DE102008055945A1

DE102008055945A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008055945A1
Application number: DE102008055945A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr. Elsäßer; Michael Krappel; Bernd Dr. Mahr; Jörg RÜCKAUF
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Kühler (1) zum Kühlen des Verbrennungsmotors. Erfindungswesentlich ist dabei, dass am Kühler (1) wenigstens ein thermoelektrischer Wandler (2) zur Kühlung und/oder zum Aufheizen des Kühlmittels (6) oder zur Gewinnung elektrischer Energie angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem in einem Kühlkreislauf angeordneten Kühler zum Kühlen des Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 4,753,682 ist ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreislauf und einem in diesem Kühlkreislauf angeordneten thermoelektrischen Generator bekannt.
Aus der DE 10 2006 019 282 A1 ist ein weiterer Verbrennungsmotor mit einem Abgasrückführsystem bekannt. Dieses weist einen Abgasstrang und einen Frischluftstrang auf, wobei der Abgasstrang und der Frischluftstrang abgasführend von einer Abgasrückführleitung verbunden sind und wobei an der Abgasrückführleitung ein Abgaskühler sowie ein thermoelektrischer Generator angeordnet sind. Hierdurch soll ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Verfügung gestellt werden, welcher dem heißen Abgas Energie in Form von Wärme entzieht und in elektrische Energie umwandelt.
Schließlich ist aus der DE 10 2006 057 662 A1 ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors aufheizbare Elemente angeordnet sind, die mit einem thermoelektrischen Generator gekoppelt sind.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen gattungsgemäßen Verbrennungsmotor, eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit einem Kühler zur Kühlung des Verbrennungsmotors an diesem wenigstens einen thermoelektrischen Wandler vorzusehen, welcher das im Kühler zirkulierende Kühlmittel kühlt, aufheizt oder daraus elektrische Energie gewinnt. Hierdurch soll die bisher nutzlos verpuffte und vom Verbrennungsmotor abgegebene Wärme genutzt werden, um daraus elektrische Energie zu gewinnen und dadurch den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigern zu können. Gleichzeitig kann durch die gewonnene elektrische Energie beispielsweise eine Batterie des Kraftfahrzeuges aufgeladen werden, so dass die gewonnene elektrische Energie gespeichert und zu gegebener Zeit abgegeben werden kann, beispielsweise zur Erwärmung des Kühlmittels, um damit den Verbrennungsmotor schneller auf eine erforderliche Betriebstemperatur bringen zu können. Die dadurch gewonnene kürzere Warmlaufphase des Verbrennungsmotors spiegelt wiederum in einem geringeren Energieverbrauch, geringeren Schadstoffemissionen und einem erhöhten Wirkungsgrad nieder. Der zumindest eine erfindungsgemäß eingesetzte thermoelektrische Wandler dient somit nicht ausschließlich zur Gewinnung elektrischer Energie, sondern kann zugleich dazu benutzt werden, um aus bereitgestellter elektrischer Energie eine Kühlung bzw. eine Erwärmung des Kühlmittels zu erzeugen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der wenigstens eine thermoelektrische Wandler als sogenanntes Peltier-Element ausgebildet. Ein Peltier-Element basiert auf dem sogenannten Seebeck-Effekt, bei welchem bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei einer Temperaturdifferenz ein Stromfluss erzeugt wird. Grundlage derartiger Peltier- Elemente ist der Kontakt von zwei Halbleitern, welche ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss auf der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit ein Elektron in ein energetisch höheres Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangen kann, wodurch es folglich zu einer Abkühlung kommt. Auf der anderen Kontaktstelle, fällt ein Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Von besonderem Vorteil derartiger Peltier-Elemente sind deren geringe Größe sowie die Vermeidung jeglicher bewegter Bauteile, Gase und Flüssigkeiten, wobei durch eine simple Umkehr der Stromrichtung mit den Peltier-Elementen sowohl ein Kühlen als auch ein Heizen möglich ist. Aufgrund des geringen Bauraumbedarfs, können derartige Peltier-Elemente auch an äußerst schwer zugänglichen Stellen oder in stark zerklüfteten Bauräumen eingesetzt werden, so dass sich ein breites Anwendungsspektrum im modernen Fahrzeugbau bietet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Wandler im Bereich eines Kühlers,
2 erfindungsgemäße thermoelektrische Wandler im Bereich einer Kühlmittelwanne.
Um die im Kraftstoff vorhandene Energie beim Betrieb eines Verbrennungsmotors besser ausnutzen zu können, weist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor an seinem Kühler 1 zumindest einen thermoelektrischen Wandler 2 auf, der zur Kühlung und/oder zum Aufheizen des Kühlmittels 6 oder zur Gewinnung elektrischer Energie ausgebildet ist. Gemäß der 1 sind dabei mehrere thermoelektrische Wandler 2 in Form von thermoelektrischen Elementen vorgesehen, welche zum einen am Kühler 1 und zum anderen im Bereich einer Zuleitung 3 zum Kühler 1 angeordnet sind. Der gemäß der 1 dargestellte Kühler 1 wird dabei von Frischluft 4 gekühlt, wobei prinzipiell auch denkbar ist, dass der Kühler 1 an einen Ölkreislauf 9 angeschlossen ist und der wenigstens eine thermoelektrische Wandler 2 eine Temperaturdifferenz zwischen dem Öl und dem Kühlmittel 6 ausnutzt und zur Kühlung und/oder zum Aufheizen des Kühlmittels bzw. zur Gewinnung elektrischer Energie verwendet werden kann.
Der wenigstens eine vorgesehene thermoelektrische Wandler 2 ist dabei vorzugsweise als Peltier-Element ausgebildet, dessen Funktionsweise bereits in der Beschreibung der Erfindung ausführlich diskutiert wurde. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler 2 im Bereich einer Kühlmittelwanne 5 angeordnet ist, wie dies beispielsweise gemäß der 2 dargestellt ist.
Betrachtet man die 1, so sind die dort eingesetzten thermoelektrischen Wandler 2 in der Lage, eine Temperaturdifferenz zwischen einem Kühlmittelstrom 6 und einem Frischluftstrom 4 auszunutzen, wobei das warme Kühlmittel 6 als Wärmequelle dient, während die Frischluft 4 bzw. die über Kühlrippen 7 kontaktierte Umgebungsluft 8 als Wärmesenke genutzt wird. Dabei ist es für die Funktion der Erfindung unerheblich, ob die oder der thermoelektrische Wandler 2 direkt am Kühler 1 oder an einer Zuleitung 3 desselben angebracht sind. Neben der Aufgabe der elektrischen Energiegewinnung aus einer Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittelstrom 6 und einem Frischluftstrom 4 bzw. einer Umgebungsluft 8, können der/die thermoelektrischen Wandler 2 auch zur Erwärmung des Kühlmittelstromes 6 verwendet werden.
Gemäß der 2 können dabei die thermoelektrischen Wandler 2 in oder an der Kühlmittelwanne 5 angeordnet sein, wobei sie über Kühlrippen 7 wiederum mit der Umgebungsluft 8 zum Wärmeaustausch in Kontakt stehen. Dabei können die an oder in der Kühlmittelwanne 5 eingesetzten thermoelektrischen Wandler 2 nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden, sondern in umgekehrter Betriebsweise auch zur Kühlung bzw. zur Erwärmung des in der Kühlmittelwanne 5 befindlichen Kühlmittels 6. Denkbar ist des weiteren, dass durch eine Anbindung, beispielsweise an Karosseriebauteile oder an einen Unterboden, Wärme von einer Wärmesenke, beispielsweise den Kühlrippen 7 oder der Umgebungsluft 8, abgeleitet werden können. Zur Wärmeableitung können darüber hinaus sogenannte „Heat Pipes” verwendet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der thermoelektrischen Wandler 2 sind somit zumindest folgende Funktionen ausführbar:

– Aufheizen oder Abkühlen eines Kühlmittels,
– Gewinnen elektrischer Energie aus erwärmtem Kühlmittel.

Durch die äußerst kompakte und darüber hinaus flexible Bauweise moderner thermoelektrischer Wandler 2, können diese darüber hinaus an selbst beengte oder stark zerklüftete Bauräume angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4753682 [0002]
- DE 102006019282 A1 [0003]
- DE 102006057662 A1 [0004]

Claims

Verbrennungsmotor mit einem Kühler (1) zum Kühlen des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass am Kühler (1) wenigstens ein thermoelektrischer Wandler (2) zur Kühlung und/oder zum Aufheizen des Kühlmittels (6) oder zur Gewinnung elektrischer Energie angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) als Thermogenerator ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) als Peltier-Element ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) im Bereich einer Kühlmittel (6) führenden Leitung (3) des Kühlers (1) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) im Bereich einer Kühlmittelwanne (5) angeordnet ist.