DE102008055945A1 - Internal combustion engine has cooler for cooling internal combustion engine, which has thermoelectric converter for cooling or heating coolant or for generating electricity - Google Patents

Internal combustion engine has cooler for cooling internal combustion engine, which has thermoelectric converter for cooling or heating coolant or for generating electricity Download PDF

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Abstract

The internal combustion engine has a cooler (1) for cooling the internal combustion engine. The cooler has thermoelectric converter (2) for cooling or for heating coolant (6) or for generating electricity. The thermoelectric converter is formed as a thermal generator.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem in einem Kühlkreislauf angeordneten Kühler zum Kühlen des Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to an internal combustion engine having a in a cooling circuit arranged cooler for Cooling of the internal combustion engine, according to the Preamble of claim 1.

Aus der US 4,753,682 ist ein gattungsgemäßer Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreislauf und einem in diesem Kühlkreislauf angeordneten thermoelektrischen Generator bekannt.From the US 4,753,682 is a generic internal combustion engine with a cooling circuit and arranged in this cooling circuit thermoelectric generator known.

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.From the DE 10 2006 019 282 A1 is another internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system known. This has an exhaust line and a fresh air line, wherein the exhaust line and the fresh air line are connected exhaust gas leading from an exhaust gas recirculation line and wherein an exhaust gas cooler and a thermoelectric generator are arranged on the exhaust gas recirculation line. As a result, an additional power generator is to be made available, which extracts energy from the hot exhaust gas in the form of heat and converts it into electrical energy.

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.Finally, out of the DE 10 2006 057 662 A1 an internal combustion engine of a motor vehicle is known, wherein in an exhaust passage of the internal combustion engine heatable elements are arranged, which are coupled to a thermoelectric generator.

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.The Invention deals with the problem for a generic internal combustion engine, a improved or at least one alternative embodiment indicate, which in particular by an increased Efficiency distinguishes.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This Problem is inventively by the subject of the independent claim 1 solved. advantageous Embodiments are the subject of the dependent Claims.

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.The Invention is based on the general idea, in a conventional Internal combustion engine with a radiator for cooling of the internal combustion engine at this at least one thermoelectric To provide converter, which circulating in the radiator Coolant cools, heats or electrical Energy wins. As a result, the previously useless deflated and used by the internal combustion engine heat, in order to gain electrical energy and thereby the efficiency to increase the internal combustion engine. simultaneously can for example by the electrical energy obtained Battery of the motor vehicle to be charged, so that won electrical energy stored and delivered in due course can be, for example, for heating the coolant, in order to bring the internal combustion engine faster to a required operating temperature to be able to bring. The resulting shorter Warm-up phase of the internal combustion engine again reflects in one lower energy consumption, lower pollutant emissions and an increased efficiency down. The at least one thermoelectric used according to the invention Converter is thus not exclusively for recovery electrical energy, but can also be used to to cooled from supplied electrical energy cooling or to generate a heating of the coolant.

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.at an advantageous embodiment of the invention Solution is the at least one thermoelectric converter designed as a so-called Peltier element. A Peltier element based on the so-called Seebeck effect, in which at current flow a temperature difference or at a temperature difference Current flow is generated. Basis of such Peltier elements the contact of two semiconductors, which have a different energy level own the conduction bands. Passing a current through two consecutive contact points of these materials, so must be absorbed on the one contact point heat energy, thus an electron in an energetically higher conduction band of the adjacent semiconductor material, whereby it consequently comes to a cool. At the other contact point, an electron falls from a higher to a lower one Energy level, so that here gives off energy in the form of heat becomes. Of particular advantage of such Peltier elements are their small size and the avoidance of any moving components, Gases and liquids, by a simple reversal the current direction with the Peltier elements both a cooling as well as heating is possible. Due to the low Space requirements, such Peltier elements can also in extremely hard to reach places or used in heavily rugged construction spaces be, so that a wide range of applications in the modern Vehicle construction offers.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Subclaims, from the drawings and from the associated Description of the figures with reference to the drawings.

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.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.

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.Preferred embodiments of the invention The drawings are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,there show, in each case schematically,

1 ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Wandler im Bereich eines Kühlers, 1 a thermoelectric converter according to the invention in the region of a cooler,

2 erfindungsgemäße thermoelektrische Wandler im Bereich einer Kühlmittelwanne. 2 Thermoelectric converter according to the invention in the region of a coolant trough.

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.In order to make better use of the energy present in the fuel during operation of an internal combustion engine, an internal combustion engine according to the invention has its radiator 1 at least one thermoelectric converter 2 on, for cooling and / or for heating the coolant 6 or is designed to generate electrical energy. According to the 1 are several thermoelectric converters 2 provided in the form of thermoelectric elements, which on the one hand on the radiator 1 and secondly in the area of a supply line 3 to the radiator 1 are arranged. The according to the 1 illustrated cooler 1 gets from fresh air 4 cooled, in principle, it is also conceivable that the radiator 1 to an oil circuit 9 is connected and the at least one thermoelectric converter 2 a temperature difference between the oil and the coolant 6 exploited and can be used for cooling and / or heating of the coolant or to obtain electrical energy.

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.The at least one provided thermoelectric converter 2 is preferably designed as a Peltier element whose operation has already been discussed in detail in the description of the invention. Of course, it is also conceivable that the at least one thermoelectric converter 2 in the area of a coolant sump 5 is arranged, as for example, according to the 2 is shown.

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.Looking at the 1 , so are the thermoelectric converters used there 2 capable of detecting a temperature difference between a coolant flow 6 and a fresh air stream 4 take advantage of the warm coolant 6 serves as a heat source while the fresh air 4 or via cooling fins 7 contacted ambient air 8th is used as a heat sink. It is irrelevant for the function of the invention, whether the or the thermoelectric converter 2 directly on the radiator 1 or on a supply line 3 the same are attached. In addition to the task of electrical energy production from a temperature difference between the coolant flow 6 and a fresh air stream 4 or an ambient air 8th , the thermoelectric converter (s) can 2 also for heating the coolant flow 6 be used.

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.According to the 2 can the thermoelectric converter 2 in or on the coolant sump 5 be arranged, with over cooling fins 7 again with the ambient air 8th in contact with the heat exchange. In this case, the on or in the coolant tank 5 used thermoelectric converter 2 be used not only for the production of electrical energy, but in reverse operation also for cooling or heating of the in the coolant sump 5 located coolant 6 , It is also conceivable that by a connection, for example, to body parts or to an underbody, heat from a heat sink, such as the cooling fins 7 or the ambient air 8th , can be derived. For heat dissipation, so-called "heat pipes" can also be used.

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.
With the inventive arrangement of the thermoelectric converter 2 Thus, at least the following functions are executable:
  • Heating or cooling a coolant,
  • - Obtaining electrical energy from heated coolant.

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.Due to the extremely compact and flexible design of modern thermoelectric converters 2 , they can also be adapted to cramped or cramped spaces.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - DE 102006057662 A1 [0004] - DE 102006057662 A1 [0004]

Claims (5)

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.Internal combustion engine with a radiator ( 1 ) for cooling the internal combustion engine, characterized in that the radiator ( 1 ) at least one thermoelectric converter ( 2 ) for cooling and / or for heating the coolant ( 6 ) or for obtaining electrical energy is arranged. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) als Thermogenerator ausgebildet ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the at least one thermoelectric converter ( 2 ) is designed as a thermogenerator. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) als Peltier-Element ausgebildet ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the at least one thermoelectric converter ( 2 ) is designed as a Peltier element. 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.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one thermoelectric converter ( 2 ) in the area of a coolant ( 6 ) leading line ( 3 ) of the radiator ( 1 ) is arranged. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoelektrische Wandler (2) im Bereich einer Kühlmittelwanne (5) angeordnet ist.Internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one thermoelectric converter ( 2 ) in the region of a coolant trough ( 5 ) is arranged.
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