DE2427074C2 - Device for feeding the electrical system of vehicles with internal combustion engines - Google Patents

Device for feeding the electrical system of vehicles with internal combustion engines

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Speisung des elektrischen Bordnetzes von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-AS 11 11 460 als bekannt hervorgehtThe invention relates to a device for feeding the electrical system of vehicles with Internal combustion engine according to the preamble of claim 1, as for example from DE-AS 11 11 460 appears as known

Die dort gezeigten Wärme/Elektrizitäts-Wandler sind als sogenannte Thermosäule mit einer Hintereinanderschaltung von vielen Thermelementen ausgebildet Nachteilig an einem solchen Wandler ist, daß selbst bei optimaler Werkstoffpaarung sowohl die Spannungsausbeute als auch die Leistungsausbeute je Thermoelement äußerst gering ist und zur Erzeugung von insgesamt zwölf Volt Spannung mindestens 250 Thermoelemente hintereinander angeordnet werden müßten. Derartige Thermosäulen sind nur extrem gering belastbar, weil sonst die aufgebrachte Spannung zusammenbricht Um also die zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie erforderliche Leistung aufzubringen, müßte eine sehr große Anzahl derartiger Thermosäulen parallel nebeneinander geschaltet werden. Es kommt hinzu, daß derartige Thermosäulen sehr störanfällig sind und ein wartungsfreier Betrieb in einer Abgasumgebung damit nicht aufrechtzuerhalten ist Auch die DE-PS 695 955 schlägt für die Ausnutzung der Abgaswärme von Brennkraftmaschinen zur Stromerzeugung Thermosäulen vor, die um die Abgasleitung herum angeordnet werden sollen. Die in dieser Veröffentlichung genannten angeblich erziel ■ baren Stromstärken stimmen mit der Praxis jedoch nicht überein; vielmehr ist der Wirkungsgrad bzw. die Stromausbeute von Thermoelementen sehr gering.The heat / electricity converters shown there are a so-called thermopile with a series connection formed by many thermal elements. The disadvantage of such a converter is that even with optimal material pairing, both the voltage yield and the power yield per thermocouple is extremely low and at least 250 thermocouples to generate a total of twelve volts would have to be arranged one behind the other. Such thermopiles can only be subjected to extremely low loads, because otherwise the applied voltage collapses. In other words, the amount required to charge a vehicle battery To apply power, a very large number of such thermopiles would have to be parallel to one another be switched. In addition, such thermopiles are very prone to failure and require no maintenance Operation in an exhaust gas environment can therefore not be maintained. DE-PS 695 955 also suggests the exploitation of the exhaust heat from internal combustion engines to generate electricity Thermopiles before that around around the exhaust pipe. The allegedly achieved achievements mentioned in this publication However, the current strengths do not correspond to practice; rather, the efficiency or the Current yield of thermocouples is very low.

Als weitere Art der Wärme/Elektrizitäts-Wandler kennt man auch die thermionischen Konverter, die nach anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten arbeiten und die einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Stromdichte erlauben (vgL Kerntechnik 1963, Seite 361 ff).Another type of heat / electricity converter is known as the thermionic converter other physical laws work and which have a higher degree of efficiency and a higher one Allow current density (see Kerntechnik 1963, page 361 ff).

An die Bordnetze von Kraftfahrzeugen sind üblicherweise verschiedene Verbraucher, wie z. B. Beleuchtung, Anlasser, Lüftung, Zündung, Einspritzanlage und unter Umständen auch noch Nebengeräte, wie z. B. Radio angeschlossen. Das Bordnetz wird in derartigen Fahrzeugen üblicherweise von der Brennkraftmaschine mit Hilfe -eines Generators, d. h. der Lichtmaschine gespeist, wobei eine Batterie als Speicher angeschaltet ist Diese bekannten Einrichtung stellen an sich einen technischen Umweg dar und sie haben insofern eine ganze Reihe von Nachteilen. Hier wäre in erste Linie der Verschleiß und die Geräusche des mechanischen Antriebes der Lichtmaschine sowie der Raumbedarf für einen derartigen Antrieb zu nennen.
Zur Vermeidung dieser Nachteile sind die oben erwähnten Wärme/Elektrizitäts-Wandler vorgeschlagen worden, die jedoch ihrerseits andere Nachteile aufweisen.
On the electrical systems of motor vehicles are usually different consumers, such. B. lighting, starter, ventilation, ignition, injection system and possibly also ancillary devices, such as. B. Radio connected. The electrical system in such vehicles is usually fed by the internal combustion engine with the aid of a generator, ie the alternator, with a battery connected as a memory. The main factors to be mentioned here are the wear and tear and the noise of the mechanical drive of the alternator, as well as the space required for such a drive.
In order to avoid these disadvantages, the above-mentioned heat-to-electricity converters have been proposed, but they in turn have other disadvantages.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine raumsparende Unterbringung eines thermionischen Wandlers an einer Brennkraftmaschine vorzusehen, dergestalt, daß der thermionische Effekt besonders wirkungsgünstig ausgenutzt werden kann.The object of the invention is to provide a space-saving accommodation of a thermionic transducer on a Provide internal combustion engine in such a way that the thermionic effect is used particularly effectively can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst Thermionische Wandler haben nach dem heutigen Stand bereits Wirkungsgrade, die für den vorliegenden Anwendungsfall gut ausreichen. Unter Umständen läßt sich der Wirkungsgrad noch so steigern, daß man einen Elektromotor als Fahrzeugantrieb — parallel zur Brennkraftmaschine — vorsehen kann, der zumindest im Teilbetrieb unter Inanspruchnahme der Speicherbatterie aus dem Bordnetz betrieben werden kann. Durch den thermionischen Wandler ist in jedem Fall eine schnelle Wiederaufladung der Speicherbatterie gewährleistet According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 According to the current state of the art, thermionic converters already have efficiencies that are suitable for the present Use case well enough. Under certain circumstances, the efficiency can be increased so that one Electric motor as a vehicle drive - parallel to the internal combustion engine - can provide that at least can be operated in partial operation using the storage battery from the on-board network. By The thermionic converter guarantees fast recharging of the storage battery in any case

Die wärmeaufnehmenden Rippen an den Emittern können in Strömungsrichtung ausgerichtet sein. Die Rippen der hintereinanderliegenden Thermionikelemente können gegeneinander versetzt sein, indem einfach die entsprechenden Ringelemente gegeneinander verdreht sein. In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung können die einzelnen Thermionikelemente elektrisch voneinander isoliert sein und es kann gegebenfalls an jedem Element der Zwischenraum zwischen dem Emitter und dem Kollektor mit Gas gefüllt sein. Durch eine solche Gasfüllung läßt sich der Wirkungsgrad erhöhen.The heat-absorbing ribs on the emitters can be aligned in the direction of flow. the Ribs of the thermionic elements lying one behind the other can be offset from one another by simply the corresponding ring elements be twisted against each other. In an expedient embodiment of the invention the individual thermionic elements can be electrically isolated from one another and, if necessary, it can on each element the space between the emitter and the collector must be filled with gas. The efficiency can be increased by such a gas filling.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann darin gesehen werden, daß soviele untereinander gleiche Thermionikelemente elektrisch in Reihe geschaltet werden daß die gesamte Ausgangsspannung der Ladespannung der Speicherbatterie entspricht Man kann die hintereinander geschalteten Thermionikelemente zu kompletten Baueinheiten zusammenfassen, die dann einheitlich in die Auspuffrohre einsetzbar sind oder gegebenenfalls auch als Zwischenflansch ausgeführt werden und zwischen dem Zylinderkopf und den Auspuffkrümmern eingesetzt werden können.Another useful embodiment of the invention can be seen in the fact that so many with each other the same thermionic elements are electrically connected in series that the entire output voltage corresponds to the charging voltage of the storage battery. The thermionic elements connected in series can be used combine to form complete units, which can then be used uniformly in the exhaust pipes or optionally also be designed as an intermediate flange and between the cylinder head and the Exhaust manifolds can be used.

Die Leistungsausbeute wird durch Drehzahl und Mitteldruck der Brennkraftmaschine wesentlich beeinflußt, da die Abgastemperatur und die Wärmemenge keinesfalls konstant ist. Für eine Regelung — insbesondere um ein Überladen der Batterie bei langen Vollastfahr-The power output is significantly influenced by the speed and mean pressure of the internal combustion engine, because the exhaust gas temperature and the amount of heat are by no means constant. For a scheme - in particular to avoid overcharging the battery during long full-load driving

ten zu verhindertn — wäre eine Temperatursenkung am Emitter, z. B. durch Frischluftbeimenung oder eine Temperaturerhöhung am Kollektor prinzipiell denkbar. Auch eine Spannungsregelung durch An- oder Abschalten einzelner Elemente läßt sich anwenden, sodaß der Spannungsunterschied zwischen der Ausgangsspannung der Thermionikelemente und der Speicherbatterie verringert oder zu Null wird.th to be prevented - would be a temperature reduction at the emitter, e.g. B. by fresh air or a In principle, temperature increase at the collector is conceivable. Also a voltage regulation by switching on or off individual elements can be applied so that the voltage difference between the output voltage of the thermionic elements and the storage battery decreases or goes to zero.

Einzelheiten der Erfindung zeigt das Ausfübrungsbeispiel der Zeichnung und zwar zeigt:The exemplary embodiment shows details of the invention the drawing namely shows:

F i g. 1 die Anordnung der Tbermionik-Elemente im Zylinderkopf im Schnitt,F i g. 1 the arrangement of the thermal elements in Cylinder head in section,

F i g. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Thermionikelemente gemäß F i g. 1 undF i g. 2 is an enlarged sectional view of the thermionic elements according to FIG. 1 and

Fig.3 ein einzelnes Thermionikelement gemäß F i g. 2 in Ansicht3 shows a single thermionic element according to F i g. 2 in view

Nach F i g. 1 befindet sich im Zylinderkopf 10 unmittelbar neben dem Auslaßventil 11 eine Reihe von Thermionikelementen 12, die von heißen Abgasen durchströmt werden. Die Abgase werden dann durch den Krümmer 13 zum nicht mehr dargestellten Auspuffsammeirohr weitergeleitet Dabei sind so viel einzelne Thermionikelemente vorgesehen, daß deren gesamte Ausgangsspannung der Ladespannung der Speicherbatterie entspricht Im vorliegenden Fall sind sechs einzelne Thermionikelemente 12 vorgesehen, wie insbesondere die F i g. 2 klar erkennen läßt Zur Aufnahme dieser Elemente 12 ist der Auspuffkanal 14 mit einer Erweiterung 15 versehen, in welche die einzelnen Thermionikelemente eingesetzt sind. Die Elemente sind untereinander alle gleich, so daß nur eines anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben zu werden brauchtAccording to FIG. 1, a row of thermionic elements is located in the cylinder head 10 immediately next to the exhaust valve 11 12 through which hot exhaust gases flow. The exhaust gases are then through the manifold 13 to the exhaust manifold, which is no longer shown forwarded There are so many individual thermionic elements provided that their entire output voltage corresponds to the charging voltage of the storage battery. In the present case there are six individual ones Thermionic elements 12 are provided, such as, in particular, FIGS. 2 clearly shows the inclusion of these elements 12, the exhaust duct 14 is provided with an extension 15 into which the individual thermionic elements are used. The elements are all the same with one another, so that only one based on FIGS. 2 and 3 needs to be described

Jedes Thermionikelement 12 besteht aus einem ringförmigen Kollektor 16, der elektrisch isoliert fest in der Erweiterung 15 des Zylinderkopfes 10 siizt Dieser ringförmige Kollektor 16 nimmt den konzentrisch dazu innen angeordneten ringförmigen Emitter 17 auf, wobei Zwischenstücke 18 den gegenseitigen Abstand der einander genau gegenüberliegenden Elektrodenflächen garantieren. Der Emitter 18 ist innen mit Rippen 19 versehen, die parallel zum Abgasstrom verlaufen. Diese dienen zur besseren Wärmeaufnahme.Each thermionic element 12 consists of an annular Collector 16, which is electrically insulated firmly in the extension 15 of the cylinder head 10, This ring-shaped Collector 16 receives the annular emitter 17 arranged concentrically to the inside, wherein Intermediate pieces 18 guarantee the mutual spacing of the exactly opposite electrode surfaces. The emitter 18 is provided on the inside with ribs 19 which run parallel to the exhaust gas flow. These serve for better heat absorption.

Alle Thermionikelemente 12 sind untereinander und gegen die Wandungen des Zylinderkopfes elektrisch isoliert und diese Isoliermasse 20 dient zugleich zur Aufnahme der elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Thermionikelementen. Diese sind — wie bereits erwähnt — inn Reihe geschaltet, so daß sich im vorliegenden Fall eine Ausgangsspannung für die gesamte Anordnung von etwa 6 Volt ergibt Am Ende der gesamten Anordnung bildet die Isoliermasse eine Art Flansch 21, deren Ansatz 22 die elektrischen Ableitungen 23 enthält Zwischen dem Zylinderkopf 10 und dem Auspuffkrümmer 13 ist in bekannter Weise eine Dichtung 24 angeordnetAll thermionic elements 12 are electrical to one another and to the walls of the cylinder head isolated and this insulating compound 20 also serves to accommodate the electrical connections between the individual thermionic elements. These are - as already mentioned - connected in series, so that in the present case there is an output voltage for the entire Arrangement of about 6 volts results at the end of the entire arrangement, the insulating compound forms a kind of Flange 21, the approach 22 of which contains the electrical conductors 23 between the cylinder head 10 and the Exhaust manifold 13, a seal 24 is arranged in a known manner

Es wird zweckmäßig sein, die einzelnen Thermionik-Elemente 12 gegeneinander geringfügig zu verdrehen, so daß die Rippen 19 nicht fluchtend hintereinander liegen. Es wäre auch denkbar, die Rippen schraubenförmig auszubilden, wie überhaupt auch jede andere Oberflächenvergrößerung an der inneren Seite des Emitters brauchbar ist, solange sie den Abgasstrom nicht allzusehr behindertIt will be useful to slightly twist the individual thermionic elements 12 against each other, so that the ribs 19 are not aligned one behind the other. It would also be conceivable for the ribs to be helical as well as any other surface enlargement on the inner side of the emitter is useful as long as it does not impede the flow of exhaust gas too much

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Einrichtung zur Speisung des eine Speicherbatterie, Verbraucher und entsprechende Schalimittel umfassenden elektrischen Bordnetzes von Fahrzeugen mit Brennkraftmaschine, insbesondere von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagten Wärme/Elektrizitäts-Wandler als Stromerzeuger, dadurch gekennzeichnet.daß die ringförmigen Elemente (12) des als thermionischer Wandler ausgebildeten Stromerzeugers, deren zur Wärmeaufnahme mit vergrößerter Oberfläche (19) versehene Emitter (17) vom Abgasstrom überstrichen werden und deren Kollektoren (16) — elektrisch isoliert — fest im Zylinderkopf (10) sitzen und über Isolierstücke (18) die konzentrisch in jedem Kollektor (16) angeordneten ringförmigen Emitter (17) tragen, im Zylinderkopf (10) der Brennkraftmaschine in jedem Auslaßkanai (14) unmittelbar neben dem Auslaßventil (11) angeordnet sind.1. Device for supplying a storage battery, Consumers and corresponding sound equipment comprehensive electrical on-board network of vehicles with internal combustion engine, in particular of motor vehicles, consisting of one of the exhaust gases the internal combustion engine acted upon by the heat / electricity converter as a power generator, characterized in that the ring-shaped Elements (12) of the power generator designed as a thermionic converter, whose heat absorption Emitter (17) provided with an enlarged surface (19) is swept over by the exhaust gas flow and their collectors (16) - electrically insulated - sit firmly in the cylinder head (10) and over insulating pieces (18) carry the ring-shaped emitters (17) arranged concentrically in each collector (16), in the cylinder head (10) of the internal combustion engine in each Auslaßkanai (14) immediately next to the Outlet valve (11) are arranged. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Thermionik-Elemente (12) elektrisch voneinander isoliert sind und gegebenenfalls an jedem Element der Zwischenraum zwischen Emitter (17) und Kollektor (16) mit Gas gefüllt ist2. Device according to claim 1, characterized in that the individual thermionic elements (12) are electrically isolated from one another and optionally on each element the space between Emitter (17) and collector (16) is filled with gas 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß soviel untereinander gleiche Thermionik-Elemente (12) elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die gesamte Ausgangsspannung der Ladespannung der Speicherbatterie entspricht3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that as much as one another is the same Thermionic elements (12) are electrically connected in series that the entire output voltage corresponds to the charging voltage of the storage battery
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