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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf das Erhitzen oder Kühlen eines Verbrennungsmotors.
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HINTERGRUND
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Ein thermoelektrisches Modul ist eine Halbleiter-basierte elektronische Komponente, die für die Stromerzeugung verwendet werden kann. Wenn eine Temperaturdifferenz über ein thermoelektrisches Modul angelegt wird, wird Gleichstrom erzeugt. Als solches kann ein thermoelektrisches Modul verwendet werden, um Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. In anderen Anwendungen kann ein thermoelektrisches Modul als Wärmepumpe oder Peltierkühler aufgebracht werden.
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Verbrennungsmotoren wandeln, durch Verbrennung von Brennstoff, die chemische Energie des Brennstoffs in Energie um, die für das Ausführen von Arbeiten nutzbar ist. Typischerweise wird nur ein Teil der Energie, die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt wird, durch den Verbrennungsmotor in eine wünschenswerte Arbeit umgewandelt. Bei einigen Verbrennungsmotoren geht ein erheblicher Teil der Verbrennungsenergie in Form von Abwärme verloren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Fahrzeug beinhaltet einen Verbrennungsmotor (ICE), der zwischen einem laufenden Zustand und einem nicht laufenden Zustand auswählbar ist. Ein thermoelektrischer Generator (TEG) befindet sich in thermischem Kontakt mit dem ICE zum Umwandeln von Wärmeenergie aus dem ICE, um elektrische Energie auszugeben. Das Fahrzeug verfügt über eine elektrische Pumpe zum Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels durch einen Kühlmittelkreislauf. Die elektrische Pumpe ist selektiv durch die vom TEG ausgegebene elektrische Energie betreibbar. Der Kühlmittelkreislauf steht in Fluidverbindung mit dem ICE, einem Kühler und dem TEG; und der TEG befindet sich hinter dem Kühler im Kühlmittelkreislauf.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Merkmale von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, obwohl vielleicht nicht identischen, Komponenten entsprechen, hervorgehen. Der Kürze halber können Bezugszahlen oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Kommunikation mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben sein oder auch nicht.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels des hierin offenbarten Fahrzeugs;
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2A und 2B sind zusammen ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Kühlen eines Verbrennungsmotors (ICE) eines Fahrzeugs, wie hierin offenbart, darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Beispiele für das hierin offenbarte Fahrzeug und Verfahren verwenden einen thermoelektrischen Generator (TEG), um Wärmeenergie vom Verbrennungsmotor (ICE) in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Wenn sich der ICE in einem Fahrzustand befindet, wird Wärmeenergie durch die Verbrennung von Kraftstoff erzeugt. Mindestens ein Teil der vom ICE erzeugten thermischen Energie wird durch den TEG in elektrische Energie umgewandelt, und mindestens ein Teil der elektrischen Energie wird verwendet, um eine elektrische Pumpe zu versorgen. Der TEG kann in thermischem Kontakt mit dem ICE sein. Beispielsweise kann der TEG mit einem Abgassystem des ICE in Kontakt kommen. In der vorliegenden Offenbarung ist das Abgassystem eines ICE ein Teil des ICE. Wenn der TEG in thermischem Kontakt mit dem ICE steht, kühlt das flüssige Kühlmittel eine kalte Seite des TEG. Die elektrische Pumpe, die durch die elektrische Energie aus dem TEG selektiv betreibbar ist, zirkuliert ein flüssiges Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf steht in Fluidverbindung mit dem ICE, einem Kühler und dem TEG.
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Wie hierin verwendet, bedeutet „in thermischem Kontakt“, dass ein Oberflächen-zu-Oberflächen-Kontakt zwischen Körpern gebildet wird, sodass eine leitende Wärmeübertragung auftreten kann. Es versteht sich, dass ein Material wie „thermische Paste“, ein Hartlötmaterial oder ein Schweißmaterial zwischen zwei Körpern „in thermischem Kontakt“ angeordnet sein kann. Es ist nicht notwendig, dass zwei Körper in thermischem Kontakt aneinander befestigt werden, solange sie in Kontakt sind und eine leitende Wärmeübertragung zwischen den beiden Körpern durch die Kontaktflächen auftreten kann.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Beispiel des Fahrzeugs 10 der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das Fahrzeug 10 umfasst einen Verbrennungsmotor (ICE) 12, einen thermoelektrischen Generator (TEG) 14, eine elektrische Pumpe 16 und einen Kühler 18. Das Fahrzeug 10 kann auch ein Klimaanlagenmodul (HVAC) 20, ein Kühler-Umgehungsventil 22 und eine Gleichstromquelle 24 beinhalten, die vom TEG 14 getrennt und unterscheidbar ist (z. B. ein Gleichstromgenerator 66 oder eine elektrische Energiespeichervorrichtung 46).
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In dem in 1 gezeigten Beispiel stehen der ICE 12 und der TEG 14 in thermischem Kontakt, und der ICE 12, der TEG 14 und der Kühler 18 stehen in Fluidverbindung mit einem Kühlmittelkreislauf 26, wobei der TEG 14 stromabwärts vom Kühler 18 im Kühlmittelkreislauf 26 liegt. In diesem Beispiel wird ein Teil der vom ICE 12 erzeugten Wärmeenergie direkt vom ICE 12 zum TEG 14 übertragen (z. B. durch Konduktion vom Abgassystem 65) und das durch den Kühlmittelkreislauf 26 umgewälzte flüssige Kühlmittel wird verwendet, um die kalte Seite 58 eines oder mehrerer thermoelektrischer Module 54 des TEG 14 (über einen flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher 29) zu kühlen. In diesem Beispiel kann das flüssige Kühlmittel eine Rest-Wärmeenergie 68 vom TEG 14 durch den flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher 29 empfangen.
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Der ICE 12 kann ein beliebiger Motor sein, der Antriebskraft erzeugt, indem er eine Verbrennungsreaktion mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, und einem Brennstoff, wie Benzin oder Dieselkraftstoff, im Inneren des Motors, verursacht. Der ICE 12 ist zwischen einem laufenden Zustand und einem nicht laufenden Zustand auswählbar. Wie hierin verwendet bedeutet laufender Zustand, dass die Verbrennungsreaktionen innerhalb des ICE 12 auftreten. Umgekehrt bedeutet der nicht laufende Zustand, dass die Verbrennungsreaktionen nicht innerhalb des ICE 12 auftreten. Die Verbrennungsreaktionen erzeugen Gase wie Kohlendioxid und Wasserdampf, die eine Kraft (z. B. auf einen Kolben) ausüben und die Antriebsleistung erzeugen. Die Verbrennungsreaktion erzeugt auch Wärmeenergie. Die Verbrennungsprodukte, einschließlich Abgas, werden vom ICE 12 durch ein Abgassystem 65 des ICE 12 weggeleitet. Das Abgassystem 65 kann beispielsweise einen Abgaskrümmer, einen Katalysator, einen Schalldämpfer, einen Auspuff, Abgassystemverbinder, Aufhängungen und Sensoren beinhalten, die an der Abgasanlage befestigt sind. In dieser Offenbarung ist das Abgassystem 65 im ICE 12 enthalten.
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Bei einigen vorhandenen Verbrennungsmotoren geht die vom Verbrennungsmotor erzeugte Wärmeenergie als Abwärme in die Umwelt verloren. Jedoch sind im dem Beispiel des Fahrzeugs 10 in 1 der Verbrennungsmotor 12 und der TEG 14 in thermischem Kontakt und ein Teil der Wärmeenergie, die durch den ICE 12 erzeugt wird, wird direkt auf den TEG 14 übertragen. Der Teil der Wärmeenergie, der auf den TEG 14 übertragen wird, wird zumindest teilweise durch den TEG 14 in nutzbare elektrische Energie umgewandelt.
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Beispiele für das flüssige Kühlmittel, das durch den Kühlmittelkreislauf 26 zirkuliert, umfassen Mischungen aus Wasser und Kühlmittelkonzentrat (Frostschutzmittel, ein Beispiel davon ist Ethylenglykol), auf das in SAE J814 Motorkühlmittel Bezug genommen wird, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Es ist zu verstehen, dass das hierin offenbarte flüssige Kühlmittel nicht auf Wasser/Frostschutzmittel-Mischungen beschränkt ist. So können beispielsweise Flüssigkeiten, die natürliche und synthetischen Motorenöle, Hydraulikflüssigkeiten und Silikon beinhalten, als flüssiges Kühlmittel verwendet werden. Wie in 1 dargestellt, kann das flüssige Kühlmittel (über den Kühlmittelkreislauf 26) durch den Kühler 18 strömen, um das flüssige Kühlmittel zu kühlen. Sobald das flüssige Kühlmittel durch den Kühler 18 gekühlt ist, kann das flüssige Kühlmittel dann den ICE 12 und/oder einen flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher (TEG HX) 29 in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Modul (TEM) 54 kühlen. Der Kühler 18 kann ein Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher sein, einschließlich eines typischen Kraftfahrzeug-Kühlers. Der Kühler 18 kann ein durch ihn hindurchströmendes Motorkühlmittel aufweisen. Es ist zu verstehen, dass Wärme, die vom flüssigen Kühlmittel durch den Kühler 18 ausgetauscht wird, direkt durch Rohre und Rippen (nicht dargestellt) des Kühler 18 übertragen werden kann, oder es kann ein Zwischenwärmetauscher vorhanden sein, beispielsweise ein Endtankkühler (nicht dargestellt).
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In dem Beispiel der in 1 dargestellten vorliegenden Offenbarung, wandelt der TEG 14 die vom ICE 12 erzeugte thermische Energie um, um elektrische Energie auszugeben. Der TEG 14 beinhaltet mindestens ein thermoelektrisches Modul 54. Jedes thermoelektrische Modul 54 weist eine heiße Seite 56 auf, die in thermischem Kontakt mit dem ICE 12 angeordnet ist, und eine kalte Seite 58, die sich distal zu der heißen Seite 56 befindet. Ein Teil der vom ICE 12 erzeugten Wärmeenergie wird auf die Heißseite 56 des thermoelektrischen Moduls 54 übertragen. Jedes thermoelektrische Modul 54 wandelt die vom ICE 12 übertragene Wärmeenergie über einen Seebeck-Effekt zum Verbrauch oder zur Speicherung durch das Fahrzeug 10 in elektrische Energie um. Elektrische Energie ist in 1 durch gestrichelte Linien dargestellt. So wird beispielsweise elektrische Energie gezeigt, die aus der TEG-Steuerung 62 herauskommt und zu dem Lüfter 50, der Pumpe 16 und der elektrischen Energiespeichervorrichtung 24, 46 geleitet wird. Ein flüssigkeitsgekühlter Wärmetauscher 29 ist auf der kalten Seite 58 jedes thermoelektrischen Moduls 54 angeordnet, um restliche thermische Energie vom thermoelektrischen Modul 54 zu dem flüssigen Kühlmittel zu übertragen. Das flüssige Kühlmittel wird über den Kühlmittelkreislauf 26 durch die elektrische Pumpe 16 durch den flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher 29 gepumpt.
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Das thermoelektrische Modul 54 kann ein Array (nicht dargestellt) von thermoelektrischen Modulen 54 sein. Die thermoelektrischen Module 54 in einem Array können elektrisch mit anderen thermoelektrischen Modulen 54 im Array in Reihe geschaltet sein, parallel geschaltet sein oder in einer Kombination davon geschaltet sein.
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Nicht einschränkende Beispiele für das thermoelektrische Modul 54 sind: das thermoelektrische Modul HZ-20 von Hi-Z Technology, Inc., 7606 Miramar Road, San Diego CA 92126-4210; das thermoelektrische Modul TG12-6 von Marlow INC, Inc., 10451 Vista Park Rd, Dallas, TX 75238; das PowerCard-γ TM von Alphabet Energy, 26225 Eden Landing Road, Suite D, Hayward, CA 94545; und Skutterudit thermoelektrische Module von Furukawa Co., Ltd., 1-25-13 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 3050856, Japan. Der TEG 14 kann auch eine TEG-Steuerung 62 beinhalten. Die TEG Steuerung 62 kann die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie an die elektrische Last (z. B. die elektrische Pumpe 16, den elektrischen Lüfter 50, das Gebläse 30 usw.) leiten.
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In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der TEG 14 elektrische Energie aus der vom ICE 12 erzeugten thermischen Energie erzeugen, während sich der ICE 12 im laufenden oder im nicht laufenden Zustand befindet. In einem Beispiel ist das TEG 14 in der Lage, von etwa 1,5 Wh (Wattstunden) bis etwa 15 Wh elektrischer Energie zu produzieren, nachdem der ICE 12 vom laufenden Zustand in den nicht laufenden Zustand geschaltet worden ist.
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Ein Beispiel wurde getestet. Ein TEG wurde an einem Abgassystem eines Fahrzeugs montiert und das Fahrzeug wurde einem harten Fahrzyklus unterworfen, um den Motor und die Abgasanlage vollständig aufzuwärmen. In dem getesteten Beispiel der vorliegenden Offenbarung erzeugte der TEG eine elektrische Leistung von maximal 312,85 Watt zum Zeitpunkt = 0, die exponentiell auf etwa 6 Watt zum Zeitpunkt = 90 Sekunden abklang. Die Zeitkonstante betrug ca. 22,73 Sekunden. Die Integration der exponentiellen Leistungsgleichung zwischen den Grenzen von 0 und 90 Sekunden zeigt, dass im getesteten Beispiel in den ersten 90 Sekunden 6975 Watt-Sekunden (1,938 Watt-Stunden) Energie erzeugt wurden. 1.938 Wh reichen aus, um eine 5-Watt-Pumpe für ca. 23 Minuten zu betreiben.
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Die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie kann von der elektrischen Pumpe 16 verbraucht werden. Die elektrische Pumpe 16 zirkuliert das flüssige Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 26. Die elektrische Pumpe 16 kann jede Pumpe sein, die mit elektrischer Energie funktioniert und in der Lage ist, das flüssige Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 26 zu zirkulieren. In einigen Beispielen kann die elektrische Pumpe 16 das flüssige Kühlmittel durch einen Kühlmantel 64 pumpen, um den ICE 12 zu kühlen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Kühlmantel 64 ein Netzwerk von Durchgängen, die im ICE 12 (z. B. im Zylinderblock um die Zylinder herum und im Zylinderkopf um die Verbrennungskammer herum) ausgebildet sind, um den ICE 12 mit dem flüssigen Kühlmittel vom Kühlmittelkreislauf 26 zu kühlen. Wie hierin offenbart, kann in den Beispielen der vorliegenden Offenbarung das flüssige Kühlmittel verwendet werden, um Teile des ICE 12 wärmer zu halten, als die Teile des ICE 12 wären, wenn die Teile des ICE 12 ohne Zirkulation der Kühlmittelflüssigkeit abgekühlt werden würden.
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Die elektrische Pumpe 16 ist selektiv durch die vom TEG 14 ausgegebene elektrische Energie betreibbar. Die elektrische Pumpe 16 kann durch den TEG 14 versorgt werden, wenn sich der ICE 12 im nicht laufendem Zustand befindet. Die elektrische Pumpe 16 kann auch durch eine Gleichstromquelle 24 versorgt werden, die vom TEG 14 getrennt und unterscheidbar ist. Die Gleichstromquelle 24 kann der Gleichstromgenerator 66 oder die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 sein. Beispiele für eine elektrische Energiespeichervorrichtung 46 sind eine chemische Batterie oder ein Kondensator. Der TEG 14 erfordert eine Temperaturdifferenz zwischen der Heißseite 56 und der Kaltseite 58, um elektrische Energie aus dem TEG 14 zu erzeugen. Daher sind, wie hierin verwendet, „heiß“ und „kalt“ relativ zueinander. „Heiß“ bedeutet eine höhere Temperatur als „kalt“, wodurch ein thermischer Gradient über den TEG 14 erzeugt wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel kann die Gleichstromquelle 24 die elektrische Pumpe 16 selektiv betreiben, um den TEG 14 mit flüssigem Kühlmittel zur Kühlung der Kaltseite 58 des TEG 14 betriebsbereit zu machen, um eine Erzeugung elektrischer Leistung durch den TEG 14 zu initiieren. Wenn sich der ICE 12 im laufenden Zustand befindet, kann der ICE 12 dem Gleichstromgenerator 66 mechanische Arbeit zuführen (z. B. durch Drehen eines Ankers des Gleichstromgenerators 66) und der Gleichstromgenerator 66 kann dann die mechanische Arbeit vom ICE 12 in Gleichstrom umwandeln, der zur Stromversorgung der elektrischen Pumpe 16 verwendet werden kann. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 kann der elektrischen Pumpe 16 elektrische Energie zuführen, wenn der TEG 14 und der Gleichstromgenerator 66 keine ausreichende elektrische Energie zur Energieversorgung der elektrischen Pumpe 16 liefern können.
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In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie einen elektrischen Lüfter 50 betreiben. Der elektrische Lüfter 50 kann dem Kühler 18 helfen, das flüssige Kühlmittel zu kühlen. In einem Beispiel kann der Kühler 18 eine Reihe von dünnen Rohren bzw. Rippen beinhalten, durch die das flüssige Kühlmittel umgewälzt wird, wodurch das flüssige Kühlmittel durch die die Röhren bzw. Rippen umgebende Luft gekühlt werden kann. In Reaktion auf ein Steuersignal kann der elektrische Lüfter 50 Umgebungsluft durch den Kühler 18 ziehen. Die vom elektrischen Lüfter 50 durch den Kühler 18 gezogene Umgebungsluft kann das flüssige Kühlmittel abkühlen, wenn das flüssige Kühlmittel durch den Kühler 18 strömt. Mit einer Zwangsluftkonvektion vom elektrischen Lüfter 50 kann der Kühler 18 das flüssige Kühlmittel, das durch den Kühler hindurchgeht, auf eine ausreichend niedrige Temperatur abkühlen, um den ICE 12 und/oder andere Komponenten des Fahrzeugs 10 innerhalb von Betriebstemperaturgrenzen (d. h. unterhalb der Überkochtemperatur und Grenzwerten der chemischen Zersetzung) zu halten. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den elektrischen Lüfter 50 zu betreiben, wenn sich der ICE 12 im nicht laufenden Zustand befindet, um den ICE 12 bzw. andere Komponenten des Fahrzeugs 10 innerhalb der Betriebstemperaturgrenzen zu halten. Somit bedeutet der Begriff „Betriebstemperaturgrenzen“, wie er hierin verwendet wird, nicht, dass die Temperaturen nur dann beibehalten werden, wenn eine Komponente oder der ICE 12 arbeitet.
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Der elektrische Lüfter 50 ist selektiv durch die vom TEG 14 ausgegebene elektrische Energie betrieben. Der elektrische Lüfter 50 kann durch den TEG 14 versorgt werden, wenn sich der ICE 12 im nicht laufenden Zustand befindet und die natürliche Konvektion keine ausreichende Kühlleistung bereitstellt.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel kann der elektrische Lüfter 50 dem Kühler 18 dabei helfen, das flüssige Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf 26 stromaufwärts des flüssigkeitsgekühlten Wärmetauschers 29 zu kühlen. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der TEG 14 dem Kühler 18 im Kühlmittelkreislauf 26 nachgeschaltet. Wenn der ICE 12 sich im laufenden Zustand befindet, kann der ICE 12 dem Gleichstromgenerator 66 mechanische Arbeit zuführen (z. B. durch Drehen eines Ankers des Gleichstromgenerators 66), und der Gleichstromgenerator 66 kann dann die mechanische Arbeit vom ICE 12 in Gleichstromleistung umwandeln, die zur Stromversorgung des elektrischen Lüfters 50 verwendet werden kann. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 kann den elektrischen Lüfter 50 mit Strom versorgen, wenn der TEG 14 und der Gleichstromgenerator 66 keine ausreichende elektrische Energie liefern können, um den elektrischen Lüfter 50 zu versorgen, und die natürliche Konvektion dem Kühler 18 keine ausreichende Kühlleistung liefert.
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Die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie kann auch von einem Gebläse 30 des HVAC-Moduls 20 verbraucht werden. Das HVAC-Modul 20 kann zusätzlich zu dem Gebläse 30 eine Heizvorrichtung 32, einen Entfrosterauslass 34, einen Boden-/Verkleidungsauslass 36 und ein Heizungssteuerventil 38 umfassen. Das Gebläse 30 gibt Luft 52 durch das HVAC-Modul 20 aus. Die Heizvorrichtung 32 ist stromabwärts des Gebläses 30 angeordnet, um die Luft 52 vom Gebläse 30 zu erwärmen. Die Heizvorrichtung 32 kann ein Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher sein, um Wärmeenergie vom flüssigen Kühlmittel zu der vom Gebläse 30 ausgegebenen Luft 52 zu übertragen. Somit kann das flüssige Kühlmittel thermische Energie vom ICE 12 zu der Heizvorrichtung 32 transportieren. Der Entfrosterauslass 34 leitet die erwärmte Luft 52 in Richtung einer Windschutzscheibe, eines Fensters und/oder eines Spiegels. Der Boden-/Verkleidungsauslass 36 leitet die erwärmte Luft 52 zu einem Boden oder einer anderen Stelle (z.B. zum Oberkörperbereich eines Fahrgastes) eines Fahrgastraums des Fahrzeugs 10. Das Heizungssteuerventil 38 regelt wahlweise die Strömung des flüssigen Kühlmittels durch einen Heizvorrichtungszweig 33 des Kühlmittelkreislaufs 26. Das Heizungssteuerventil 38 kann verwendet werden, um den Heizvorrichtungszweig 33 des Kühlmittelkreislaufs 26 zu blockieren, um die Belastung der elektrischen Pumpe 16 zu verringern, indem die Pumpleistung zum Pumpen von Kühlmittel durch ein kleineres Volumen der offenen Zweige des Kühlmittelkreislaufs 26 geleitet wird.
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Das Gebläse 30 ist selektiv durch die vom TEG 14 ausgegebene elektrische Energie betreibbar. Das Gebläse 30 kann durch den TEG 14 versorgt werden, wenn sich der ICE 12 im nicht laufendem Zustand befindet. Wenn sich der ICE 12 im laufenden Zustand befindet, kann der ICE 12 dem Gleichstromgenerator 66 mechanische Arbeit zuführen (z. B. durch Drehen eines Ankers des Gleichstromgenerators 66) und der Gleichstromgenerator 66 kann dann die mechanische Arbeit vom ICE 12 in Gleichstrom umwandeln, der zur Stromversorgung des Gebläses 30 verwendet werden kann. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 kann das Gebläse 30 mit Strom versorgen, wenn der TEG 14 und der Gleichstromgenerator 66 keine ausreichende elektrische Energie liefern können, um das Gebläse 30 zu versorgen.
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Die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie kann auch in der elektrischen Energiespeichervorrichtung 46 gespeichert werden. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 kann jede elektrische Energiespeichervorrichtung sein, wie beispielsweise eine chemische Batterie (z. B. eine Blei-Säure-Batterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie usw.) oder ein Kondensator. Die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 kann mit einem Gleichstrom-Bus 48 verbunden sein. Durch den DC-Bus 48 kann die elektrische Energiespeichervorrichtung 46 zusätzliche elektrische Leistung (z. B. vom Gleichstromgenerator 66) empfangen und kann elektrische Energie an verschiedene Komponenten des Fahrzeugs 10 (z. B. die elektrische Pumpe 16, den elektrischen Lüfter 50, das Gebläse 30 usw.).
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Andere nicht einschränkende Beispiele für elektrische Lasten, die durch die vom TEG 14 erzeugte elektrische Energie angetrieben werden können, sind Unterhaltungssysteme, Beleuchtung, Elektromotoren, Solenoide, Instrumente, Navigationssysteme und Kommunikationssysteme.
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Wie oben erwähnt, kann das Fahrzeug 10 auch ein Kühler-Umgehungsventil 22 umfassen. In einem Beispiel kann das Kühler-Umgehungsventil 22 ein herkömmliches Bimetall-Federthermostat sein. In anderen Beispielen kann das Kühler-Umgehungsventil 22 betätigbar sein, um unter Bedingungen zu öffnen/zu schließen, die zusätzlich zu oder anstelle einer Kühlmitteltemperatur sind. Wenn sich der ICE 12 im nicht laufenden Zustand befindet, kann das Kühler-Umgehungsventil 22 einen Kühlerzweig des Kühlmittelkreislaufs 26 selektiv in Reaktion darauf, dass eine Kühlmitteltemperatur in einem Umgehungstemperaturbereich liegt und selektiv den Kühlerzweig des Kühlmittelkreislaufs 26 in Reaktion darauf öffnen, dass die Kühlmitteltemperatur über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Der Bypass-Temperaturbereich kann unter etwa 100 °C liegen. Beispielsweise kann ein herkömmliches Bimetall-Federthermostat sich bei etwa 95 °C zu öffnen beginnen und bei etwa 100 °C vollständig geöffnet sein. In einigen Beispielen kann der Umgehungstemperaturbereich unterhalb einer „aufgewärmten“ Motortemperatur von 90 °C liegen. In anderen Beispielen kann die Umgehungstemperatur unterhalb einer Temperatur liegen, bei der die Motorreibung abfällt, beispielsweise etwa 60 °C.
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Da die Motorölviskosität typischerweise temperaturabhängig ist, kann der Umgehungstemperaturbereich von der Motorölspezifikation für den Motor abhängen. Dem Kühler 18 zu erlauben, den ICE 12 auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen, kann den Betrieb des TEG 14 verlängern, indem eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem Abgassystem 65 im nicht laufenden Zustand und dem Kühlmittel geschaffen wird, da das Abgassystem 65 typischerweise schneller abkühlt als der Motorzylinderblock. Der Motorblock (Kühlmittel) kann auf eine niedrigere Temperatur abkühlen, wenn das Fahrzeug 10 abgestellt ist, verglichen mit dem Fahrzeug 10, das sich in einer Start/Stopp-Situation befindet.
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Eine Start/Stopp-Situation tritt auf, wenn der ICE 12 automatisch ausschaltet, wenn das Fahrzeug 10 gestoppt wird, zum Beispiel im Verkehr. Wenn der Fahrer die Bremse löst und den Gaspedal drückt, startet der ICE 12 automatisch neu. Jedoch können die Fahrzeugsysteme Unterschiede zwischen einer Start/Stopp-Situation und Fahrzeug 10 das geparkt wird, beispielsweise durch Überwachen von Sensoren und Schaltern im Fahrzeug 10, bestimmen. Wenn beispielsweise der ICE 12 durch den Bediener ausgeschaltet wird, beispielsweise durch Entfernen eines Schlüssels oder durch Drücken einer Start/Stopp-Taste in einem schlüssellosen Fahrzeug, kann das Fahrzeug 10 feststellen, dass das Fahrzeug 10 geparkt ist.
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Durch Umgehen des Kühlerzweigs des Kühlmittelkreislaufs 26 ermöglicht das Kühler-Umgehungsventil 22 dem Fahrzeug 10, die vom ICE 12 erzeugte latente Wärmeenergie zu konservieren, wodurch mehr Wärmeenergie zu der Heizvorrichtung 32 transportiert werden kann. Somit kann die Heizvorrichtung 32 der Luft 52 vom Gebläse 30 mehr Wärme zuführen. In dem in 1 gezeigten Beispiel kann das Kühler-Umgehungsventil 22 den Kühlerzweig des Kühlmittelkreislaufs 26 umgehen, wenn genügend Temperaturdifferenz über dem TEG 14 vorhanden ist, um elektrische Energie zu erzeugen, ohne das flüssige Kühlmittel im Kühler 18 zu kühlen. Wenn der ICE 12 zu heiß ist (z. B. bei einer Temperatur oberhalb der Schwellenwerttemperatur), ermöglicht das Kühler-Umgehungsventil 22 durch Öffnen des Kühlerzweigs des Kühlmittelkreislaufs 26, dass der ICE 12 schneller abgekühlt wird, indem er über den Kühler 18 Wärme in die Umgebung 70 ableitet.
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In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann der ICE 12 Teil eines Hybridantriebsstrangs 40 sein. Obwohl 1 den Hybrid-Antriebsstrang 40 beinhaltet, versteht es sich, dass einige Beispiele den ICE 12 beinhalten, aber nicht den elektrischen Antriebsmotor 42 oder die Antriebsbatterie 44 beinhalten. Solche Beispiele wären keine Hybridfahrzeuge. Der Hybridantriebsstrang 40 kann zusätzlich zu dem ICE 12 einen Elektromotor 42 und eine Antriebsbatterie 44 beinhalten. Der Elektromotor 42 kann wahlweise mindestens ein Antriebsrad (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 10 antreiben. Der Kühlmittelkreislauf 26 kann mit dem Elektromotor 42 und/oder der Antriebsbatterie 44 in Fluidverbindung stehen. Wärmeenergie vom Elektromotor 42 und/oder der Antriebsbatterie 44 kann auf das im Kühlmittelkreislauf 26 zirkulierende flüssige Kühlmittel übertragen werden. Das flüssige Kühlmittel kann dann wahlweise die thermische Energie vom Elektromotor 42 und/oder der Antriebsbatterie 44 zu dem ICE 12 oder der Heizvorrichtung 32 transportieren. Der ICE 12 kann sich in einem nicht laufenden Zustand befinden, wenn der Elektromotor 42 mindestens ein Antriebsrad des Fahrzeugs 10 versorgt. Der TEG 14 kann die elektrische Pumpe 16 mit Strom versorgen, um den ICE 12 aufzuwärmen und bereit zu sein, sauberer und effizienter zu laufen, wenn er in einem Hybridantriebsstrang 40 gestartet wird.
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2A und 2B sind zusammen ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zum Kühlen eines Verbrennungsmotors (ICE) eines Fahrzeugs, wie hierin offenbart, darstellt. Das Verfahren 100 umfasst das „Starten des ICE unter Verwendung elektrischer Energie von einer elektrischen Energiespeichervorrichtung“, wie das mit dem Bezugszeichen 105 gekennzeichnete Feld zeigt. „Das Laufen lassen des ICE, wodurch Wärmeenergie erzeugt wird“ ist bei 110. „Umwandlung, mit einem thermoelektrischen Generator (TEG), eines Teils der thermischen Energie in elektrische Energie für Verbrauch oder Lagerung durch eine elektrische Last“ ist bei 115. „Stromversorgung einer elektrischen Pumpe mit mindestens einem Teil der elektrischen Energie“ ist bei 120. „Worin: die elektrische Pumpe ein flüssiges Kühlmittel durch einen Kühlmittelkreislauf zirkuliert; der Kühlmittelkreislauf steht in Fluidverbindung mit dem ICE und dem TEG; und das flüssige Kühlmittel kühlt den ICE“ bei 125 ist.
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„Worin die Umwandlung des Teils der Wärmeenergie in elektrische Energie erreicht wird, wenn sich der ICE in einem nicht laufenden Zustand befindet“ bei 130 ist. „Ventilabsperrung eines Abschnitts des Kühlmittelkreislaufs, um eine Belastung der elektrischen Pumpe zu reduzieren“ ist bei 135.
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„Worin die Versorgung der elektrischen Pumpe mit zusätzlicher elektrischer Energie aus der elektrischen Energiespeichervorrichtung erreicht wird“ bei 140 ist. „Worin die Versorgung der elektrischen Pumpe ohne zusätzliche elektrische Energie aus der elektrischen Energiespeichervorrichtung erreicht wird“ bei 150 ist. „Worin: der Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung mit einer Heizvorrichtung steht; das flüssige Kühlmittel einen anderen Teil der thermischen Energie auf die Heizvorrichtung überträgt; und die Heizvorrichtung den anderen Teil der Wärmeenergie überträgt, um die Temperatur eines Fahrgastraums des Fahrzeugs zu erhöhen, ein Fenster des Fahrzeugs zu entfrosten oder sowohl die Temperatur des Fahrgastraums zu erhöhen als auch das Fenster zu entfrosten“ ist bei 160. Der Verbinder „A“ zeigt, wie der Teil des in 2A dargestellten Flussdiagramms mit dem Teil des 2B dargestellten Flussdiagramms verbunden ist.
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„Bestimmen einer Temperatur des flüssigen Kühlmittels“ ist bei 180. Vergleichen der Temperatur des flüssigen Kühlmittels mit einer Schwellentemperatur des Lüfters“ ist bei 185. „Aktivieren eines elektrischen Lüfters, der wahlweise mit dem TEG betrieben wird, um Umgebungsluft durch den Kühler zu ziehen, wenn die Temperatur des flüssigen Kühlmittels höher als die Schwellenwerttemperatur des Lüfters ist“ ist bei 190. „Deaktivieren des elektrischen Lüfters, wenn die Temperatur des flüssigen Kühlmittels niedriger oder gleich der Schwellenwerttemperatur des Lüfters ist“ ist bei 195.
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Es versteht sich, dass in den Beispielen der vorliegenden Offenbarung das Kühlmittel verwendet werden kann, um Abschnitte des ICE 12 zu erwärmen. Beispielsweise kann der TEG 14 am Abgassystem 65 angebracht sein. Wärme aus dem Abgassystem 65 kann durch den TEG 14 auf das Kühlmittel übertragen werden. Das Kühlmittel kann dann durch den Kühlmantel 64 gepumpt werden, um Abschnitte des ICE 12 im nicht laufenden Zustand zu erwärmen oder das Abkühlen zu verlangsamen.
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Das Verfahren kann auch dazu führen, dass der ICE 12 eine stabile Betriebstemperatur schneller erreicht als ohne den TEG 14. In den Beispielen beträgt eine stabile Betriebstemperatur für einen ICE 12 der vorliegenden Offenbarung etwa 90 °C bis etwa 105 °C im Kühlmantel 64.
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Es ist selbstverständlich, dass die hierin bereitgestellten Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs beinhalten. So ist beispielsweise ein Bereich von ungefähr 1,5 Wh bis ungefähr 15 Wh so zu interpretieren, dass er nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von ungefähr 1,5 Wh bis ungefähr 15 Wh, sondern auch Einzelwerte beinhaltet, wie beispielsweise 1,8 Wh, 10 Wh, 11 Wh, 14 Wh usw., und Teilbereiche, wie von ungefähr 1,5 Wh bis ungefähr 11 Wh, von ungefähr 8 Wh bis ungefähr 12 Wh, von ungefähr 10 Wh bis ungefähr 13 Wh usw. Weiterhin gilt, dass, wenn „ungefähr” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, dies in der Weise zu verstehen ist, dass geringfügige Variationen des angegebenen Wertes umfasst werden (bis zu +/–10 %).
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Des Weiteren sind die Begriffe „verbinden/verbunden/Verbindung“, „Kontakt/kontaktieren“ und/oder ähnliche hierin breit gefasst und beziehen eine Vielzahl verschiedener verbundener Anordnungen und Montagetechniken ein. Zu diesen Anordnungen und Techniken zählen u. a. (1) die direkte Kommunikation zwischen einer Komponente mit einer anderen Komponente ohne dazwischenliegende Komponenten; und (2) die Kommunikation von einer Komponente mit einer anderen Komponente mit einer oder mehreren dazwischenliegenden Komponenten, sofern eine der Komponenten „verbunden“ /„in Kontakt mit“ der anderen Komponente in beliebiger Weise mit der anderen Komponente in betriebsfähig Kommunikation steht (unabhängig vom Vorhandensein von einer oder mehreren dazwischenliegenden Komponenten).
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Zwar wurden mehrere Beispiele im Detail beschrieben, es versteht sich jedoch von selbst, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- SAE J814 [0014]
- thermoelektrische Modul HZ-20 von Hi-Z Technology, Inc., 7606 Miramar Road, San Diego CA 92126-4210 [0017]
- thermoelektrische Modul TG12-6 von Marlow INC, Inc., 10451 Vista Park Rd, Dallas, TX 75238 [0017]
- PowerCard-γ TM von Alphabet Energy, 26225 Eden Landing Road, Suite D, Hayward, CA 94545 [0017]
- Skutterudit thermoelektrische Module von Furukawa Co., Ltd., 1-25-13 Kannondai, Tsukuba, Ibaraki 3050856, Japan [0017]
