4242
Dritter BereichThird area
4444
Katalysatoreinrichtungcatalyst device
4646
Vierter BereichFourth area
4848
EndeThe End
5050
Konzentratorconcentrator
5252
Funktionseinheitfunctional unit
5454
Thermoelektrische ModuleinrichtungThermoelectric module device
5656
KaltwärmeübertragungseinrichtungCold heat transfer device
5858
Elektrische HeizeinrichtungElectric heater
6060
Außenseiteoutside
6262
Erste RichtungFirst direction
64a64a
Erste HeizlageFirst heating position
64b64b
Zweite HeizlageSecond heating layer
66a66a
Erste thermoelektrische ModullageFirst thermoelectric module layer
66b66b
Zweite thermoelektrische ModullageSecond thermoelectric module position
68a68a
Erste KaltwärmeübertragungslageFirst cold heat transfer layer
68b68b
Zweite KaltwärmeübertragungslageSecond cold heat transfer layer
7070
Wärmespeicherheat storage
7272
WärmespeichermaterialHeat storage material
7474
StromdurchflusselementPower Flow Element
7676
Steuerungs- und/oder RegelungseinrichtungControl and / or regulating device
7878
Kopplungcoupling
8080
Leitungmanagement
8282
Steuerelementcontrol
8484
Fluidanschlussfluid port
8686
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
8888
Pumpepump
9090
Durchströmungflow
90'90 '
Durchströmungflow
9292
Wärmestromheat flow

Claims (15)

Heißgasnutzungsvorrichtung, umfassend eine Führungseinrichtung (40) für Heißgas, eine Katalysatoreinrichtung (44) für Heißgas, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung (40) verbunden ist und der Führungseinrichtung (40) strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung (54), welche thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung (58), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, wobei die elektrische Heizeinrichtung (58) eine Wärmespeichereinrichtung (70) aufweist, in welcher ein Wärmespeichermaterial (72) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (72) ein Phasenwechselmedium ist, dass das Wärmespeichermaterial (72) in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung (40) und der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) steht, und dass die elektrische Heizeinrichtung (58) ein oder mehrere Stromdurchflusselemente (74) umfasst, welche von Wärmespeichermaterial (72) umgeben sind.A hot gas utilization apparatus comprising hot gas guide means (40), hot gas catalyst means (44) fluidly connected to said guide means (40) and downstream of said guide means (40), thermoelectric module means (54) which thermally adhere to said Guide device (40), a cold heat transfer device (56), which is thermally coupled to the thermoelectric module device (54), and an electrical heater (58), which thermally to the thermoelectric module device (54) and thermally to the guide device (40) wherein the electrical heating device (58) comprises a heat storage device (70) in which a heat storage material (72) is arranged, characterized in that the heat storage material (72) is a phase change medium, that the heat storage material (72) in thermal communication with the fluid guide means (40) and the thermoelectric module means (54), and that the electric heater (58) comprises one or more Stromdurchflusselemente (74) which are surrounded by heat storage material (72). Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) mindestens eine thermoelektrische Modullage (66a; 66b) aufweist und die elektrische Heizeinrichtung (58) mindestens eine Heizlage (64a; 64b) aufweist, wobei die mindestens eine Heizlage (64a; 64b) zwischen der Führungseinrichtung (40) und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage (66a; 66b) angeordnet ist und thermisch mit der Führungseinrichtung (40) und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage (66a; 66b) verbunden ist.Hot gas utilization device according to Claim 1 , characterized in that the thermoelectric module device (54) has at least one thermoelectric module layer (66a; 66b) and the electric heating device (58) has at least one heating layer (64a; 64b), the at least one heating layer (64a; Guiding device (40) and the at least one thermoelectric module layer (66a, 66b) is arranged and thermally connected to the guide device (40) and the at least one thermoelectric module layer (66a, 66b). Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) mindestens eine Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) aufweist, wobei die mindestens eine thermoelektrische Modullage (66a; 66b) zwischen der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) und der mindestens einen Heizlage (64a; 64b) angeordnet ist und mit der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) und der mindestens einen Heizlage (64a; 64b) thermisch verbunden ist.Hot gas utilization device according to Claim 2 characterized in that the cold heat transfer device (56) comprises at least one cold heat transfer layer (68a; 68b), wherein the at least one thermoelectric module layer (66a; 66b) between the at least one cold heat transfer layer (68a; 68b) and the at least one heating layer (64a; 64b ) and is thermally connected to the at least one cold heat transfer layer (68a; 68b) and the at least one heating layer (64a; 64b). Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (58) und Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) thermisch miteinander verbunden sind.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric heating device (58) and catalyst material of the catalyst device (44) are thermally connected to each other. Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführungseinrichtung (40) an einem Diffusor (30) für Heißgas angeordnet oder gebildet ist.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid guiding device (40) is arranged or formed on a diffuser (30) for hot gas. Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung, bei dem die elektrische Heizeinrichtung (58) in einem Heizbetrieb ist und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) heizt und/oder ein Wärmespeichermaterial (72) der elektrischen Heizeinrichtung (58) thermisch auflädt.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized by an operating mode without hot gas flow, wherein the electric heater (58) is in a heating operation and heating the cooling medium of the cold heat transfer device (56) and / or thermally charges a heat storage material (72) of the electric heater (58) , Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung (58) in einem Heizbetrieb ist und Heißgas der Katalysatoreinrichtung (44) zugeführt ist, wobei Heißgas durch die elektrische Heizeinrichtung (58) aufgeheizt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung (58) Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) heizt.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized by an operating mode in which the electric heater (58) is in a heating operation and hot gas is supplied to the catalyst device (44), wherein hot gas is heated by the electric heater (58) and / or the electrical Heating device (58) heats catalyst material of the catalyst device (44). Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei dem die elektrische Heizeinrichtung (58) nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung (40) von Heißgas durchströmt ist, wobei die Fluidführungseinrichtung (40) als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) wirkt und an der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) nutzbarer elektrischer Strom erzeugt wird.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized by an operating mode in which the electrical heating device (58) is not in operative operation and the fluid guiding device (40) is flowed through by hot gas, wherein the fluid guiding device (40) as a hot heat exchanger for the thermoelectric module device (54 ) and generates usable electric current on the thermoelectric module device (54). Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung (58) nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung (40) mit Heißgas durchströmt ist, wobei durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) diese als Kühleinrichtung wirkt und Heißgas kühlt und/oder Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) kühlt.Hot gas utilization device according to one of the preceding claims, characterized by an operating mode in which the electrical heating device (58) is not in operative operation and the fluid guide means (40) is flowed through with hot gas, wherein by energizing the thermoelectric module means (54) acts as a cooling device and Hot gas cools and / or catalyst material of the catalyst device (44) cools. Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und eine Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors zugeführt ist.A vehicle comprising an internal combustion engine and a hot gas utilization device according to one of the preceding claims, which is known as Hot gas is supplied to the exhaust gas of the internal combustion engine. Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) an eine Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs angeschlossen ist.Vehicle after Claim 10 , characterized in that the cold heat transfer device (56) is connected to an air conditioning device of the vehicle. Fahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug dem Verbrennungsmotor zugeordnet eine Start-Stopp-Automatik und/oder einen Abgasturbolader und/oder einen zusätzlichen Elektroantrieb aufweist.Vehicle after Claim 10 or 11 , characterized in that the vehicle associated with the internal combustion engine has a start-stop system and / or an exhaust gas turbocharger and / or an additional electric drive. Verfahren zum Betreiben der Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem im Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung (58) an der elektrischen Heizeinrichtung (58) ein Wärmespeichermaterial (72) aufgeheizt wird, welches Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) abgibt und/oder Wärme an Heißgas in der Fluidführungseinrichtung (40) abgibt und/oder Wärme an Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) abgibt, wobei das Wärmespeichermaterial (72) ein Phasenwechselmedium ist, wobei das Wärmespeichermaterial (72) in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung (40) und der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) steht, und die elektrische Heizeinrichtung (58) ein oder mehrere Stromdurchflusselemente (74) umfasst, welche von Wärmespeichermaterial (72) umgeben sind und welches mindestens einen der folgenden Betriebsmodi aufweist: (i) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird in einem Heizbetrieb betrieben und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) wird mittels der elektrischen Heizeinrichtung aufgeheizt, wobei keine Heißgasdurchströmung der Fluidführungseinrichtung (40) erfolgt; (ii) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird in einem Heizbetrieb betrieben und heizt Heißgas auf, welches der Katalysatoreinrichtung (44) zugeführt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung (58) heizt Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) auf; (iii) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird nicht operativ betrieben, die Fluidführungseinrichtung (40) wirkt als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, wobei dann die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) als Kühleinrichtung für das Heißgas und/oder die Katalysatoreinrichtung (44) wirkt.Method for operating the hot gas utilization device according to one of Claims 1 to 9 in which, during operation of the electric heating device (58) on the electric heating device (58), a heat storage material (72) is heated which gives off heat to the cold heat transfer device (56) and / or gives off heat to hot gas in the fluid guiding device (40) and / or or heat to catalyst material of the catalyst device (44), wherein the heat storage material (72) is a phase change medium, wherein the heat storage material (72) in thermal communication with the fluid guide means (40) and the thermoelectric module means (54), and the electric heater ( 58) comprises one or more current flow elements (74) surrounded by heat storage material (72) and having at least one of the following modes of operation: (i) the electric heater (58) operates in a heating mode and becomes cooling medium of the cold heat transfer device (56) aufhe by means of the electric heater izt, wherein no hot gas flow through the fluid guide device (40) takes place; (ii) the electric heater (58) is operated in a heating operation and heats hot gas supplied to the catalyst device (44) and / or the electric heater (58) heats catalyst material of the catalyst device (44); (iii) The electrical heating device (58) is not operated operationally, the fluid guiding device (40) acts as a heat exchanger for the thermoelectric module device (54) and an electric current is applied to the thermoelectric module device (54), in which case the thermoelectric module device (54 ) acts as a cooling device for the hot gas and / or the catalyst device (44). Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen weiteren Betriebsmodus, bei dem die Fluidführungseinrichtung (40) als Heißwärmeübertrager wirkt und die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) einen nutzbaren elektrischen Strom bereitstellt.Method according to Claim 13 characterized by a further mode of operation in which the fluid guide means (40) acts as a hot heat exchanger and the thermoelectric module means (54) provides a useable electrical current. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass über die elektrische Heizeinrichtung (58) und/oder die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Katalysatoreinrichtung (44) an einem bestimmten Betriebspunktbereich bezüglich einer Katalysatortemperatur betrieben wird.Method according to Claim 13 or 14 characterized in that controlled and / or regulated via the electrical heating device (58) and / or the thermoelectric module device (54) that the catalyst device (44) is operated at a certain operating point range with respect to a catalyst temperature.
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