DE112017001907T5

DE112017001907T5 - Energiewiedergewinnungseinheit für den Fahrzeuggebrauch

Info

Publication number: DE112017001907T5
Application number: DE112017001907.9T
Authority: DE
Inventors: William Hutchins
Original assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US11289636B2; WO2017174694A1; US20190088846A1; CN109075244B; CN109075244A

Abstract

Eine Energiewiedergewinnungseinheit (8) für den Gebrauch in einem Fahrzeugabgassystem (6) umfasst einen Einlass (24) zum Aufnehmen von Abgas aus dem Abgassystem (6), einen Auslass (26) zum Zurückführen von Abgas in das Abgassystem (6), einen thermoelektrischen Generator (20), der zwischen dem Einlass (24) und dem Auslass (26) angeordnet ist, und eine Ventilanordnung, die die Funktion hat, Abgas, das in den Einlass (24) eintritt, über den thermoelektrischen Generator (20) zu leiten, um den thermoelektrischen Generator (20) in die Lage zu versetzen, aus der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie Elektroenergie zu erzeugen, wobei die Ventilanordnung die Funktion hat, die Richtung des Abgasstromes über den thermoelektrischen Generator (20) zu variieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Energiewiedergewinnungseinheit für den Gebrauch in einem Fahrzeugabgassystem. Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf eine Energiewiedergewinnungseinheit und auf ein Fahrzeug, in dem eine solche Energiewiedergewinnungseinheit eingebunden ist.
STAND DER TECHNIK
Thermoelektrische Generatoren (TEGs) konvertieren unter Einsatz des Seebeck-Effekts Wärmeenergie in elektrische Energie. Ein typischer TEG umfasst mehrere Metallplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit mit thermoelektrischen Materialien dazwischen, die zwischen Abdeckungen aus einem dielektrischen Substratmaterial zusammengepresst sind.
Es ist allgemein bekannt, dass Fahrzeugmotoren nur zu etwa 30 % effektiv sind und im normalen Gebrauch starke Abwärme erzeugen. In den vergangenen Jahren sind TEG-Vorrichtungen in Fahrzeugabgassysteme eingebunden worden, um Abwärme aus dem Abgas zu nutzen. Dies verringert die Last eines elektrischen Generators, wie etwa eines Wechselrichters am Motor, um den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Ein mit dem Einsatz von TEGs auf diese Weise verbundenes Problem ist, dass sie nur über einen vergleichsweise schmalen Temperaturbereich wirksam funktionieren, bei niedrigen Temperaturen ist die Energieregeneration sehr ineffizient und bei hohen Temperaturen laufen die thermoelektrischen Materialien Gefahr, zu überhitzen. Es hat sich herausgestellt, dass in bestimmten Szenarien die Führungskante der TEGs überhitzen kann, bevor der Großteil des TEGs eine angemessen hohe Temperatur erreicht hat, um einen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass das heiße Abgas von den thermoelektrischen Materialien mit Bypassventilen weg geleitet werden muss, um eine Beschädigung des TEGs zu verhindern, wodurch die Leistung des Systems gesenkt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um zumindest einige der oben genannten Probleme abzuschwächen oder zu überwinden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energiewiedergewinnungseinheit für den Gebrauch in einem Fahrzeugabgassystem bereitgestellt, wobei die Energiewiedergewinnungseinheit Folgendes umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen von Abgas aus dem Abgassystem, einen Auslass zum Zurückführen von Abgas zum Abgassystem, einen thermoelektrischen Generator, angeordnet zwischen dem Einlass und dem Auslass, und eine Ventilanordnung, die funktionsfähig ist, Abgas, das in den Einlass eintritt, über den thermoelektrischen Generator zu leiten, um den thermoelektrischen Generator in die Lage zu versetzen, aus der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie Elektroenergie zu erzeugen, wobei die Ventilanordnung funktionsfähig ist, die Richtung des Abgasstroms über den thermoelektrischen Generator zu variieren.
Vorteilhafterweise ist die vorstehend beschriebene Energiewiedergewinnungseinheit in der Lage, die Richtung des Abgasstroms über den thermoelektrischen Generator zu wechseln und dadurch ein Überhitzen der Führungskanten des thermoelektrischen Generators zu verhindern, was seine Nutzungsdauer verlängert. Des Weiteren erzeugt der wechselnde Strom des Abgases ein gleichmäßigeres Temperaturprofil über den Wärmetauschflächen des thermoelektrischen Generators, als es durch einen Strom in nur einer Richtung erreicht wird. Dies bedeutet, dass das heiße Abgas weniger häufig vom thermoelektrischen Generator abgeleitet wird und ein größerer Teil des Abgases direkt durch den thermoelektrischen Generator verwendet wird, um Elektrizität zu erzeugen. Damit wird die Leistung des Systems verbessert.
Die Energierückgewinnung kann ein Gasleitungsnetz umfassen, das dafür gestaltet ist, den Einlass und den Auslass zu verbinden. Das Gasleitungsnetz kann eine erste Umgehungsleitung und einen zweiten Umgehungskanal umfassen, wobei sich die erste und die zweite Umgehungsleitung zwischen dem Einlass und dem Auslass erstrecken und entlang entsprechender gegenüberliegender Enden des thermoelektrischen Generators angeordnet sind. Abgas strömt vom Einlass zum Auslass in einer ersten Strömungsrichtung durch die Umgehungsleitung.
Das Einbinden von zwei Umgehungskanälen in die Energiewiedergewinnungseinheit ist besonders vorteilhaft beim Bereitstellen von Flexibilität in der Verteilung des Abgasstromes über die Energiewiedergewinnungseinheit, da es die verfügbaren Routen vermehrt, die das Abgas nehmen kann.
Die Ventilanordnung kann funktionsfähig sein, Abgas in einer zweiten Strömungsrichtung von der ersten Umgehungsleitung zur zweiten Umgehungsleitung oder in einer dritten Strömungsrichtung von der zweiten Umgehungsleitung zur ersten Umgehungsleitung, die der zweiten Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, über den thermoelektrischen Generator zu leiten. Dies stellt einen Mechanismus zum Wechseln der Richtung des Abgasstromes über den thermoelektrischen Generator bereit, der beim Erzeugen eines gleichmäßigen Temperaturprofils über den thermoelektrischen Generator besonders nützlich ist und das Überhitzen von dessen Führungskanten verhindert.
Der thermoelektrische Generator kann derart angeordnet sein, dass die zweite und die dritte Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Strömungsrichtung liegen. Eine solche Gestaltung der Energiewiedergewinnungseinheit gestattet ein genaues Regulieren des Abgasstromes durch die Umgehungskanäle und vorbei am thermoelektrischen Generator. Infolge der relativ starken Änderung des Winkels zwischen der ersten und der zweiten oder dritten Strömungsrichtung wird das Abgas im Wesentlichen weiter in der ersten Strömungsrichtung strömen, es sei denn, die Ventilanordnung wirkt darauf ein, um die Richtung zu ändern. Dies gewährleistet, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas den thermoelektrischen Generator umgeht, wenn dies erforderlich ist, was die Wahrscheinlichkeit eines Überhitzens der Führungskanten weiter reduziert.
Die Ventilanordnung kann ein erstes Ventil umfassen, das am Einlass angeordnet ist, wobei das erste Ventil ein Ventilelement umfasst, das durch einen ersten Ventilstellantrieb dafür positioniert werden kann, den Abgasstrom in die erste und die zweite Umgehungsleitung zu steuern. Die Ventilanordnung kann außerdem ein zweites Ventil umfassen, das am Auslass angeordnet ist, wobei das zweite Ventil ein zweites Ventilelement umfasst, das durch einen zweiten Ventilstellantrieb dafür positioniert werden kann, das Ablassen von Abgas aus der ersten und der zweiten Umgehungsleitung zu steuern. Auf diese Weise können der Anteil und die Richtung des Abgasstromes durch die oder zwischen den Umgehungskanälen gemäß dem Energiegewinnungsbedarf der Einheit leicht gesteuert und geändert werden.
Das Ventilelement kann die Form einer Klappe haben, die durch ihren im Verhältnis zu ihrer Tiefe großen Flächeninhalt besonders nützlich ist, um bei Bedarf den Abgasstrom zu leiten, was bedeutet, dass die Klappe den Strom nicht wesentlich behindert, wenn sie den Strom nicht leitet.
In einer Ausführungsform können das erste und das zweite Ventilelement um entsprechende Drehpunkte drehbar sein.
Der erste und der zweite Ventilstellantrieb können zusammen betrieben werden. Dies ermöglicht es den Stellantrieben, das erste und das zweite Ventilelement im Wesentlichen im gleichen Umfang in komplementäre Positionen zu bewegen. Alternativ oder zusätzlich dazu können der erste und der zweite Ventilstellantrieb unabhängig voneinander betrieben werden, so dass das erste und das zweite Ventilelement in verschiedene Positionen bewegt werden können. Unabhängig voneinander betreibbare Ventilstellantriebe stellen eine verbesserte Möglichkeit zum Regulieren des Stroms vorbei am thermoelektrischen Generator bereit, wodurch die Energieerzeugung optimiert wird, während das Risiko von Hitzeschäden am thermoelektrischen Generator minimiert wird.
Das erste Ventilelement kann positioniert werden, den Abgasstrom in sowohl die erste Umgehungsleitung als auch die zweite Umgehungsleitung zu leiten, wobei in diesem Fall das zweite Ventilelement positioniert werden kann, den Austritt des Abgases aus sowohl der ersten Umgehungsleitung als auch der zweiten Umgehungsleitung zu ermöglichen, wodurch ermöglicht wird, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas in der ersten Strömungsrichtung strömt. Diese Gestaltung gestattet es, den thermoelektrischen Generator bei Bedarf gänzlich zu umgehen, zum Beispiel um Überhitzung zu vermeiden.
Das erste Ventilelement kann dafür positioniertn werden, einen Eingang in die erste Umgehungsleitung zu verschließen, wobei das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Ausgang aus der zweiten Umgehungsleitung zu verschließen, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas von der zweiten Umgehungsleitung über den thermoelektrischen Generator zur ersten Umgehungsleitung strömt.
Das erste Ventilelement kann dafür positionierbar sein, einen Eingang in die zweite Umgehungsleitung zu verschließen, wobei das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Ausgang aus der ersten Umgehungsleitung zu verschließen, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas von der ersten Umgehungsleitung über den thermoelektrischen Generator zur zweiten Umgehungsleitung strömt.
Das erste Ventilelement kann dafür positionierbar sein, einen Eingang in entweder die erste Umgehungsleitung oder die zweite Umgehungsleitung teilweise zu verschließen. Das zweite Ventilelement kann dafür positionierbar sein, einen Ausgang aus entweder der ersten Umgehungsleitung oder der zweiten Umgehungsleitung teilweise zu verschließen. Die Fähigkeit, einen teilweisen Verschluss eines Eingangs oder Ausgangs aus einer Umgehungsleitung bereitzustellen, ermöglicht es der Ventilanordnung, die einzelnen Abgas-Durchflussmengen durch jede Leitung zu steuern.
Die Energiewiedergewinnungseinheit kann mehrere thermoelektrische Generatoren umfassen, um eine größere Energieerzeugungskapazität zu ermöglichen. In derartigen Ausführungsformen ist die Ventilanordnung in der Lage, den Abgasstrom über jeden thermoelektrischen Generator zu leiten und die Richtung des Abgasstroms über jeden thermoelektrischen Generator zu variieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Energiewiedergewinnungseinheit für ein Fahrzeugabgassystem bereitgestellt, wobei die Energiewiedergewinnungseinheit einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass beinhaltet, die an entgegengesetzten Enden angeordnet sind, und Anordnungen aus thermoelektrischen Generatoren (TEG), die quer dazwischen angeordnet sind, einen Ventilmechanismus, der dafür angeordnet ist, das Abgas in einer ersten Richtung von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite der Einheit über die Anordnungen aus TEGs zu leiten, und ferner dafür angeordnet ist, das Abgas in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von der zweiten Seite der Einheit zur ersten Seite der Einheit über die TEGs zu leiten, und mindestens eine Kühlmittelleitung in thermischem Kontakt mit einer kalten Fläche eines entsprechenden TEGs der Anordnungen aus TEGs; wobei die Kühlmittelleitung einen Einlass für den Zustrom von Kühlmittel und einen Auslass für das Ausströmen von Kühlmittel umfasst, wobei der Einlass im Wesentlichen mittig zwischen der ersten und der zweiten Seite der Einheit positioniert ist, und eine Strömungsführung, die dafür angeordnet ist, das Kühlmittel mittig weg von dem Kühlmitteleinlass und entlang der ersten und der zweiten Seite der Energiewiedergewinnungseinheit hin zum Kühlmittelauslass zu leiten.
In einer Energiewiedergewinnungseinheit ist es von Vorteil, die Richtung des Abgases zu ändern, um die Effizienz der Stromerzeugung und die Langlebigkeit der TEGs zu verbessern. Dadurch, dass das Kühlmittel anfänglich mittig geleitet wird, kann im Kühlmittel an jeder Seite der Energiewiedergewinnungseinheit ein einheitlicheres Temperaturprofil erreicht werden. Auf diese Weise sollte das Kühlprofil, ungeachtet dessen, ob das Abgas in die erste oder die zweite Richtung geleitet wird, im Wesentlichen gleich sein, was die Effizienz und Langlebigkeit der Energiewiedergewinnungseinheit weiter verbessert.
In einer Ausführungsform ist der Kühlmitteleinlass an einem Abgaseinlassende der Energiewiedergewinnungseinheit positioniert. Eine derartige Anordnung ist für Kühlzwecke äußerst effizient, da das Kühlmittel seine geringste Temperatur am Kühlmitteleinlass aufweist, wobei die Temperatur hin zum Kühlmittelauslass zunimmt. Das Abgas wiederum weist seine höchste Temperatur am Abgaseinlassende auf. Auf diese Weise wird die Temperaturdifferenz maximiert, wenn der Kühlmitteleinlass am gleichen Ende der Energiewiedergewinnungseinheit enthalten ist wie der Abgaseinlass.
Der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass können am gleichen Ende der Energiewiedergewinnungseinheit positioniert sein. Eine derartige Anordnung sorgt für eine verbesserte Installation und Einbindung, da der Kühlmittelbehälter an dem Ende des Behälters bereitgestellt sein kann, an dem sich sowohl der Kühlmittelauslass als auch der Kühlmitteleinlass befinden.
In einer Ausführungsform umfasst der Kühlmittelauslass einen einzelnen Anschluss. Desgleichen kann der Kühlmitteleinlass einen einzelnen Anschluss umfassen (mit oder ohne einen einzelnen Auslassanschluss). Das Verwenden einzelner Anschlüsse sorgt für eine verbesserte Instanthaltbarkeit, da weniger Wege für das Entweichen vorhanden sind, als wenn mehrere Anschlüsse für den Einlass und/oder Auslass verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform ist der Auslass hin zu einer Seite der Energiewiedergewinnungseinheit bereitgestellt.
Die Strömungsführung kann mehrere koplanare Wände beinhalten, die benachbarte Strömungswege zwischen dem Einlass und dem Auslass definieren.
In einer Ausführungsform umfasst die Strömungsführung eine U-förmige Wand mit einer Biegung, die am Kühlmitteleinlass- und -auslassende der Energiewiedergewinnungseinheit angeordnet ist, wobei der Kühlmitteleinlass innerhalb der U-förmigen Wand und der Kühlmittelauslass außerhalb der U-förmigen Wand positioniert ist, um den Kanal in einen Mittelkanal, der Kühlmittel mittig weg vom Kühlmitteleinlass leitet, und gegenüberliegende Seitenkanäle zu teilen, die Kühlmittel hin zum Kühlmittelauslass leiten.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeugabgassystem bereitgestellt, das eine Energiewiedergewinnungseinheit gemäß dem vorstehenden Aspekt einbindet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, das eine Energiewiedergewinnungseinheit oder ein Fahrzeugabgassystem gemäß den vorstehenden Aspekten einbindet.
Innerhalb des Umfangs dieser Anmeldung wird ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorhergehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt werden, und insbesondere deren individuellen Merkmale, unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination berücksichtigt werden können. Dies bedeutet, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer beliebigen Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder Kombination kombiniert werden können, sofern diese Merkmale nicht inkompatibel sind. Der Antragsteller behält sich das Recht vor, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu ändern oder jeden neuen Patentanspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu verändern, um von einem beliebigen Merkmal eines beliebigen anderen Anspruchs abzuhängen und/oder dieses zu integrieren, obwohl es auf diese Art und Weise zuvor nicht beansprucht wurde.
Figurenliste
Eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun nur beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 ein schematisches Blockdiagramm eines Fahrzeugs mit einer Energiewiedergewinnungseinheit nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, die in einem Fahrzeugabgassystem implementiert werden kann;
2 eine Perspektivansicht einer Energiewiedergewinnungseinheit ist, die in einem Fahrzeugabgassystem wie dem in 1 gezeigten implementiert werden kann;
3 eine perspektivische Explosionsansicht eines TEG-Moduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, das in die in 2 gezeigte Energiewiedergewinnungseinheit eingebunden sein kann;
4 eine perspektivische Schnittansicht der in 2 gezeigten Energiewiedergewinnungseinheit ist;
5a bis 5c schematische Draufsichten auf die in 2 gezeigte Energiewiedergewinnungseinheit sind, die in verschiedenen Modi gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung arbeitet;
6 eine Querschnittsdraufsicht auf die in 2 gezeigte Energiewiedergewinnungseinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7a eine ähnliche Ansicht wie in 6 ist, die Abgas zeigt, das in einer ersten Richtung durch das TEG-Modul strömt;
7b eine ähnliche Ansicht wie in 6 ist, die Abgas zeigt, das in einer zweiten Richtung durch das TEG-Modul strömt;
8 eine perspektivische Schnittansicht einer Energiewiedergewinnungseinheit gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9 eine transparente Perspektivansicht der in 2 gezeigten Energiewiedergewinnungseinheit ist, die ein internes TEG-Modul gemäß einer anderen Ausführungsform zeigt; und
10 eine Perspektivansicht einer Energiewiedergewinnungseinheit ist, die in ein Fahrzeugabgassystem eingebaut ist, gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Fahrzeugs 2, das einen Motor 4 enthält, der mit einem Fahrzeugabgassystem 6 verbunden ist. Eine Energiewiedergewinnungseinheit 8 ist nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in das Fahrzeugabgassystem 6 eingebunden. Das heiße Abgas aus dem Fahrzeugabgassystem 6 strömt durch die Energiewiedergewinnungseinheit 8, bevor es aus dem Fahrzeug 2 ausgestoßen wird. Die Energiewiedergewinnungseinheit 8 nutzt die Wärmeenergie aus dem dadurch strömenden Abgas und wandelt die Wärmeenergie unter Einsatz von thermoelektrischen Generatoren um (nicht in 1 dargestellt).
2 zeigt eine Perspektivansicht der Energiewiedergewinnungseinheit 8 von 1. Die Energiewiedergewinnungseinheit 8 umfasst ein TEG-Modul 20, umgeben von einem Gasrohrnetz 22. Das Gasrohrsnetz 22 umfasst ein Einlassrohr 24 und ein Auslassrohr 26, die an einander gegenüberliegenden Enden der Energiewiedergewinnungseinheit 8 angeordnet sind. Zwei separate Umgehungsleitungen 28, 30 flankieren gegenüberliegende Enden des TEG-Moduls 20, um die Einlass- und die Auslassleitung 24, 26 zu verbinden.
Das Energiewiedergewinnungssystem 8 umfasst außerdem eine Ventilanordnung, deren Aufgabe es ist, einen Abgasstrom durch das System 8 zu steuern, wobei die Ventilanordnung ein Einlassventil (in 2 nicht dargestellt) beinhaltet, das an der Verbindungsstelle 32 der Umgehungsleitungen 28, 30 direkt gegenüber und in der Nähe des Einlassrohrs 24 positioniert ist, und ein Auslassventil (in 2 nicht dargestellt), das an der Verbindungsstelle 34 der Umgehungskanäle 28, 30 direkt gegenüber und in der Nähe des Auslassrohrs 34 positioniert ist. Das Einlassventil und das Auslassventil umfassen jeweils eine Ventilklappe (in 2 nicht dargestellt), die gedreht werden kann, um die Richtung der Ventile zu ändern und so die Richtung des Abgasstromes durch die Energiewiedergewinnungseinheit 8 zu steuern, typischerweise durch Leiten des Abgasstroms in eine und aus einer der Bypassleitungen 28, 30. Die Bewegung einer jeden Ventilklappe wird durch einen entsprechenden Ventilstellantrieb 36 gesteuert, der die Stärke und die Richtung der Auslenkung einer jeden Ventilklappe steuert, wodurch die Richtung des Abgasstroms durch die Energiewiedergewinnungseinheit 8 gesteuert wird.
In manchen Ausführungsformen sind die Ventilstellantriebe unabhängig voneinander betreibbar, sodass ein Ventil weiter geöffnet werden kann als das andere. In anderen Ausführungsformen werden die Ventilstellantriebe mit einem einzigen „Haupthebel“ betrieben (nicht dargestellt), wodurch ermöglicht wird, dass beide Ventile gleichzeitig gesteuert werden, sodass die Auslenkungen der Ventilklappeen einander widerspiegeln.
In einigen Betriebsmodi strömt das Abgas ausschließlich durch eine oder durch beide Umgehungsleitungen 28, 30 vom Einlassrohr 24 zum Auslassrohr 26, dabei das TEG-Modul 20 vollständig umgehend und eine Hauptrichtung des Gasstromes definierend. In anderen Betriebsmodi strömt ein Teil des Abgases oder das gesamte Abgas in einer Querströmungsrichtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung liegt, durch das TEG-Modul 20. Eine detailliertere Beschreibung von Betriebsmodi der Energiewiedergewinnungseinheit ist nachfolgend in Bezug auf die 5a bis 5c bereitgestellt.
3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines TEG-Moduls 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in die Energiewiedergewinnungseinheit 8 von 2 eingebunden ist.
Das TEG-Modul 20 umfasst mehrere TEG-Einheiten 40, die parallel zueinander angeordnet sind und rechtwinklig zu einer Ebene liegen, die eine Hauptachse 42 des TEG-Moduls 20 enthält. Die TEG-Einheiten 40 sind entlang der Hauptachse 42 von benachbarten TEG-Einheiten 40 in regelmäßigen Abständen beabstandet.
Jede TEG-Einheit 40 umfasst mehrere Metallplatten (nicht dargestellt) mit hohem Wärmeleitvermögen mit thermoelektrischen Materialien (zum Beispiel Halbleitermaterialien) dazwischen, die zwischen Abdeckungen aus einem dielektrischen Substratmaterial (wie beispielsweise Keramik) zusammengepresst sind. Die Außenflächen der dielektrischen Abdeckungen definieren Wärmetauschflächen der TEG-Einheit 40 - eine Heißseiten-Wärmetauschfläche und eine Kaltseiten-Wärmetauschfläche. Die Heißseiten-Wärmetauschflächen gegenüberliegender TEG-Einheiten 40 sind durch eine gemeinsame Metallstruktur definiert, die eine Metallplatte jeder TEG-Einheit 40 umfasst, die durch eine Brücke verbunden sind, um eine Struktur von im Allgemeinen U-förmigem Querschnitt zu erzeugen.
Die TEG-Einheiten 40 sind während des Gebrauchs derart angeordnet, dass die Haupt-Wärmetauschflächen im Wesentlichen rechtwinklig zur Hauptachse 42 des TEG-Moduls 20 liegen, wobei die TEG-Einheiten 40 derart in abwechselnder Ausrichtung angeordnet sind, dass die Heißseiten-Wärmetauschfläche jeder TEG-Einheit 40 der Heißseiten-Wärmetauschfläche einer ihr zugewandten TEG-Einheit 40 zugewandt ist.
Das TEG-Modul 20 umfasst ferner eine Kühlmittelrohranordnung 43. Die Kühlmittelrohranordnung 43 umfasst mehrere U-Strom-Kühlmittelrohre 44 mit einem Einlassende und einem Auslassende, wobei sowohl das Einlassende als auch das Auslassende am gleichen Ende jedes U-Strom-Kühlmittelrohrs 44 angeordnet sind, wobei in vertikaler Richtung eines über dem anderen angeordnet ist. Das Kühlmittelfluid in jedem U-Strom-Kühlmittelrohr 44 strömt somit vom Einlass in einer Richtung in das U-Strom-Kühlmittelrohr 44 und in entgegengesetzter Richtung hin zum Auslass und aus dem U-Strom-Kühlmittelrohr 44 heraus. Mehrere U-Strom-Kühlmittelrohre 44 sind derart in Abständen in das TEG-Modul 20 eingefügt, dass jedes U-Strom-Kühlmittelrohr 44 zwischen jedem Paar von Kaltseiten-Wärmetauschflächen gegenüberliegender TEG-Einheiten 40 und in im Wesentlichen paralleler Ausrichtung zu diesem und benachbart zu den nach außen weisenden Kaltseiten-Wärmetauschflächen der TEG-Einheiten 40 an jedem Ende des TEG-Moduls 20 angeordnet ist. Jedes U-Strom-Kühlmittelrohr 44 ist derart angeordnet, dass sich der Abschnitt des Rohrs, in den das Kühlmittelfluid vom Einlass einströmt, im Wesentlichen parallel zur Kaltseiten-Wärmetauschfläche der zugehörigen TEG-Einheit 40 und in Kontakt mit dieser erstreckt.
Das TEG-Modul 20 umfasst ferner ein Paar paralleler Metallplatten, die sich im Wesentlichen parallel zur Heißseiten-Wärmetauschfläche jeder TEG-Einheit 40 erstrecken und in Kontakt mit dieser stehen. Diese Platten erzeugen eine Reihe von Kanälen, die Abgasdurchlässe 46 definieren, durch die das Abgas durch das TEG-Modul 20 strömen kann.
In das TEG-Modul 20 sind mehrere Keile 48 eingesetzt, um benachbarte U-Strom-Kühlmittelrohre 44 benachbarter TEG-Module 40 zu trennen. Um den Umfang des TEG-Moduls 20 erstreckt sich ein Spannband 50 koplanar mit der Hauptachse 42, entlang dessen die Komponenten des TEG-Moduls 20 angeordnet sind. Das TEG-Modul 20 ist ferner mit einem Paar brückenähnlicher Endpuffer 52 versehen, die an jedem Ende der Hauptachse des TEG-Moduls 20 positioniert sind. Nach dem Zusammenfügen bleiben die Keile 48 im TEG-Modul 20 an Ort und Stelle, um sicherzustellen, dass die Kühlmittelkammern stabil an Ort und Stelle bleiben.
Dementsprechend sind in der in 3 gezeigten Anordnung des TEG-Moduls die Hauptkomponententeile in der folgenden Reihenfolge bereitgestellt: U-Strom-Kühlmittelrohr 44, TEG-Einheit 40, Abgasdurchlass 46. TEG-Einheit 40, U-Strom-Kühlmittelrohr 44, Keil 48, U-Strom-Kühlmittelrohr 44, TEG-Einheit 40, Abgasdurchlass 46, TEG-Einheit 40, U-Strom-Kühlmittelrohr 44, Keil 48 und so weiter.
Im Gebrauch wird heißes Abgas durch den Abgasdurchlass 46 des TEG-Moduls 20 geleitet, was die Temperaturen der Heißseiten-Wärmetauschflächen erhöht. Unterdessen wird Kühlfluid (z. B. Wasser) durch die Kühlmittelrohranordnung 43 des TEG-Moduls 20 geführt, um die Temperaturen der Kaltseiten-Wärmetauschflächen zu erhalten. Dies erzeugt den für das Produzieren von Energie notwendigen Temperaturgradienten über die TEG-Einheit 40. Der Gebrauch von Kühlfluid maximiert den Temperaturgradienten und damit wiederum die elektrische Ausgangsleistung jeder TEG-Einheit.
In einigen Ausführungsformen können sich Konvektorlamellen 53 wie jene, die in standardmäßigen Konvektionsradiatoren zu finden sind, von jeder Heißseiten-Wärmetauschfläche in die Abgasdurchlässe 46 erstrecken. Das Vorhandensein der Konvektorlamellen 53 erhöht den Flächeninhalt wärmeleitenden Materials, das mit dem heißen Abgas in Kontakt steht, wodurch sich die Wärmeübertragung auf die Heißseiten-Wärmetauschflächen entlang des Abgasdurchlasses 46 erhöht.
Es werden verschiedene Messungen vorgenommen, um zu gewährleisten, dass die Kaltseiten-Wärmetauschflächen in engem Kontakt mit den U-Strom-Kühlmittelrohren 44 gehalten werden, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Zum Beispiel sind, wie vorstehend angemerkt, Keile 48 zwischen den benachbarten U-Strom-Kühlmittelrohren 44 eingesetzt. Das Spannband 50 erzeugt ebenfalls eine nach innen gerichtete Spannkraft auf die Komponenten des TEG-Moduls und die Endpuffer 52 verteilen die Wirkung dieser Kraft gleichmäßiger über den Querschnitt des TEG-Moduls 20, um jegliches Verziehen oder jegliche Verformung der Komponenten infolge ungleichmäßigen Drucks zu verhindern.
Es wird darauf hingewiesen, dass alle Richtungsangaben hierin, wie zum Beispiel Bezugnahmen auf „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „vertikal“ und „horizontal“ in Bezug auf die in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsformen gemacht werden. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass die Energiewiedergewinnungseinheit und ihre Bestandteile im Gebrauch in anderen Ausrichtungen als den in den angehängten Figuren dargestellten angeordnet und eingebaut werden können und dass diese Anordnungen als in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallend zu betrachten sind, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht des Energiewiedergewinnungssystems 8 in 2. Das Energiewiedergewinnungssystem umfasst einen Kern 54, der mehrere TEG-Einheiten 40 beinhaltet, in diesem Fall zwei doppelseitige TEG-Einheiten und zwei einseitige TEG-Einheiten. Jede doppelseitige TEG-Einheit umfasst einander gegenüberliegende erste und zweite Anordnungen 55a, 55b aus TEGs. Die Anordnungen aus TEGs 55a, 55b sind jeweils nebeneinander angeordnet und ihre Heißseite ist an einem Außengehäuse 56 der entsprechenden TEG-Einheit 40 angebracht, so dass ihre Kaltseite zur Kaltseitenfläche der benachbarten TEG-Einheit 40 weist. Ein Paar von Trennplatten 57, die durch einen Keil (nicht dargestellt) getrennt sind, ist an dem Gehäuse 56 angebracht und zwischen benachbarten TEG-Anordnungen 55a, 55b angeordnet und von diesen getrennt. Auf diese Weise sind erste und zweite Kaltluft-Kühlkanäle oder Kühlmittelleitungen 58a, 58b angrenzend an jeder Kaltseitenfläche der TEG-Anordnungen 55a, 55b angeordnet oder zum Teil durch diese definiert. Die Platten 57 isolieren die entsprechenden Kaltluft-Kühlkanäle 48a, 48b voneinander.
Jedes TEG-Gehäuse 56 ist derart abgeschlossen und von dem benachbarten Gehäuse 56 des Kerns 54 getrennt, dass ein quer verlaufender Abgasdurchlass 59 bereitgestellt ist, der zwischen den Gehäusen 56 und von einer Umgehungsleitung 28 zur anderen 30 verläuft, je nach der Ausrichtung der Ventilklappen 60, 62. Der Abgasdurchlass 59 verläuft auch auf der anderen Seite jedes Gehäuses 56 zwischen den Gehäusen 56 und einer Innenfläche der Außenstruktur 61 des Energiewiedergewinnungssystems 8. An der Außenfläche der Struktur 61 ist eine weitere Anordnung aus TEGs 55c, 55d bereitgestellt, wobei die Heißseiten der TEGs 55c, 55d mit der Struktur 61 verbunden sind, so dass Wärmeenergie vom Abgas in den Durchlass 59 geleitet wird. Mit den Kaltseiten der anderen TEG-Anordnungen 55c, 55d sind weitere Kühlleitungen 58c, 58d verbunden.
Die 5a bis 5c sind schematische Ansichten der Energiewiedergewinnungseinheit 8 von 2 von oben betrachtet oder der Energiewiedergewinnungseinheit 8 von 4 von der Seite betrachtet. Die 5a bis 5c stellen verschiedene Betriebsmodi der Energiewiedergewinnungseinheit 8 dar.
Jeder Betriebsmodus geht mit einer anderen Konfiguration des Einlass- und des Auslassventils einher. Insbesondere wird jeder Betriebsmodus definiert durch die relativen Anteile des Abgases, das durch das TEG-Modul 20 und durch die Umgehungsleitungen 28, 30 strömt, die durch den Wert bestimmt werden, um den jede Ventilklappe 60, 62 in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung des Abgases ausgelenkt wird, und durch die Richtungen, in die die Auslenkungen stattfinden. Es liegen drei Hauptbetriebsmodi vor - ein „Umgehungsmodus“, dargestellt in 5a; ein „Vollstrommodus“, dargestellt in 5b; und ein „Segelmodus“, dargestellt in 5c.
Im Umgehungsmodus wird weder die Einlassventilklappe 60 noch die Auslassventilklappe 62 wesentlich ausgelenkt, sie verbleiben im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung des Abgases. Dies ermöglicht es, dass das Abgas ungehindert von dem Einlassrohr 24 an beiden Seiten des Einlassventils vorbei in die Umgehungsleitungen 28, 30 strömt, dann am Auslassventil vorbei strömt und darauf hin die Energiewiedergewinnungseinheit 8 durch das Auslassrohr 26 verlässt, ohne überhaupt in das TEG-Modul 20 einzutreten.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Abgas die Richtung nicht ändert, um in einen Abgasdurchlass 46 des TEG-Moduls 20 einzutreten, es sei denn, es besteht ein bedeutender Strömungswiderstand entlang der Umgehungsleitungen 28, 30. Demnach strömt im Umgehungsmodus im Wesentlichen das gesamte Abgas durch die Umgehungsleitungen 28, 30.
Die Energiewiedergewinnungseinheit 8 wird im Umgehungsmdus betrieben, wenn das TEG-Modul 20 Gefahr läuft, zu überhitzen. Dies kann zum Beispiel vorkommen, wenn das Abgas, das in die Energiewiedergewinnungseinheit eintritt, eine zu hohe Temperatur aufweist oder wenn das Abgas über einen längeren Zeitraum durch das TEG-Modul 20 strömt.
Im Vollstrommodus werden die Einlassventilklappe 60 und die Auslassventilklappe 62 in einander entgegengesetzte Richtungen maximal ausgelenkt, wobei jede sich vollständig über eine Öffnung einer anderen der Umgehungsleitungen 28, 30 erstreckt. Dies verhindert, dass der Gasstrom durch dieselbe Umgehungsleitung aus der Energiewiedergewinnungseinheit 8 austritt, durch die er eingetreten ist, und somit wird das gesamte Abgas durch das TEG-Modul 20 gedrängt, da kein direkter Weg durch die Umgehungsleitung 28, 30 von dem Einlassrohr 24 zum Auslassrohr 26 für das Gas zur Verfügung steht.
So wird zum Beispiel, wie in der Draufsicht in 5b zu sehen ist, die Einlassventilklappe 60 maximal nach unten ausgelenkt, wodurch bewirkt wird, dass das Abgas vollständig in die obere Umgehungsleitung 30 strömt; allerdings kann, da die Auslassventilklappe 62 maximal nach oben ausgelenkt wird, das Abgas nicht direkt aus der oberen Umgehungsleitung 30 durch das Auslassrohr 26 aus der Energiewiedergewinnungseinheit 8 austreten. Stattdessen wird das Abgas aus der oberen Umgehungsleitung 30 durch die Abgasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 und in die untere Umgehungsleitung 28 gedrängt, um das Auslassrohr 26 zu erreichen. Die Richtung des quer verlaufenden Stroms durch die Gasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 kann umgekehrt werden, indem die Richtung der Auslenkung der Einlass- und der Ausgangsventilklappe 60, 62 (wie durch die gepunkteten Linien in 5b angedeutet) umgekehrt wird.
Als ein Ergebnis eines effizienten Wärmeaustauschs zwischen dem Abgas und den Metallplatten der TEG-Einheiten 40 und der aus dieser Wärme erzeugten elektrischen Energie kühlt das Abgas deutlich ab, während es durch den Abgasdurchlass 46 strömt. Demnach erwärmen sich die Führungskanten einer jeden TEG-Einheit 40 viel schneller als der Rest der Einheit.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Richtung der Auslenkung der Ventilklappen und demnach auch die Richtung des quer verlaufenden Stroms durch die Abgasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 periodisch umgekehrt. Dies verhindert ein Überhitzen der Führungskanten des TEG-Moduls 20, wodurch dessen Lebensdauer verlängert wird.
Die Leistung der Energiewiedergewinnungseinheit 8 wird ebenfalls gesteigert, da die abwechselnde Strömung ein einheitlicheres Temperaturprofil entlang einer jeden Heißseiten-Wärmetauschfläche erzeugt, als mit einer Strömung in einer einzigen Richtung erzielt wird. Dies bedeutet, dass der Umgehungsmodus weniger häufig eingesetzt wird und dass ein größerer Anteil des Abgases des TEG-Moduls 20 eingesetzt wird, um Elektrizität zu erzeugen.
Im Segelmodus, dargestellt in 5c, werden die Einlass- und die Auslassventilklappe 60, 62 verschieden stark ausgelenkt, wobei keine der Umgehungsleitungen 28, 30 vollständig geschlossen ist. Dies ermöglicht, dass ein Teil des Gases durch die Umgehungsleitungen 28, 30 strömt, erzeugt aber genug Strömungswiderstand, um einen Teil des Abgases in das TEG-Modul 20 zu drängen. Der Segelmodus kann demnach als eine Kombination aus dem Umgehungsmodus und dem Vollstrommodus angesehen werden.
So wird zum Beispiel, wie in der 5c zu sehen ist, die Einlassventilklappe 60 maximal nach unten ausgelenkt, während die Ausgangsventilklappe 62 im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung bleibt. Demnach strömt das Abgas entlang eines von zwei Pfaden: der erste Pfad entspricht einem direkten Strom von dem Einlassrohr 24 zu dem Auslassrohr 26 durch die obere Umgehungsleitung 30; der zweite Pfad entspricht einem Strom von der oberen Umgehungsleitung 30 durch die Gasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 in die untere Umgehungsleitung 28 und in das Auslassrohr 26.
Der Grad und die Richtung der Auslenkung der Ausgangsventilklappe 62 kann abhängig von dem Anteil des Gases variiert werden (wie durch die gepunktete Linie in 5c angedeutet), das durch die Gasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 strömen soll. Eine größere Auslenkung der Auslassventilklappe 62 nach oben in 5c führt dazu, dass ein größerer Anteil von Gas durch das TEG-Modul 20 strömt.
Dieser Modus gewährleistet, dass bei hohen Gastemperaturen die Menge an Abgas, das durch das TEG-Modul 20 strömt (und somit die Menge an Wärmezuführung in jede TEG Einheit 40) durch die Wasserkühlkapazitäten der Kühlmittelrohranordnung 43 unterstützt wird.
Wenngleich spezifische Ventilauslenkungen in den 5a bis 5c dargestellt werden, wird darauf hingewiesen, dass die Funktionalität der Energiewiedergewinnungseinheit 8 nicht wesentlich beeinträchtigt werden würde, wenn die Auslenkungen der Einlassventilklappe 60 und der Auslassventilklappe 62 umgekehrt zu dem dargestellten Zustand wären. So ist es zum Beispiel im Segelmodus ausreichend, dass nur eine der Ventilklappen 60, 62 maximal in einer bestimmten Richtung ausgelenkt ist, sofern der Auslenkungswinkel der anderen Ventilklappe variabel bleibt, um die Menge an Abgas zu regeln, das durch das TEG-Modul 20 strömt.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Vorliegen von voneinander unabhängig betreibbaren Ventilen ein nützliches Element derjenigen Ausführungsformen wäre, in denen die Energiewiedergewinnungseinheit im Segelmodus betrieben wird, da dies eine präzise Steuerung einer jeden Ventilklappe ermöglichen würde. Im Vergleich dazu wäre das Vorliegen eines „Haupthebels“ ein nützlicher Zusatz in denjenigen Ausführungsformen, in denen die Energiewiedergewinnungseinheit im Umgehungsmodus oder im Vollstrommodus betrieben wird, da der Grad der Auslenkung der zwei Ventilklappen idealerweise einander widerspiegeln würde. Der Gebrauch des Haupthebels zum Automatisieren der Ventilauslenkungen wäre besonders nützlich, wenn eine periodisch abwechselnde Strömung erforderlich ist.
In Bezugnahme auf 6 sind die Kühlmittelkanäle 58a bis 58d in einer Querschnittsansicht der Energiewiedergewinnungseinheit 8, betrachtet von oben, schematisch dargestellt. Die Kühlmittelleitungen 58a bis 58d beinhalten einen Einlass 70 und einen Auslass 72. Sowohl der Einlass 70 als auch der Auslass 72 sind am gleichen Ende der Kühlmittelleitung 58 angebracht. In dieser Ausführungsform sind der Einlass 70 und der Auslass 72 am Einlassende 24 der Einheit 8 angebracht. Der Einlass 70 ist wie der Auslass 72 ein einzelner Anschluss. Der Auslass 72 ist an einer Seite der Wiedergewinnungseinheit 8 hin zu einem Ende einer TEG-Anordnung angeordnet (nicht dargestellt, aber in 4 zu sehen).
Die Kühlmittelleitungen 58a bis 58d weisen ein rechteckiges Profil mit abgerundeten Enden und eine in ihnen freistehende U-förmige Strömungsführung 74 auf. Die Strömungsführung 74 weist hin zum Einlass 24 der Wiedergewinnungseinheit 8 ein abgerundetes Ende 76 und Schenkel 78 auf, die sich hin zum Auslass 26 erstrecken. Auf diese Weise trennt die Strömungsführung 74 den Kanal in „warme“ äußere Kanäle 80 und einen „kalten“ mittigen Kanal 82. Im Ergebnis kann Kühlmittelflüssigkeit in zwei Richtungen hin zum Auslass 72 strömen. Erstens strömt die Kühlmittelflüssigkeit den „kalten“ mittigen Kanal 82 entlang. Zweitens teilt sich der Kühlmittelstrom nahe dem Auslassende 26 der Wiedergewinnungseinheit 8 und kehrt seine Richtung um, um hin zum Kühlmittelauslass 72 zu strömen, indem er entlang des äußeren Kanals 80 strömt. Dementsprechend werden die äußeren Kühlmittelkanäle 80 mit Kühlmittel versorgt, das im Wesentlichen die gleiche Temperatur hat.
Der Einfluss auf den Strom des Kühlmittels auf diese Weise, lässt sich am besten in Bezug auf die Abgasströme erläutern, die in den 7a und 7b dargestellt sind, welche den Betriebsmodi entsprechen, die vorstehend in Bezug auf 5b erläutert wurden. Bezüge auf „oberstes“, „unterstes“, „stromaufwärts“, „stromabwärts“, „aufwärts“, und „abwärts“, die in Bezug der 7a und b gemacht werden, beziehen sich auf die Ausrichtung, die in der Figur dargestellt ist.
Der Abgasstrom in 7a zeigt die Konfiguration, die 5b entspricht, bei der die Einlassklappe maximal abwärts und die Auslassklappe maximal aufwärts ausgelenkt ist. Das Abgas wird somit durch die TEG-Anordnungen (nicht dargestellt) abwärts geleitet. Im Vergleich der 7a und 6 ist zu erkennen, dass das Abgas im Wesentlichen quer zum Kühlmittel strömt, wenn es entlang der Gänge 80, 82 strömt. Das Abgas wird durch das Kühlmittel derart gekühlt, dass das stromaufwärtige Gas heißer als das stromabwärtige Gas ist. In das Kühlmittel eingebrachte Wärmeenergie macht den obersten Kanal 80 für Kühlmittelflüssigkeit, der hin zum Auslass 72 gerichtet ist, heißer als den mittigen und den untersten Kanal 82, 80.
Im Gegensatz dazu zeigt der Abgasstrom in 7b die Konfiguration, die 5b entspricht, bei der die Einlassklappe maximal aufwärts ausgelenkt ist (wie an der Position der gepunkteten Linie) und die Auslassklappe maximal abwärts ausgelenkt ist. Dementsprechend strömt das Abgas über die TEG-Anordnungen aufwärts. Auf diese Weise erfährt die Kühlmittelflüssigkeit im untersten Kanal 80 infolge dessen, dass das stromaufwärtige Abgas heißer als das stromabwärtige ist, den größten Umfang des Wärmeenergieaustauschs. Auf diese Weise enthält die unterste Säule 80 im Vergleich zum mittigen und obersten Kühlmittelkanal 82, 80 das wärmste Kühlmittel.
Auf diese Weise sollte das Abgas, ungeachtet der Richtung des Abgasstromes, in im Wesentlichen gleichen Umfang gekühlt werden. In einer derartigen Anordnung können, wenn TEGs am Ende jeder Anordnung Temperaturextreme erfahren und die Gefahr einer verminderten Leistung oder gar einer Beschädigung besteht, die Einlass- und die Auslassventilklappe 60, 62 derart neu konfiguriert werden, dass das Temperaturprofil der TEGs an gegenüberliegenden Enden der Anordnungen umgekehrt wird. Die Energiewiedergewinnungseinheit 8 wird damit effizienter und weist im Ergebnis eine längere Lebensdauer auf.
Ein weiterer Nutzen des Anordnens des Einlasses 70 und des Auslasses 72 am gleichen Ende der Einheit 8 besteht darin, dass dies am anderen Ende Raum schafft, um andere Merkmale der Einheit unterzubringen, wie beispielsweise elektrische Verbindungen zur Einheit.
8 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer Energiewiedergewinnungseinheit 8, die ein TEG-Modul 20 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einbindet. In dieser Ausführungsform flankieren die Umgehungsleitungen 28, 30 wie bei der Ausführungsform von 2 und 4 jede Seite des TEG-Moduls 20. Das TEG-Modul 20 unterscheidet sich jedoch von den vorherigen Ausführungsformen dadurch, dass die TEG-Einheiten 40 und Abgasdurchlässe 46, die zwischen diesen Einheiten 40 definiert sind, so ausgerichtet sind, dass sie parallel zu einer Ebene liegen, welche die Hauptachse 42 enthält.
Des Weiteren erstreckt sich jede TEG-Einheit 40 im Wesentlichen über die gesamte Länge der Umgehungsleitungen 28, 30, so dass ein Abgasstrom an einem beliebigen Punkt in Längsrichtung in den Umgehungsleitungen 28, 30 in jeden Abgasdurchlass 46 des TEG-Moduls 20 eintreten kann.
Das Abgas strömt im Allgemeinen horizontal durch die Abgasdurchlässe 46. Es wird darauf hingewiesen, dass das Abgas, wenn keine Merkmale zum Leiten des Abgasstromes rechtwinklig zur Hauptstromrichtung vorhanden sind, typischerweise einen diagonalen Weg durch jeden Abgasdurchlass 46 nimmt, da das Abgas, das an einem Abgasdurchlass 46 an einem Ende der Energiewiedergewinnungseinheit 8 nahe der Einlassleitung 24 eintritt, tendenziell an einem Punkt in Längsrichtung aus dem Durchlass austritt, der näher zur Auslassleitung 26 liegt.
Die in 8 dargestellte Ausführungsform bindet Thermoelementvorrichtungen 70 ein, um die Temperatur an beabstandeten Stellen im TEG-Modul 20 zu messen. In dieser Ausführungsform ist eine entsprechende Thermoelementvorrichtung 70 in jedes Ende von einem der Abgasdurchlässe 46 eingesetzt (und an oder nahe der Stelle, an der die Abgasdurchlässe 46 in die Umgehungsleitungen 28, 30 einleiten, positioniert), um die Temperatur an jedem Ende zu messen und dadurch die Temperaturdifferenz über das TEG-Modul 20 zu bestimmen (d. h. senkrecht zu dessen Hauptachse 42).
Die mit Hilfe der Thermoelementvorrichtungen 70 gemessene Temperatur kann verwendet werden, um den besten Betriebsmodus der Energiewiedergewinnungseinheit 8 zu bestimmen. Wenn zum Beispiel die Temperatur eines Abschnitts des thermoelektrischen Generators als über einem bestimmten Sicherheitsgrenzwert des Betriebs liegend gemessen wird, können die Ventilstellantriebe die Auslenkungen der Ventilklappen automatisch ändern, so dass die Energiewiedergewinnungseinheit 8 im Umgehungsmodus arbeitet. In einem anderen Beispiel werden die Ventilstellantriebe die Richtung der Auslenkung der Ventilklappen 60, 62 automatisch ändern, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den zwei Enden des Abgasdurchlasses 46 für größer als ein bestimmter zuvor definierter Grenzwert befunden wird. Dies kehrt die Richtung des Querstromes durch das TEG-Modul 20 hindurch um und gleicht die Temperaturen innerhalb des TEG-Moduls 20 aus. Dies kann fortgesetzt werden, bis die Thermoelementvorrichtung 70 anzeigt, dass die Temperatur der TEG-Einheiten 40 einen sicheren Wert erreicht hat, und die Ventilstellantriebe können die Energiewiedergewinnungseinheit 8 dann in den Vollstrom- oder den Segelmodus zurückversetzen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Thermoelemente 70 in ähnlicher Weise wie in 8 für jede Ausführungsform der Erfindung verwendet werden können.
9 stellt eine Energiewiedergewinnungseinheit 8 gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform dar, die ebenfalls das TEG-Modul 20 von 3 einbindet. Das Gehäuse der Energiewiedergewinnungseinheit 8 ist in 9 transparent dargestellt, um das innere TEG-Modul 20 sichtbar zu machen, obwohl es sich versteht, dass das TEG-Modul 20 in der Praxis typischerweise nicht von außen sichtbar ist.
Ähnlich der in 2 dargestellten vorhergehenden Ausführungsform ist das TEG-Modul 20 in der in 9 dargestellten Ausführungsform derart angeordnet, dass die Abgasdurchlässe 46 senkrecht zur Richtung des Gashauptstromes durch die Energiewiedergewinnungseinheit 8 liegen. Anders ausgedrückt liegt der Strom des Abgases durch das TEG-Modul 20 in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung liegt, in der der Gashauptstrom durch die Energiewiedergewinnungseinheit 8 stattfindet.
Im Gegensatz zur vorhergehenden Ausführungsform (in 2 dargestellt), in der die Umgehungsleitungen 28, 30 der Energiewiedergewinnungseinheit 8 für einen horizontalen Querstrom an den Seiten der Energiewiedergewinnungseinheit 8 positioniert sind, sind in der Konfiguration von 9 die Umgehungsleitungen 28, 30 jedoch über und unter dem TEG-Modul 20 positioniert, so dass jeder Gasstrom durch die Abgasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 im Wesentlichen vertikal ist.
10 stellt eine Energiewiedergewinnungseinheit 8 einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die eine weitere alternative Konfiguration des TEG-Moduls 20 umfasst. Ähnlich der in 8 dargestellten Ausführungsform liegen die Wärmetauschflächen der TEG-Einheiten 40 in einer Ebene, die parallel zur Richtung des Gashauptstromes in der Energiewiedergewinnungseinheit 8 liegt. Im Gegensatz zur Ausführungsform von 8 ist jedoch die Energiewiedergewinnungseinheit 8 der Ausführungsform von 10 derart angeordnet, dass die Umgehungsleitungen 28, 30 über und unter dem TEG-Modul 20 angeordnet sind. Deshalb ist jeder Gasstrom durch die Abgasdurchlässe 46 des TEG-Moduls 20 im Wesentlichen vertikal. Ähnlich der Anordnung von 8 nimmt das Abgas in der in 10 dargestellten Ausführungsform typischerweise einen diagonalen Weg durch jeden Abgasdurchlass.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (nicht dargestellt) ist entweder das Einlassrohr 24 oder das Auslassrohr 26 derart angeordnet, dass es in einem spitzen Winkel (z. B. 45°) zur Richtung des Gashauptstroms in der Energiewiedergewinnungseinheit 8 abgewinkelt ist. Dies steht im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen, bei denen sowohl das Einlassrohr 24 als auch das Auslassrohr 26 im Wesentlichen parallel zueinander und zur Richtung des Gashauptstromes in der Energiewiedergewinnungseinheit 8 liegen. In einigen Ausführungsformen sind sowohl das Einlassrohr 24 als auch das Auslassrohr 26 in spitzen Winkeln zur Richtung des Gashauptstromes in der Energiewiedergewinnungseinheit 8 abgewinkelt. Die Rohre können in gleichem Umfang abgewinkelt sein (so dass sie praktisch parallel zueinander liegen) oder sie können in unterschiedlichem Umfang abgewinkelt sein. Diese Anordnung von Einlass- und Auslassrohr ist nützlich, da sie die Flexibilität der Positionierung der Energiewiedergewinnungseinheit erhöht, die Montage derselben in der Nähe einer Biegung im Abgassystem ermöglicht und dadurch den verfügbaren Raum effizient nutzt.
Viele Änderungen können an den vorhergehenden Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung nach der Definition in den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.

Claims

Energiewiedergewinnungseinheit für den Gebrauch in einem Fahrzeugabgassystem, wobei die Energiewiedergewinnungseinheit Folgendes umfasst: einen Einlass zum Aufnehmen von Abgas aus dem Abgassystem; einen Auslass zum Zurückführen von Abgas in das Abgassystem; einen thermoelektrischen Generator, der zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet ist; und eine Ventilanordnung, die die Funktion hat, Abgas, das in den Einlass eintritt, über den thermoelektrischen Generator zu leiten, um den thermoelektrischen Generator in die Lage zu versetzen, aus der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie Elektroenergie zu erzeugen, wobei die Ventilanordnung die Funktion hat, die Richtung des Abgasstroms über den thermoelektrischen Generator zu variieren.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 1, ein Gasrohrnetz umfassend, das dafür konfiguriert ist, den Einlass und den Auslass zu verbinden.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 2, wobei das Gasrohrnetz eine erste Umgehungsleitung und eine zweite Umgehungsleitung umfasst, wobei sich die erste und die zweite Umgehungsleitung zwischen dem Einlass und dem Auslass erstrecken und entlang entsprechender gegenüberliegender Enden des thermoelektrischen Generators angeordnet sind und wobei das Abgas in einer ersten Strömungsrichtung vom Einlass zum Auslass durch die Umgehungsleitungen strömt.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 3, wobei die Ventilanordnung funktionsfähig ist, den Abgasstrom in einer zweiten Strömungsrichtung von der ersten Umgehungsleitung über den thermoelektrischen Generator zur zweiten Umgehungsleitung oder in einer dritten Strömungsrichtung, die der zweiten Strömungsrichtung entgegengesetzt ist, von der zweiten Umgehungsleitung zur ersten Umgehungsleitung zu leiten.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 4, wobei der thermoelektrische Generator derart angeordnet ist, dass die zweite und die dritte Strömungsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Strömungsrichtung liegen.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Ventilanordnung ein erstes Ventil umfasst, das am Einlass angeordnet ist, wobei das erste Ventil ein erstes Ventilelement umfasst, das durch einen ersten Ventilstellantrieb positionierbar ist, um den Abgasstrom in die erste und die zweite Umgehungsleitung zu steuern.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 6, wobei die Ventilanordnung ein zweites Ventil umfasst, das am Auslass angeordnet ist, wobei das zweite Ventil ein zweites Ventilelement umfasst, das durch einen ersten Ventilstellantrieb positionierbar ist, um das Ablassen von Abgas aus der ersten und der zweiten Umgehungsleitung zu steuern.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite Ventilelement um entsprechende Drehpunkte drehbar sind.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei der erste und der zweite Ventilstellantrieb zusammen betreibbar sind, um das erste und das zweite Ventilelement in im Wesentlichen dem gleichen Umfang in komplementäre Positionen zu bewegen.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der erste und der zweite Ventilstellantrieb unabhängig voneinander betreibbar sind, so dass das erste und das zweite Ventilelement in verschiedene Positionen bewegt werden können.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das erste Ventilelement dafür positionierbar ist, den Abgasstrom in sowohl die erste Umgehungsleitung als auch die zweite Umgehungsleitung zu leiten, und das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, den Austritt des Abgases aus sowohl der ersten Umgehungsleitung als auch der zweiten Umgehungsleitung zu ermöglichen, wodurch ermöglicht wird, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas in der ersten Strömungsrichtung strömt.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das erste Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Eingang in die erste Umgehungsleitung zu verschließen, und das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Ausgang aus der zweiten Umgehungsleitung zu verschließen, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas von der zweiten Umgehungsleitung über den thermoelektrischen Generator zur ersten Umgehungsleitung strömt.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das erste Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Eingang in die zweite Umgehungsleitung zu verschließen, und das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Ausgang aus der ersten Umgehungsleitung zu verschließen, so dass im Wesentlichen das gesamte Abgas von der ersten Umgehungsleitung über den thermoelektrischen Generator zur zweiten Umgehungsleitung strömt.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das erste Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Eingang in entweder die erste Umgehungsleitung oder die zweite Umgehungsleitung teilweise zu verschließen.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei das zweite Ventilelement dafür positionierbar ist, einen Ausgang aus entweder der ersten Umgehungsleitung oder der zweiten Umgehungsleitung teilweise zu verschließen.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mehrere thermoelektrische Generatoren umfassend, wobei die Ventilanordnung die Funktion hat, den Abgasstrom über jeden thermoelektrischen Generator zu leiten und die Richtung des Abgasstromes über jeden thermoelektrischen Generator zu variieren.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abgaseinlass und der Abgasauslass an entgegengesetzten Enden der Energiewiedergewinnungseinheit angeordnet sind und dazwischen Anordnungen aus thermoelektrischen Generatoren (TEG) quer angeordnet sind und wobei ferner die Ventilanordnung dafür angeordnet ist, das Abgas in einer ersten Richtung von einer ersten Seite über die TEGs zu einer zweiten Seite der Energiewiedergewinnungseinheit zu leiten, und ferner dafür angeordnet ist, das Abgas in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von der zweiten Seite der Energiewiedergewinnungseinheit über die TEGs zur ersten Seite der Einheit zu leiten, wobei die Energiewiedergewinnungseinheit ferner Folgendes umfasst: mindestens eine Kühlmittelleitung in thermischem Kontakt mit einer kalten Fläche eines entsprechenden TEGs der Anordnung aus TEGs, wobei die oder jede Kühlmittelleitung einen Einlass für den Zustrom von Kühlmittel und einen Auslass für das Ausströmen von Kühlmittel umfasst, wobei der Einlass im Wesentlichen mittig zwischen der ersten und der zweiten Seite der Einheit positioniert ist, und eine Strömungsführung, die dafür angeordnet ist, das Kühlmittel mittig weg vom Kühlmitteleinlass und entlang der ersten und der zweiten Seite der Energiewiedergewinnungseinheit hin zum Kühlmittelauslass zu leiten.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 17, wobei der Kühlmitteleinlass an einem Abgaseinlassende der Energiewiedergewinnungseinheit angeordnet ist.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass am gleichen Ende der Energiewiedergewinnungseinheit angeordnet sind.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 19, wobei die Strömungsführung eine U-förmige Wand umfasst, die an einem Ende eine Biegung enthält, wobei der Kühlmitteleinlass innerhalb der U-förmigen Wand positioniert ist und der Kühlmittelauslass außerhalb der U-förmigen Wand positioniert ist, um die Kühlmittelleitung in einen Mittelkanal, der Kühlmittel mittig weg vom Kühlmitteleinlass leitet, und gegenüberliegende Seitenkanäle zu teilen, die Kühlmittel hin zum Kühlmittelauslass leiten.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobeider Kühlmittelauslass einen einzelnen Anschluss umfasst.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Kühlmitteleinlass einen einzelnen Anschluss umfasst.
Energiewiedergewinnungseinheit nach Anspruch 22, wobei der Kühlmittelauslass zu einer Seite der Energiewiedergewinnungseinheit hin bereitgestellt ist.
Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei die Strömungsführung mehrere koplanare Wände beinhaltet, die benachbarte Kühlmittelströmungswege zwischen dem Einlass und dem Auslass definieren.
Fahrzeugabgassystem, die Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend.
Fahrzeug, die Energiewiedergewinnungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 24 oder das Fahrzeugabgassystem nach Anspruch 25 umfassend.