DE102006057662A1

DE102006057662A1 - Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator

Info

Publication number: DE102006057662A1
Application number: DE102006057662A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Richter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-12

Abstract

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem thermoelektrischen Generator, der mindestens ein von einer Wärmequelle wärmeaufnehmendes Element und mindestens ein an eine Wärmesenke wärmeabgebendes Element aufweist und zwei elektrische Anschlüsse, über die der thermoelektrische Generator elektrische Energie abgeben kann, wobei ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der Heizelemente aufweist, die thermisch mit dem mindestens einen wärmeaufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind, und Kühlelemente, die thermisch mit dem mindestens einen wärmeabgebenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind. Die Heizelemente sind im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und von Abgas um- bzw. durchströmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Unter dem Begriff "thermoelektrischer Generator" wird in der vorliegenden Patentanmeldung eine Vorrichtung verstanden, die mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke in thermischer Verbindung steht und die aus der Temperaturdifferenz unter Ausnutzung des aus der Physik bekannten "Seebeck-Effekts" eine elektrische Spannung bzw. einen elektrischen Strom erzeugt. Bei einem thermoelektrischen Generator handelt es sich also im Prinzip um eine physikalisch umgekehrt arbeitende „Peltier-Anordnung".
Ein thermoelektrischer Generator weist zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien auf, die ähnlich wie in der Prinzip-Darstellung der 6 gezeigt ist, thermisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Setzt man diese Materialpaarung einer Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke aus, bildet sich zwischen den beiden Materialschenkeln eine elektrische Spannung (Thermospannung). Durch Kombination einer Vielzahl solcher Elemente können mit einer entsprechend leistungsfähigen Wärmequelle wirtschaftlich nutzbare elektrische Leistungen erzielt werden.
Bei modernen Straßenfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden gegenwärtig etwa zwei Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese Energie geht unwiederbringlich verloren. Lediglich ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie wird für den Vortrieb des Fahrzeugs genutzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zu schaffen, das einen größeren Anteil der im Kraftstoff enthaltenen Energie nutzt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Teil der über das Abgas vom Verbrennungsmotor abgegebenen Wärmeleistung mittels eines thermoelektrischen Generators, der als Wärmequelle das Abgas und als Wärmesenke Umgebungsluft nutzt, in elektrische Leistung umzuwandeln.
Ein solches Fahrzeug mit Verbrennungsmotor weist also einen thermoelektrischen Generator auf mit mindestens einem von einer Wärmequelle Wärme aufnehmenden Element und mindestens einem an eine Wärmesenke Wärme abgebenden Element, sowie zwei elektrische Anschlüsse, über die der thermoelektrische Generator elektrische Energie abgeben kann. Ferner ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der "Heizelemente" aufweist, welche thermisch mit dem mindestens einen Wärme aufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind, und "Kühlelemente", die thermisch mit dem mindestens einen Wärme abgebenden Element des ther moelektrischen Generators verbunden sind. Die Heizelemente des Wärmetauschers sind im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und werden von heißem Abgas durch- bzw. umströmt. Die Kühlelemente werden mit kühler Luft durch- bzw. umströmt.
Mit der Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erreicht:

– Die Erfindung trägt zur Verbesserung der Gesamtenergiebilanz des Fahrzeugs bei, da im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Wärmeenergie rekuperiert wird, die ansonsten verloren geht.
– Die Nutzungsmöglichkeiten der rekuperierten Wärmeenergie sind vielfältig. Im einfachsten Fall wird der konventionelle Generator (Lichtmaschine) entlastet und damit Kraftstoff gespart.
– Es ist aber auch möglich, die rekuperierte elektrische Energie in der Batterie zwischenzuspeichern.
– Insbesondere im Winter unterstützt der thermoelektrische Generator das Bordnetz, wenn eine Vielzahl elektrischer Verbraucher (z.B. Heizung, PTC, Sitzheizung) das Bordnetz stark belasten.
– Im Falle eines elektrifizierten Antriebsstrangs (Hybrid-Fahrzeug) kann die rekuperierte Wärmeenergie auch zum Antrieb eines Elektromotors eingesetzt werden, wodurch der Verbrennungsmotor entlastet wird und der Kraftstoffverbrauch sinkt.
– Ein wesentlicher Vorteil eines luftgekühlten thermoelektrischen Generators ist darin zu sehen, dass der Systemaufwand im Vergleich zu einer Wasserkühlung deutlich geringer ausfällt. Auf Kühlwasser leitungen im Unterbodenbereich, Zusatzkühler, etc. kann verzichtet werden.
– Im Vergleich zu einer Kühlmittelkühlung ist das Temperaturniveau der angesaugten Umgebungsluft deutlich niedriger, was sich günstig auf den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators auswirkt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmetauscher eine Vielzahl von abgasführenden Wärmeübertragungsrohren auf und eine Vielzahl quer dazu angeordneter luftführender Wärmeübertragungsrohre. Eine derartige "Kreuzstromwärmetauscheranordnung" ermöglicht eine weitgehende thermische Entkopplung der Zuführungen der Heiß- und Kaltseite, was den Vorteil hat, dass das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle weitgehend voll für eine thermoelektrische Energieumwandlung genutzt werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Heizelemente und die Kühlelemente des Wärmetauschers, die durch Rohre, z.B. durch Flachrohre gebildet sein können, abwechselnd stapelartig übereinander angeordnet. Dieses Anordnungsprinzip ermöglicht in sehr einfacher Weise einen skalierbaren "Stack-Aufbau", d.h. einen Aufbau, der einfach an verschiedene Fahrzeuge bzw. Bauraumverhältnisse sowie Leistungsbedarfe anpassbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1–5 verschiedene Darstellungen eines Wärmetauschers mit integriertem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug gemäß der Erfindung;
6 das physikalische Grundprinzip eines thermoelektrischen Generators; und
7a, 7b ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
1 zeigt einen Wärmetauscher 1 mit einem hier nicht näher dargestellten integrierten thermoelektrischen Generator. Der Wärmetauscher 1 weist ein Wärmetauschergehäuse 2 auf, in dem eine Vielzahl von abgasführenden Rohren, die vorzugsweise als Flachrohre ausgebildet sind, angeordnet sind. Die abgasführenden Rohre erstrecken sich in der durch den Pfeil 3 angedeuteten Strömungsrichtung des Abgases. An einer Vorderseite 4 des Wärmetauschergehäuses 2 sind zwei Einströmöffnungen 5, 6 angeordnet, die durch zwei diffusorartige Elemente 7, 8 gebildet sind. Die Strömungsquerschnitte der diffusorartigen Elemente 7, 8 zeichnen sich dadurch aus, dass sie in Strömungsrichtung 3 des Abgases, d.h. zum Wärmetauschergehäuse 2 hin zunehmen. Dadurch wird der Druckabfall des Abgases an der "Einströmseite", d.h. an der Vorderseite 4 des Wärmetauschers 1 minimiert. Über die diffusorartigen Elemente 7, 8 strömt das Abgas in den Wärmetauscher 1 und im Wärmetauscher durch eine Vielzahl abgasführender Rohre zu einer Rückseite 9 des Wärmetauschers 1 und von dort über zwei düsenartige Elemente 10, 11 aus dem Wärmetauscher 1 heraus.
Seitlich am Wärmetauschergehäuse 2 ist ein Lufteinströmkasten 12 und auf der gegenüberliegenden Seite ein Luftausströmkasten 13 angeordnet. Über einen fächerartig gestalteten Lufteintritt 14, der Fahrtluft aus dem Unterbodenbereich eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs ansaugen kann, gelangt die Luft in den Lufteinströmkasten 12 und von dort in die luftführenden Rohre des Wärmetauschers 1, die sich in Richtung der Pfeile 15, d.h. quer zur Richtung der abgasführenden Rohre erstrecken. Der Lufteinströmkasten steht unmittelbar in Strömungsverbindung mit Einström-Enden der luftführenden Rohre. Wie aus 1 ersichtlich ist, verjüngt sich der Lufteinströmkasten 12 von der Vorderseite in Richtung zur Rückseite, was eine relativ gleichmäßige Versorgung der quer verlaufenden luftführenden Rohre mit Luft sicherstellen soll.
Wenn das Abgas die in Längsrichtung verlaufenden abgasführenden Rohre und die Luft die in Querrichtung verlaufenden luftführenden Rohre durchströmt, erzeugen die einzelnen in den Wärmetauscher 1 integrierten thermoelektrischen Generatorelemente aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und der Luft eine elektrische Spannung bzw. einen elektrischen Strom. Somit wird ein Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Ein weiterer Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie wird über die Wärmetauscherrohre der Luft zugeführt, was dazu führt, dass die über den Luftaustrittskasten und eine damit verbundene Luftaustrittsöffnung 16 ausströmende Luft erwärmt wird.
In den 2 und 3 sind die in Längsrichtung 3 verlaufenden abgasführenden Flachrohre 17 und die quer dazu verlaufenden Rohre 18 angedeutet. Die abgasführenden Rohre 17 sind thermisch mit den einzelnen Wärme aufnehmenden Elementen der thermoelektrischen Generatorelemente verbunden. Die luftführenden Flachrohre 18 hingegen sind mit den Wärme abgebenden Elementen der einzelnen in den Wärmetauscher 1 integrierten, hier nicht näher dargestellten thermoelektrischen Generatorelemente verbunden.
4 zeigt den Wärmetauscher 1 in Seitenansicht sowie eine Detailzeichnung des Einströmbereichs der abgasführenden Rohre 17. Deutlich ersichtlich ist, dass die Stirnseiten 19 der abgasführenden Rohre gerundet sind, um Verwirbelungen und somit Druckverluste im Eingangsbereich der abgasführenden Rohre möglichst zu vermeiden. Deutlich ersichtlich ist auch das bereits im Zusammenhang mit 1 erläuterte diffusorartige Element 8 am einströmseitigen Ende und das düsenartig gestaltete Element 11 am ausströmseitigen Ende.
Wie aus 4 ersichtlich ist, durchströmt das Abgas den Wärmetauscher 1 ohne jegliche Richtungsumkehr, wodurch Druckverluste weitgehend vermieden werden.
Der Abgasdiffusor 8 bzw. die Abgasdüse 11 können in relativ einfacher Weise an das Gehäuse 2 des Wärmetauschers 1 angelötet oder angeschweißt werden.
Ebenfalls ersichtlich ist, dass die Kühlluftströmung, wie bereits erwähnt, im Kreuzstrom, d.h. quer zu den abgasführenden Kanälen 17 erfolgt. Die Kühlluft strömt durch die Flachrohre 18 (vgl. 4).
Aus 5 ist ersichtlich, dass die Lufteintrittsöffnung 14 und die Luftaustrittsöffnung 16 unterhalb des Wärmetauschergehäuses 2 liegen. Wird der Wärmetauscher 1 im Unterbodenbereich eines Fahrzeugs angeordnet, so erfolgt die Kühlluftansaugung aus der Unterbodenströmung des Fahrzeugs zunächst parallel zur Abgasanlage aber seitlich versetzt dazu. Nach Durchlaufen des "Ansaugstutzens" gelangt die angesaugte Luft über den Lufteinströmkasten 12 in die quer zu den abgasführenden Rohren verlaufenden luftführenden Rohre, in den Luftausströmkasten 13 und von dort über den Luftaustrittskanal und die Luftaustrittsöffnung 16 in die Umgebung.
Ein wesentlicher Vorteil der Strömungsführung im Kreuzstrom ist darin zu sehen, dass der Lufteintrittskasten 12 bzw. der Luftausströmkasten 13 sehr leicht seitlich am Wärmetauschergehäuse 2 angebracht werden können. Ferner besteht bei einer derartigen Anordnung die größtmögliche thermische Entkopplung der "Heißseite" von der "Kaltseite", wodurch das vorhandene Temperaturgefälle voll für die thermoelektrische Energiewandlung zur Verfügung steht.
Alternativ zu der Anordnung der 5 könnte die Kühlluft auch in einem Bereich unterhalb der Abgasanlage, d.h. unterhalb von mit den Einströmöffnungen 5, 6 verbundenen Abgasrohren angeordnet sein, wobei dann die angesaugte Kühlluft in einem Kanal nach oben in den Lufteinströmkasten geleitet würde.
Die 7a, 7b zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Wärmetauscher derart angeordnet ist, dass das Abgas den Wärmetauscher quer zur Fahrtrichtung, die durch den Pfeil 20 angedeutet ist, durchströmt. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsbeispielen durchströmt die Luft den Wärmetauscher parallel zur Fahrtrichtung und muss nicht in Querrichtung umgelenkt zu werden. 7b zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A der 7a.

Claims

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem thermoelektrischen Generator, der mindestens ein von einer Wärmequelle Wärme aufnehmendes Element und mindestens ein an eine Wärmesenke Wärme abgebendes Element aufweist und zwei elektrische Anschlüsse, über die der thermoelektrische Generator elektrische Energie abgeben kann, wobei ein Wärmetauscher (1) vorgesehen ist, der Heizelemente (17) aufweist, die thermisch mit dem mindestens einen Wärme aufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind, und Kühlelemente (18), die thermisch mit dem mindestens einen Wärme abgebenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (17) im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und von Abgas um- bzw. durchströmt sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (18) von kühlender Luft um- bzw. durchströmt sind.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (17) in einer Strömungsrichtung (3) des Abgases und die Kühlelemente (18) im Kreuzstrom dazu, d.h. im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (3) des Abgases um- oder durchströmt werden.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (17) und die Kühlelemente (18) durch Flachrohre gebildet sind, die abwechselnd stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei die die Kühlelemente (18) bildenden Rohre im Wesentlichen quer zu den die Heizelemente (17) bildenden Rohren angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (17, 18) Einström-Enden aufweisen, deren Stirnseiten zur Minimierung von Strömungsverlusten gerundet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) ein Wärmetauschergehäuse (2) aufweist, wobei an einem vorderen Ende (4) des Wärmetauschergehäuses (2) mindestens eine Einströmöffnung (5, 6) für Abgas und an einem hinteren Ende (9) des Wärmetauschergehäuses (2) mindestens eine Ausströmöffnung (10, 11) für Abgas vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einströmöffnung (5, 6) ein diffusorartiger Abschnitt (7, 8) vorgesehen ist, dessen Strömungsquerschnitt sich zum Wärmetauscher (1) hin diffusorartig erweitert.
Fahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ausströmöffnung (10, 11) ein düsenartiger Abschnitt (10, 11) vorgesehen ist, dessen Strömungsquerschnitt sich vom Wärmetauscher (1) weg düsenartig verjüngt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seite des Wärmetauschergehäuses (2) ein Lufteinströmkasten (12) vorgesehen ist, der mit Einströmenden der die Kühlelemente bildenden Rohre (18) in Fluidverbindung steht.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft über eine Lufteinlassöffnung (14) im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (3) des Abgases in den Lufteinströmkasten (12) einströmt, wobei sich der Querschnitt des Lufteinströmkastens (12) in Strömungsrichtung (3) des Abgases verjüngt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Lufteinströmkasten (12) gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschergehäuses (2) ein Luftausströmkasten (13) vorgesehen ist, der mit Ausströmenden der die Kühlelemente bildenden Rohre (18) in Fluidverbindung steht.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den luftführenden Rohren (18) in den Luftausströmkasten (13) einströmende Luft im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (3) des Abgases im Luftausströmkasten (13) strömt und über eine Luftausströmöffnung (16) aus dem Luftausströmkasten (13) ausströmt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet ist.