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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen.
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Zur
Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Verbrennungsmotoren ist
eine mögliche Nutzung der Abgaswärme bereits seit
Längerem aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei wird
während der Kaltstartphase die Abgaswärme mittels
eines Wärmetauschers auf das Kühlmedium eines
Kühlkreislaufs übertragen, um über den
Kühlkreislauf eine möglichst rasche und gleichmäßige
Erwärmung der einzelnen Motorkomponenten zu erzielen. Durch eine
solche Maßnahme lässt sich die gewünschte Betriebstemperatur
schneller erreichen sowie darüber hinaus der Bauteilverschleiß,
der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß bis zum
Erreichen der Betriebstemperatur deutlich verringern.
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Um
den Kühlkreislauf im Normalbetrieb nicht weiter zu belasten,
ist eine weitere Wärmeübertragung nach Erreichen
der Betriebstemperatur in der Regel unerwünscht, weshalb
das Abgas dann in der Regel umgeleitet und unter Umgehung des Wärmetauschers
an die Umgebung abgeführt wird.
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Da
im Rahmen der globalen Klimadiskussion zukünftig strengere
Vorschriften in Bezug auf Energieeffizienz und CO2-Emission
von Verbrennungsmotoren zu erwarten sind, gibt es in jüngerer
Zeit Bestrebungen, die Abgaswärme von Verbrennungsmotoren
möglichst während des gesamten Motorbetriebs zu
nutzen und vorzugsweise in elektrische Energie zu wandeln. Mit dieser
elektrischen Energie können dann z. B. Akkus geladen oder
elektrische Geräte betrieben werden. Aus dem Stand der
Technik sind bereits sogenannte thermoelektrische Generatormodule
(im Folgenden: TEG-Module) bekannt, die thermische Energie in elektrische
Energie wandeln und in Abgasanlagen eingesetzt werden können.
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Eine
solche Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung mittels TEG-Modulen
ist beispielsweise in der
JP
11229867 A beschrieben. Um eine Überhitzung und
damit eine Beschädigung der TEG-Module zu vermeiden, ist
in dieser japanischen Druckschrift eine Bypassleitung vorgesehen,
welche stromaufwärts der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
von einer Abgasleitung abzweigt und stromabwärts der Vorrichtung
zur Abgaswärmenutzung wieder in die Abgasleitung einmündet.
Die Verteilung des Abgasstroms zwischen der Abgasleitung und der
Bypassleitung wird dabei durch ein elektrisch betätigtes Durchflusssteuerventil
eingestellt.
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Diese
vorgeschlagene Bypasskonstruktion soll eine Überhitzung
der TEG-Module verhindern, weist aber auch einen hohen Bauraum-
und Materialbedarf für Rohrleitungen auf, wodurch die Montage aufwendig
und das Gesamtsystem teuer wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine möglichst kompakte und preiswerte
Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung zu schaffen, die darüber
hinaus bevorzugt auch schalldämpfend wirkt.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, mit einem abgasdurchströmten
Gehäuse, das einen Einlass für ein Einlassrohr
und einen Auslass für ein Auslassrohr aufweist, wenigstens
einem thermoelektrischen Generatormodul oder Wärmetauscher,
das bzw. der im Gehäuse aufgenommen und/oder am Gehäuse
fixiert ist, sowie einem Steuerelement zur Beeinflussung des Abgasstroms
innerhalb des Gehäuses, wobei der Einlass und der Auslass
sowohl über einen ersten Strömungskanal verbunden
sind, der an das wenigstens eine thermoelektrische Generatormodul
oder den Wärmetauscher angrenzt und mit diesem wärmeleitend
gekoppelt ist, als auch durch einen zweiten Strömungskanal,
der von dem wenigstens einen thermoelektrischen Generatormodul beabstandet
ist, wobei die beiden Strömungskanäle im Inneren
des Gehäuses ausgebildet sind. Durch die Ausformung des
die Abgaswärme nutzenden ersten Strömungskanals
und des die Bypassfunktion erfüllenden zweiten Strömungskanals
in einem gemeinsamen Gehäuse, welches auch den Wärmetauscher
oder das wenigstens eine TEG-Modul aufnimmt oder fixiert, entsteht
eine besonders kompakte Vorrichtung, die bei geringem Materialverbrauch
und Fertigungsaufwand eine Überlastung des Wärmetauschers
bzw. eine Überhitzung des wenigstens einen TEG-Moduls zuverlässig
verhindert.
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In
einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
weist eine Wand wenigstens eines Strömungskanals wenigstens
abschnittsweise ein gasdurchlässiges Schallschutzmaterial
auf, wobei die Wand bevorzugt mit dem Schallschutzmaterial beschichtet
ist. Infolge dieser integrierten Schalldämpfung können
weitere Schalldämpfungseinrichtungen der Abgasanlage kleiner
dimensioniert werden, idealerweise sogar entfallen.
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Zur
thermischen Abschottung des zweiten Strömungskanals kann
das Schallschutzmaterial in dieser Ausführungsform auch
als Hitzeschild ausgebildet sein. Aufgrund der kompakten Bauweise
der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung kann es nämlich
zum Beispiel durch Wärmestrahlung auch dann zu einer Beaufschlagung
des wenigstens einen TEG-Moduls oder Wärmetauschers kommen,
wenn nur der vom wenigstens einen TEG-Modul oder Wärmetauscher
beabstandete zweite Strömungskanal vom Abgas durchströmt
wird. Aufgrund der vorteilhaften Funktion des Schallschutzmaterials
als Hitzeschild lässt sich dieser unerwünschte
Effekt minimieren oder beseitigen, sodass der thermische Einfluss des
Abgasstroms im zweiten Strömungskanal auf das wenigstens
eine TEG-Modul bzw. den Wärmetauscher vernachlässigbar
ist.
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Als
Schallschutzmaterial kommt dabei vorzugsweise ein Metallschaum,
ein Metallgestrick oder eine mikroperforierte Wand zum Einsatz.
All diese Materialien wirken schalldämpfend, sind einfach
und preiswert herstellbar und weisen eine hohe Hitzebeständigkeit
auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
stehen die beiden Strömungskanäle über
ein gasdurchlässiges Schallschutzmaterial in Strömungsverbindung.
Dadurch lässt sich eine besonders gute Schalldämpfung
realisieren.
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Das
Schallschutzmaterial weist hierbei bevorzugt eine Gasdurchlässigkeit
auf, mit der ein Strömungswiderstand zwischen den beiden
Strömungskanälen durch das Schallschutzmaterial
hindurch wenigstens um einen Faktor 5 höher ist als ein
Strömungswiderstand der einzelnen Strömungskanäle vom
Einlass zum Auslass. Eine derart gewählte Gasdurchlässigkeit
bewirkt einerseits eine ausgezeichnete Schalldämpfung und
stellt andererseits sicher, dass der Massenfluss zwischen den beiden
Strömungskanälen durch das Schallschutzmaterial
hindurch vernachlässigbar ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich ein Rohr
im Inneren des Gehäuses, wobei der zweite Strömungskanal
durch einen Rohrquerschnitt und der erste Strömungskanal
durch einen das Rohr umgebenden Ringraum zwischen Rohr und Gehäuse definiert
sind. Diese Konstruktion zur Bildung zweier parallel geschalteter
Strömungskanäle ist äußerst kompakt,
einfach herstellbar und sehr preisgünstig.
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Vorzugsweise
ist das Rohr wenigstens abschnittsweise von einer gasdurchlässigen
Schallschutzschicht umschlossen. Dies führt, wie bereits erwähnt,
zu einer vorteilhaften Schalldämpfung in der Vorrichtung
und bei einer Ausbildung der Schallschutzschicht als Hitzeschild
zusätzlich zu einer thermischen Entkopplung der beiden
unmittelbar aneinander angrenzenden Strömungskanäle.
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Das
Rohr, dessen Rohrquerschnitt den ersten Strömungskanal
definiert, kann darüber hinaus im Bereich der Schallschutzschicht
perforiert sein. Die Perforation wirkt sich dabei äußerst
vorteilhaft auf die Schalldämpfung der Vorrichtung zur
Abgaswärmenutzung aus.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein TEG-Modul vorgesehen, das wärmeleitend
am Gehäuse angebracht ist. Eine Befestigung am Gehäuse
lässt sich mit geringem Aufwand realisieren, ermöglicht
eine gute Wärmeleitung zwischen dem wenigstens einen TEG-Modul
und dem ersten Strömungskanal sowie eine weitgehende thermische
Entkopplung zwischen dem wenigstens einen TEG-Modul und dem zweiten Strömungskanal.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
umfasst das Gehäuse wenigstens zwei miteinander verbundene Blechschalen.
Diese Blechschalen können mit geringem Aufwand aus Blechrohlingen
gestanzt und anschließend umgeformt werden, woraus eine äußerst preiswerte
Fertigung des Gehäuses resultiert.
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Vorzugsweise
ist dabei jeder Strömungskanal durch einen geprägten
Abschnitt einer ersten Blechschale und einen geprägten
Abschnitt einer zweiten Blechschale gebildet. Auf diese Weise lässt sich
der geschlossene Kanalquerschnitt umformtechnisch am einfachsten
herstellen.
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In
einer Ausführungsform der Vorrichtung sind eine Mittelachse
des Einlasses und eine Mittelachse des Auslasses parallel ausgerichtet
und voneinander beabstandet. Dies ermöglicht eine problemlose
Einbindung der Vorrichtung in einen Abgasstrang des Kraftfahrzeugs.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind mehrere thermoelektrische
Generatormodule zu einer durchströmbaren Baugruppe zusammengefasst
und im ersten Strömungskanal angeordnet, wobei die Baugruppe
quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse
des Einlasses oder des Auslasses durchströmbar ist. Infolge
dieser Umlenkung des Abgasstroms im Gehäuse wird die Strömungsgeschwindigkeit
herabgesetzt, wodurch eine gleichmäßigere Beaufschlagung
der TEG-Module sowie eine effizientere Nutzung der thermischen Abgasenergie
möglich werden.
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In
einer anderen Ausführungsform ist im ersten Strömungskanal
ein quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse
des Einlasses oder Auslasses durchströmter Wärmetauscher angeordnet.
Auch hier wird die Strömung umgelenkt und damit verlangsamt,
was eine besonders effektive Nutzung der thermischen Abgasenergie
durch den Wärmetauscher ermöglicht.
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Der
erste Strömungskanal kann stromabwärts des wenigstens
einen TEG-Moduls oder Wärmetauschers in den zweiten Strömungskanal
münden.
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Ferner
ist vorzugsweise ein Kühlkreis vorgesehen, der wärmeleitend
mit dem wenigstens einen TEG-Modul gekoppelt ist. In diesem Fall
ist eine „Heißseite” des wenigstens einen
TEG-Moduls mit dem heißen Abgasstrom und eine „Kaltseite” des
wenigstens einen TEG-Moduls mit dem kalten Kühlmittel des
Kühlkreislaufs wärmeleitend verbunden, sodass über
die TEG-Module eine besonders effektive Wandlung von thermischer
Energie in elektrische Energie stattfindet.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung
weist das Steuerelement eine Ventilklappe zur Beeinflussung der
Strömungsanteile im ersten und zweiten Strömungskanal auf.
Durch eine Regulierung des Abgasstroms im ersten Strömungskanal
mittels der Ventilklappe lässt sich eine Überhitzung
der TEG-Module oder des Wärmetauschers zuverlässig
verhindern.
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Vorzugsweise
ist das Steuerelement im Bereich des Einlasses an der Verzweigungsstelle
der Strömungskanäle angeordnet.
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Alternativ
besteht auch die Möglichkeit, dass das Steuerelement am
zweiten Strömungskanal angeordnet ist und einen Strömungsquerschnitt
des zweiten Strömungskanals schließen oder wenigstens teilweise
freigeben kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung gemäß einer
ersten Ausführungsform bei geöffneter Ventilklappe;
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2 den
schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung gemäß 1 bei geschlossener
Ventilklappe;
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3 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung gemäß einer
zweiten Ausführungsform bei einer Durchströmung
des ersten Strömungskanals;
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4 den
Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung gemäß 3 bei einer Durchströmung
des zweiten Strömungskanals;
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5 eine
halbtransparente, perspektivische Ansicht einer durchströmbaren
Baugruppe mit mehreren TEG-Modulen sowie integrierter Kühlung;
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6 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung gemäß einer
dritten Ausführungsform; und
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7 einen
schematischen Detailschnitt durch eine Abgasleitung stromaufwärts
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgaswärmenutzung.
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Die 1 bis 4 und 6 zeigen
eine Vorrichtung 10 zur Abgaswärmenutzung bei
Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, mit einem abgasdurchströmten
Gehäuse 12, das einen Einlass 14 für
ein Einlassrohr 16 und einen Auslass 18 für
ein Auslassrohr 20 aufweist, wenigstens einem thermoelektrischen
Generatormodul (TEG-Modul) 22 oder einem Wärmetauscher 24 (vgl. 6),
das bzw. der im Gehäuse 12 aufgenommen und/oder
am Gehäuse 12 fixiert ist, sowie einem Steuerelement 26 zur
Beeinflussung des Abgasstroms 28 innerhalb des Gehäuses 12.
Der Einlass 14 und der Auslass 18 sind dabei sowohl
durch einen ersten Strömungskanal 30 verbunden,
der an das wenigstens eine TEG-Modul 22 oder den Wärmetauscher 24 angrenzt
und mit diesem wärmeleitend gekoppelt ist, als auch durch
einen zweiten Strömungskanal 32, der von dem wenigstens
einen TEG-Modul 22 oder Wärmetauscher 24 beabstandet
ist, wobei die beiden Strömungskanäle 30, 32 im
Inneren des Gehäuses 12 ausgebildet sind.
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Somit
ergibt sich eine äußerst kompakte und robuste
Vorrichtung 10 zur Abgaswärmenutzung die bei geringem
Aufwand preiswert herstellbar ist.
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Die 1 und 2 zeigen
eine erste Ausführungsform der Vorrichtung 10 mit
einem im Querschnitt zylindrischen Aufbau. Das Gehäuse 12 wird dabei
durch einen konischen Einlasstrichter 34, einen zylindrischen
Rohrabschnitt 36 sowie einen konischen Auslasstrichter 38 gebildet.
Im Inneren des Gehäuses 12 erstreckt sich ein
Rohr 40, wobei der zweite Strömungskanal 32 durch
einen Rohrquerschnitt und der erste Strömungskanal 30 durch
einen das Rohr 40 umgebenden Ringraum zwischen Rohr 40 und
Gehäuse 12 definiert ist.
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An
einem stromabwärtigen Ende des Rohres 40 befindet
sich das Steuerelement 26 zur Beeinflussung der Strömungsanteile
im ersten und zweiten Strömungskanal 30, 32.
Das Steuerelement 26 ist in der ersten Ausführungsform
am zweiten Strömungskanal 32 angeordnet und als
Ventilklappe ausgebildet, wobei die Ventilklappe den Strömungsquerschnitt
des zweiten Strömungskanals 32 zumindest teilweise
freigeben (vgl. 1) oder schließen kann (vgl. 2).
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Das
Steuerelement 26 befindet sich gemäß 1 in
seiner Offenstellung, sodass der Abgasstrom 28 innerhalb
des Rohres 40 vom Einlass 14 durch den zweiten
Strömungskanal 32 zum Auslass 18 strömen
kann. Alternativ kann der Abgasstrom 28 am Einlass 14 durch
eine Öffnung 42 aus dem Rohr 40 austreten
und über den im Querschnitt ringförmigen ersten
Strömungskanal 30 zum Auslass 18 strömen.
Die Aufteilung des Abgasstroms 28 wird dabei durch die
einzelnen Strömungswiderstände der Strömungskanäle 30, 32 bestimmt.
Einfache und geeignete Maßnahmen zur Beeinflussung des
Strömungswiderstands sind dabei Leitbleche, Blenden oder Ähnliches.
In der Regel ist der Strömungswiderstand des zweiten Strömungskanals 32 in
der Offenstellung des Steuerelements 26 deutlich geringer
als der Strömungswiderstand des ersten Strömungskanals 30. Schließlich
soll in der Offenstellung des Steuerelements 26 über
einen geringen Abgasstrom 28 im ersten Strömungskanal 30 eine Überhitzung
der TEG-Module 22 zuverlässig ausgeschlossen werden.
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In
einer Schließstellung des Steuerelements 26 gemäß 2 ist
der zweite Strömungskanal 32 mit Ausnahme einer
vernachlässigbaren Leckageströmung im Wesentlichen
dicht verschlossen, sodass der gesamte Abgasstrom 28 vom
Einlass 14 über die Öffnung 42 durch
den ersten Strömungskanal 30 bis zum Auslass 18 des
Gehäuses 12 strömt. In diesem Zustand
erfahren die TEG-Module 22 ihre maximale thermische Beaufschlagung
durch den heißen Abgasstrom 28, was zu einer besonders
effektiven Energiewandlung und damit zu einer maximalen Ausbeute
an gewonnener elektrischer Energie führt. Erst wenn eine
Grenztemperatur, mit der die TEG-Module 22 maximal beaufschlagt
werden dürfen, erreicht ist, öffnet das Steuerelement 26 zumindest
teilweise den zweiten Strömungskanal 32, um eine Überhitzung
und damit eine Beschädigung der TEG-Module 22 zu
vermeiden.
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Im
vorliegenden Fall sind mehrere TEG-Module 22 wärmeleitend
am Gehäuse 12 angebracht. Konkret können
die einzelnen TEG-Module 22 an einer radialen Innenseite
des Rohrabschnitts 36 angebracht sein, sodass sie in den
ersten Strömungskanal 30 hineinragen, oder an
einer radialen Außenseite des Rohrabschnitts 36,
sodass sie in einen nur schematisch angedeuteten Kühlkreis 44 hineinragen.
Alternativ ist auch eine Ausführungsvariante denkbar, bei
der sich die TEG-Module 22 durch Öffnungen des Rohrabschnitts 36 hindurch
erstrecken und damit sowohl in den ersten Strömungskanal 30 als
auch in den Kühlkreis 44 ragen.
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Der
lediglich schematisch angedeutete, geschlossene Kühlkreis 44 wird
von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel 46 durchströmt,
um eine „Kaltseite” der TEG-Module 22 zu
kühlen. In den 1 und 2 sind am
Gehäuse 12 und/oder an den TEG-Modulen 22 Wärmeleitrippen 47 vorgesehen,
um die thermische Kopplung zwischen dem Kühlkreis 44 und
den TEG-Modulen 22 zu verbessern. Analog sind am Gehäuse 12 und/oder
an den TEG-Modulen 22 Wärmeleitrippen 49 angeordnet, welche
die Wärmeleitung zwischen dem Abgasstrom 28 im
ersten Strömungskanal 30 und den TEG-Modulen 22 verbessern.
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Der
Kühlkreis 44 zur Kühlung der TEG-Module 22 kann
dabei ein separater Kühlkreislauf sein, der ausschließlich
die TEG-Module 22 kühlt, oder aber ein allgemeiner
Kühlkreislauf (z. B. Motorkühlkreis, Klimakühlkreis,
etc.), an den noch weitere zu kühlende Vorrichtungen angeschlossen
sind.
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In
der ersten Ausführungsform gemäß den 1 und 2 ist
außerdem ein gasdurchlässiges Schallschutzmaterial 48 zu
erkennen. Das Rohr 40 ist in axialer Richtung von dem Schallschutzmaterial 48 abschnittsweise
umschlossen, insbesondere mit dem Schallschutzmaterial 48 beschichtet,
und außerdem im Bereich dieser Schallschutzschicht perforiert.
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Es
hat sich herausgestellt, dass sich in die Vorrichtung 10 zur
Abgaswärmenutzung sehr effektiv und mit geringem Aufwand
Maßnahmen zur Schalldämpfung integrieren lassen.
Dadurch können nachgeschaltete Schalldämpfer in
vorteilhafter Weise entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert
werden, was insgesamt zu einem reduzierten Bauraumbedarf führt.
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Allgemein
ausgedrückt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn
eine Wand wenigstens eines Strömungskanals 30, 32 wenigstens
abschnittsweise das gasdurchlässige Schallschutzmaterial 48 aufweist,
vorzugsweise mit diesem Material 48 beschichtet ist. Ein
besonders geeignetes Schallschutzmaterial 48 ist beispielsweise
ein Metallschaum, ein Metallgestrick oder eine mikroperforierte
Wand.
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In
den 1 und 2 bildet das Schallschutzmaterial 48 ferner
einen Hitzeschild, der eine thermische Beaufschlagung der TEG-Module 22 über
Wärmestrahlung des Abgasstroms 28 im zweiten Strömungskanal 32 verhindert
oder wenigstens auf ein zu vernachlässigendes Maß minimiert.
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Die
Schalldämpfungsmaßnahmen in der Vorrichtung 10 haben
sich als besonders wirkungsvoll erwiesen, wenn die beiden Strömungskanäle 30, 32 über
das gasdurchlässige Schallschutzmaterial 48 in
Strömungsverbindung stehen, was gemäß den 1 und 2 durch
die Perforation 51 des Rohres 40 erreicht wird.
So stellt sich in diesem Ausführungsbeispiel auch dann
eine beachtliche schalldämpfende Wirkung ein, wenn ein
Großteil des Abgasstroms 28 durch den zweiten
Strömungskanal 32 strömt; und dies, obwohl
das Schallschutzmaterial 48 gemäß den 1 und 2 lediglich
auf einer radialen Außenseite des Rohrs 40, das
heißt also im ersten Strömungskanal 30 angeordnet
ist.
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Im
Falle einer Strömungsverbindung zwischen den Strömungskanälen 30, 32 über
das gasdurchlässige Schallschutzmaterial 48 weist
das Schallschutzmaterial 48 bevorzugt eine Gasdurchlässigkeit
auf, mit der ein Strömungswiderstand zwischen den beiden
Strömungskanälen 30, 32 durch das
Schallschutzmaterial 48 hindurch wenigstens um einen Faktor
5 höher ist als ein Strömungswiderstand der einzelnen
Strömungskanäle 30, 32 vom Einlass 14 zum
Auslass 18. Dabei lässt sich ein gewünschter Strömungswiderstand
zwischen den Strömungskanälen 30, 32 mit
geringem Aufwand über die Dichte des Schallschutzmaterials 48 und/oder
die Perforation 51 im Rohr 40 einstellen. Aus
der Strömungsverbindung zwischen den Strömungskanälen 30, 32 durch
das Schallschutzmaterial 48 hindurch resultiert eine deutlich
verbesserte Schalldämpfung der Vorrichtung 10;
gleichzeitig wird durch den erhöhten Strömungswiderstand
dieser Strömungsverbindung sichergestellt, dass der Massenstrom
vernachlässigbar ist. Da nämlich die Verteilung
des Abgasstroms 28 im Wesentlichen durch das Steuerelement 26 bestimmt
werden soll, ist ein nennenswerter Massenstrom zwischen den Strömungskanälen 30, 32 über die
perforierte Wandung des Rohrs 40 in der Regel unerwünscht
und daher über einen erhöhten Strömungswiderstand
zu minimieren.
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Stromabwärts
der TEG-Module 22 werden die Strömungskanäle 30, 32 im
Bereich des Auslasses 18 wieder zusammengeführt.
Konkret kann dabei der erste Strömungskanal 30 in
den zweiten Strömungskanal 32 münden,
um den Abgasstrom 28 zusammenzuführen und in das
Auslassrohr 20 einzuleiten.
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Die 3 und 4 zeigen
eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur
Abgaswärmenutzung. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß den 1 und 2 ist
das Gehäuse 12 hier nicht rohrförmig
mit etwa kreiszylindrischem Querschnitt, sondern eher quaderförmig
mit näherungsweise rechteckigem Querschnitt ausgebildet.
Im Längsschnitt der 3 und 4 ist
eine axiale Länge sowie eine dazu senkrechte Breite des
Gehäuses 12 dargestellt. Senkrecht zur Zeichenebene
erstreckt sich das Gehäuse 12 über eine
Bauhöhe, die relativ zur Länge und Breite deutlich
kleiner ist. In der Regel liegt das Verhältnis Länge/Bauhöhe
sowie Breite/Bauhöhe bei wenigstens 2/1, vorzugsweise bei wenigstens
3/1. Somit ergibt sich insgesamt ein eher „plattiger” Aufbau,
was hinsichtlich des zur Verfügung stehenden Bauraums im
Unterbodenbereich eines Fahrzeugs Vorteile bietet.
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Das
Gehäuse 12 umfasst in diesem Fall wenigstens zwei
miteinander verbundene Blechschalen 50, von denen eine
in den 3 und 4 zu sehen ist. Eine dargestellte
erste Blechschale 50 bildet gewissermaßen ein
Bodenteil, auf welches eine (nicht gezeigte) zweite Blechschale 50 als
Deckelteil aufgesetzt wird. Die Blechschalen 50 werden
bevorzugt als Präge-/Stanzteile hergestellt, wobei jeder
Strömungskanal 30, 32 durch einen geprägten
Abschnitt der ersten Blechschale 50 und einen geprägten
Abschnitt der zweiten Blechschale 50 gebildet ist. Mit anderen
Worten werden die geschlossenen Querschnitte der Strömungskanäle 30, 32 jeweils
durch zwei übereinanderliegende, U-förmig geprägte
Rinnen in den Blechschalen 50 gebildet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante können
die beiden Blechschalen 50 identisch ausgebildet sein.
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Gemäß den 3 und 4 sind
der Einlass 14 und der Auslass 18 an entgegengesetzten axialen
Enden des Gehäuses 12 angeordnet, wobei eine Mittelachse
A des Einlasses 14 und eine Mittelachse B des Auslasses 18 parallel
ausgerichtet und voneinander beabstandet sind.
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Ferner
sind in den 3 und 4 mehrere TEG-Module 22 zu
erkennen, die zu einer durchströmbaren Baugruppe 52 zusammengefasst
und im ersten Strömungskanal 30 angeordnet sind,
wobei die Baugruppe 52 im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse
A des Einlasses 14 und zur Mittelachse B des Auslasses 18 durchströmbar
ist (vgl. 3 und 5).
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Stromabwärts
der durchströmbaren Baugruppe 52 mündet
dann der erste Strömungskanal 30 im Bereich des
Auslasses 18 in den zweiten Strömungskanal 32,
sodass der gesamte Abgasstrom 28 unabhängig von
der Stellung des Steuerelements 26 in das Auslassrohr 20 eingeleitet
wird.
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Analog
zur ersten Ausführungsform ist das Steuerelement 26 auch
in diesem Fall eine Ventilklappe zur Beeinflussung der Strömungsanteile
im ersten und zweiten Strömungskanal 30, 32.
Allerdings ist das Steuerelement 26 in der zweiten Ausführungsform
im Bereich des Einlasses 14 an einer Verzweigungsstelle
der Strömungskanäle 30, 32 angeordnet.
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Gemäß 3 lenkt
das Steuerelement 26 den gesamten Abgasstrom 28 durch
den ersten Strömungskanal 30 und somit durch die
Baugruppe 52 mit den TEG-Modulen 22. Dies führt
zu einer maximalen thermischen Belastung der TEG-Module 22 und
somit zu einer maximalen elektrischen Energieausbeute.
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Um
eine Überhitzung der TEG-Module 22 zu vermeiden,
kann das Steuerelement 26 den Abgasstrom 28 zumindest
teilweise in den als Bypass wirkenden zweiten Strömungskanal 32 leiten,
so dass wenigstens ein Teil des Abgasstroms 28 die Baugruppe 52 umgeht.
In einer Extremstellung des Steuerelements 26 gemäß 4 wird
der gesamte Abgasstrom 28 durch den zweiten Strömungskanal 32 geleitet.
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Der
zweite Strömungskanal 32 grenzt zum Teil unmittelbar
an die Baugruppe 52 an, wobei in diesem Bereich ein Leitblech 54 vorgesehen
ist, welches verhindert, dass die TEG-Module 22 der Baugruppe 52 durch
den heißen Abgasstrom 28 im zweiten Strömungskanal 32 thermisch
beaufschlagt werden.
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Die 5 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Baugruppe 52, wie sie
in der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur
Abgaswärmenutzung im Gehäuse 12 verbaut
ist. Um eine gleichmäßige und effiziente thermische
Beaufschlagung einer „Heißseite” der
TEG-Module 22 zu erreichen, sind die TEG-Module 22 in
der Baugruppe 52 lamellenartig angeordnet, wobei sich die
Lamellen in Strömungsrichtung 56 des Abgasstroms 28 erstrecken.
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In 5 sind
außerdem elektrische Anschlüsse 58 der
TEG-Module 22 zu erkennen, über welche die gewonnene
elektrische Energie an einen Verbraucher oder ein Speichermedium
weitergeleitet werden kann.
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Aufgrund
der halbtransparenten Darstellung sind auch Kühlschlangen
des Kühlkreises 44 zu sehen, welche mit einer „Kaltseite” der
TEG-Module 22 thermisch gekoppelt sind. Die Kühlschlangen
werden durch Rohre gebildet, die sich an einer axialen Stirnseite
aus der Baugruppe 52 heraus erstrecken und Kühlkreisanschlüsse 60 bilden.
Diese Kühlkreisanschlüsse 60 sind auch
in den 3 und 4 sowie in 6 angedeutet.
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Die 6 zeigt
eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur
Abgaswärmenutzung. Diese dritte Ausführungsform
ist konstruktiv und funktional weitgehend identisch mit der Vorrichtung 10 gemäß den 3 und 4.
Der einzige Unterschied ist, dass statt der TEG-Module 22 im
ersten Strömungskanal 30 ein im Wesentlichen senkrecht
zur Mittelachse A, B des Einlasses 14 oder Auslasses 18 durchströmter
Wärmetauscher 24 angeordnet ist. Folglich wird
die thermische Energie des Abgasstroms 28 hier nicht mittels
TEG-Modulen 22 in elektrische Energie gewandelt, sondern über
den Wärmetauscher 24 direkt als Wärmeenergie
genutzt. In dieser Weise kann die thermische Abgasenergie beispielsweise
genutzt werden, um über den Wärmetauscher 24 einen
Kühlkreis 44 zu erwärmen. Falls dieser
Kühlkreis 44 der Motorkühlkreis oder
ein Klimakühlkreis des Kraftfahrzeugs ist, wird dadurch
ein verbessertes Kaltstartverhalten bzw. eine schnellere Erwärmung
des Fahrzeuginnenraums erreicht.
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Obwohl
einige Merkmale der Vorrichtung 10 zur Abgaswärmenutzung
lediglich für eine bestimmte Ausführungsform beschrieben
wurden, ist klar, dass diese in der Regel ohne Weiteres auf die
anderen Ausführungsformen übertragbar sind. Dies
betrifft insbesondere die Erläuterungen zu den Durchflusswiderständen
der Strömungskanäle 30, 32 sowie
die Ausführungen zur Schalldämpfung.
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Die 7 zeigt
einen Detailausschnitt einer Abgasleitung 61 stromaufwärts
der Vorrichtung 10 zur Abgaswärmenutzung. Dieses
konstruktive Detail kann in einigen Ausführungsvarianten
in den Einlass 14 der Vorrichtung 10 oder das
Einlassrohr 16 integriert sein. Die Abgasleitung 61 weist
hierbei eine Querschnittsverengung sowie Zuluftöffnungen 62 im Bereich
der Querschnittsverengung auf. Über den sogenannten Venturi-Effekt
bildet sich im Bereich der Zuluftöffnungen 62 eine
Sogwirkung aus, welche kühle Umgebungsluft 63 in
die Abgasleitung 61 einsaugt. Die Menge an zugeführter
Umgebungsluft 63 lässt sich im vorliegenden Fall
durch betätigbare Klappen 64 einstellen, welche Öffnungen 66 im
Außenmantel 68 der Abgasleitung 61 freigeben
oder verschließen können.
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Über
die zugeführte Umgebungsluft lässt sich in gewissen
Grenzen die Abgastemperatur steuern. Folglich kann durch diese vorgeschaltete
Venturi-Konstruktion für viele Lastfälle bereits
eine optimale Abgastemperatur zur Beaufschlagung der TEG-Module 22 eingestellt
werden, sodass der zweite Strömungskanal 32 in
der Regel durch das Steuerelement 26 verschlossen ist und
nur in Ausnahmefällen sehr hoher thermischer Belastung
(teilweise) freigegeben wird.
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Um
die Ausbeute an elektrischer Energie zu maximieren müssen
die TEG-Module 22 möglichst während der
gesamten Betriebsdauer des Verbrennungsmotors durch den Abgasstrom 28 beaufschlagt werden.
Aus Energiespargründen ist es vorteilhaft, wenn das Steuerelement 26 in
einer Grundstellung den ersten Strömungskanal 30 freigibt
und den zweiten Strömungskanal 32 sperrt (vgl. 2 und 3), und
wenn darüber hinaus ein Federelement vorgesehen ist, welches
das Steuerelement 26 in seine Grundstellung beaufschlagt.
In diesem Fall ist eine aktive Betätigung des Steuerelements 26 zur
Freigabe des zweiten Strömungskanals 32 nur in
den Ausnahmefällen sehr hoher thermischer Belastung nötig, um
eine Überhitzung der TEG-Module zu verhindern. Das Steuerelement 26 wird
dabei üblicherweise in Abhängigkeit von Temperatursensoren
elektrisch betätigt, beispielsweise durch einen Elektromotor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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