DE102010012629A1

DE102010012629A1 - Vorrichtung umfassend einen Katalysatorträgerkörper und einen thermoelektrischen Generator angeordnet in einem Gehäuse

Info

Publication number: DE102010012629A1
Application number: DE102010012629A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brück; Sigrid Limbeck
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-29
Also published as: WO2011117222A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, wobei in dem Gehäuse ein von Abgas durchströmbarer Katalysatorträgerkörper angeordnet ist, der von Abgas radial durchströmt wird und stromabwärts des Katalysatorträgerkörpers eine Vielzahl von Rohrelementen, die auf ihren Außenseiten mit Abgas und an ihren Innenseiten von einem Kühlmedium beaufschlagt werden, wobei zwischen Außenseiten und Innenseiten der Rohrelemente thermoelektrische Elemente angeordnet sind. Damit wird ein sehr kompakter und hoch effizienter Aufbau für einen thermoelektrischen Generator angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei innerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung ein Katalysatorträgerkörper und ein thermoelektrischer Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärmedifferenz eines Abgases und eines Kühlmediums angeordnet sind.
Das Abgas aus einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs besitzt thermische Energie, welche mittels des thermoelektrischen Generators in elektrische Energie umgewandelt werden soll, bspw. um eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen und/oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit steht für den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung. Durch den Einsatz eines thermoelektrischen Generators wird der energetische Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine weiter erhöht.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumeist eine Mehrzahl, ggf. modulartiger, thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Der Seebeck-Effekt basiert auf dem Phänomen der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und wird zur Erzeugung thermoelektrischer Energie benutzt. Der Peltier-Effekt ist die Umkehrung des Seebeck-Effekts und ein Phänomen, welches mit Wärmeadsorption einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unterschiedliche Materialen verursacht wird. Der Peltier-Effekt ist bspw. zum thermoelektrischen Kühlen bereits vorgeschlagen worden.
Solche thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer sogenannten Warmseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterquader (p- und n-dotiert), die auf ihrer Ober- und Unterseite (hin zur heißen Seite bzw. kalten Seite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken verbunden sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt zwischen den Metallbrücken angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterquader bereitgestellt, so bildet sich ein Spannungspotential. Auf der einen Kontaktstelle wird dabei Wärme aufgenommen (Warmseite), wobei die Elektronen der einen Seite auf das energetisch höher liegende Leitungsband des folgenden Quaders gelangen. Auf der anderen Seite können die Elektronen nun Energie freisetzen, um wieder auf ein niedrigeres Energieniveau zu gelangen (Kaltseite). Somit kann sich bei einem entsprechenden Temperaturgefälle ein Stromfluss einstellen.
Bei der Auslegung von thermoelektrischen Generatoren und deren Einsatz in einem Kraftfahrzeug sind verschiedenste Herausforderungen zu bewältigen. Unter anderem sind innerhalb der thermoelektrischen Wandlerelemente gute Wärmeübergänge bereitzustellen, so dass die vorliegenden Temperaturunterschiede effizient zur Umwandlung in elektrische Energie umgewandelt werden können. Weiterhin ist in einem unter verschiedensten Lastbedingungen arbeitenden Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine ein für die thermoelektrischen Elemente geeignetes Temperaturniveau bereitzustellen. Unter diesen Gesichtspunkten ist auch die Anordnung der thermoelektrischen Elemente innerhalb einer derartigen Vorrichtung bzw. eines Abgassystems zu beachten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Vorrichtung angegeben werden, die eine hohe Effizienz in Bezug auf die Abwärmenutzung bzw. die Rekuperation von thermischer in elektrische Energie aufweist. Weiterhin soll die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen speziellen Aufbau der thermoelektrischen Wandlerelemente leichter ausgeführt sein als vergleichbare thermoelektrische Generatoren, die aus Plattenelementen zusammengesetzt sind. Weiterhin soll diese Vorrichtung in ein bestehendes Fahrzeugkonzept ohne weitreichende Änderungen einbaubar und besonders effektiv sein.
Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine umfasst zumindest ein Gehäuse, wobei das Gehäuse eine Längsachse und eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist. Weiter umfasst das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass für ein Abgas sowie zumindest einen Einlauf und einen Auslauf für ein Kühlmedium. In dem Gehäuse der Vorrichtung ist weiterhin ein von Abgas durchströmbarer Katalysatorträgerkörper mit einer Außenumfangsfläche und einer Innenumfangsfläche angeordnet. Das Abgas tritt über die erste Stirnseite in das Gehäuse ein und durchströmt über die Innenumfangsfläche zur Außenumfangsfläche hin den Katalysatorträgerkörper radial. Das Abgas verlässt das Gehäuse über die zweite Stirnseite. Innerhalb des Gehäuses ist weiterhin stromabwärts des Katalysatorträgerkörpers eine Vielzahl von Rohrelementen mit Außenseiten und Innenseiten angeordnet, wobei die Rohrelemente parallel zur Längsachse entlang der Außenumfangsfläche angeordnet sind und die Außenseiten mit Abgas und die Innenseiten von dem Kühlmedium beaufschlagt werden. Zwischen der Außenseite und Innenseite der Rohrelemente sind thermoelektrische Elemente angeordnet.
Das hier durch die Rohrelemente strömende Kühlmedium ist insbesondere flüssig und umfasst bevorzugt im Wesentlichen Wasser, wobei insbesondere auch langkettige Kohlenstoffverbindungen, also Öle bzw. Schmierstoffe einsetzbar sind. Die Vorrichtung bzw. das Gehäuse ist insbesondere rund, oval oder mehreckig ausgeführt und weist eine im Übrigen zylindrische Form entlang der Längsachse auf. Der Katalysatorträgerkörpers wird insbesondere durch wenigstens teilweise strukturierte Metallfolien gebildet, die gewickelt, geschlungen und/oder gestapelt sind. Der Katalysatorträgerkörper ist innerhalb des Gehäuses entlang der Längsachse angeordnet und weist eine Außenumfangsfläche und eine Innenumfangsfläche auf, die sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse und insbesondere koaxial zueinander erstrecken. Dabei ist die Innenumfangsfläche mit dem Einlass strömungstechnisch insbesondere unmittelbar verbunden, so dass der Katalysatorträgerkörper radial von der Innenumfangsfläche zu der Außenumfangsfläche von dem Abgas durchströmbar ist. Die Rohrelemente bilden eine Vielzahl von parallel angeordneten Strömungspfaden für das Kühlmedium. Die Rohrelemente erstrecken sich parallel zumindest teilweise zur Längsachse und zumindest teilweise entlang der Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers und werden von dem radial aus dem Katalysatorträgerkörper strömenden Abgas (quer) überströmt. Das Abgas strömt aus dem Katalysatorträgerkörper in einem die Rohrelemente aufnehmenden Ringkanal ein, der entsprechend die Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers umschließt. Somit wird das Abgas erneut umgelenkt und strömt durch den Ringkanal entlang der Rohrelemente in Richtung der zweiten Stirnseite ab.
Der radial durchströmbare Katalysatorträgerkörper der vorliegenden Erfindung entspricht insbesondere dem Aufbau der Radialkatalysatoren gemäß WO 02/40838 A1 oder der WO 02/81879 A1 , die hiermit vollumfänglich in Bezug genommen werden. Dabei können insbesondere auch Radialkatalysatorträgerkörper mit Heizelementen eingesetzt werden, die gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung das Kaltstartverhalten des Katalysatorträgerkörpers verbessern können. Insbesondere ist ein solches Heizelement, z. B. in Form eines Heizkatalysators stromaufwärts des Einlasses des Gehäuses angeordnet oder innerhalb des im Katalysatorträgerkörpers vorhandenen Innenraums innerhalb der Innenumfangsfläche.
Der Katalysatorträgerkörper ist bevorzugt zylindrisch ausgeführt und weist in seinem Inneren einen Hohlraum auf, durch den das Abgas, vom Einlass des Gehäuses kommend, einströmen kann. Dort wird das Abgas ggf. durch Lenkmittel umgelenkt, so dass es den Katalysatorträgerkörper in radialer Richtung nach außen durchströmt und über die Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers verlässt.
Die Rohrelemente sind bevorzugt unmittelbar an bzw. in geringem Abstand von der Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers angeordnet. Diese verlaufen parallel zur Längsachse und sind insbesondere gleichmäßig über der Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers verteilt angeordnet. Durch eine solche bevorzugte Anordnung des Katalysatorträgerkörpers und der Rohrelemente wird ein besonders großflächiger Wärmeaustausch erzeugt, so dass eine möglichst große Menge der im Abgas verfügbaren thermischen Energie durch die thermoelektrischen Elemente innerhalb der Rohrelemente nutzbar wird. Die Rohrelemente sind dabei bevorzugt innerhalb des Ringkanals angeordnet, der den Katalysatorträgerkörper bevorzugt vollumfänglich umschließt und zwischen Außenumfangsfläche des Katalysatorträgerkörpers und Innenwand des Gehäuses angeordnet ist. Der Ringkanal ist zum Einlass des Abgases hin bevorzugt verschlossen ausgeführt, so dass das Abgas nach dem Ausströmen aus dem Katalysatorträgerkörper über den Ringkanal bei vorheriger oder/und gleichzeitiger Umströmung der Rohrelemente in Richtung Auslass des Abgases abgeführt wird. Dabei sind das Gehäuse und die Rohrelemente insbesondere mit Leitelementen für das Abgas versehen, so dass ein möglichst geringer Druckverlust infolge von Verwirbelung oder anderen Strömungswiderständen im Abgasstrom erreicht wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass die Rohrelemente den Katalysatorträgerkörper wenigstens teilweise und insbesondere über seine gesamte axiale Erstreckung hinweg durchdringen. Diesbezüglich wird auf die WO 2010/023118 A1 verwiesen, die hiermit vollumfänglich in Bezug genommen wird. Der Katalysatorträgerkörper weist zur Aufnahme dieser Rohrelemente insbesondere Löcher bzw. Aussparungen auf, in die die vorgesehenen Bauformen der Rohrelemente eingesetzt werden können.
Bevorzugt ist weiter, dass eine Anordnung der Rohrelemente zumindest zweistufig ausgeführt ist, wobei dies insbesondere bedeutet, dass das Kühlmedium über zumindest zwei Einläufe bzw. Ausläufe in die Anordnung der Rohrelemente eingebracht wird. Dabei können die Kühlmedien unterschiedlich aber auch gleichartig ausgeführt sein. Durch diese bevorzugte Ausgestaltung wird erreicht, dass die Rohrelemente insbesondere für wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturbereiche ausgelegt werden können, die durch die besondere Anordnung der einzelnen Rohrelemente innerhalb des Gehäuses vorliegen können. Die Anordnung der Rohrelemente kann insbesondere mehrere ringförmige Bereiche umfassen, die den Katalysatorträgerkörper umgeben. Die weiter außen bzw. innen angeordneten Rohrelemente bilden dabei jeweils eine Gruppe, die jeweils über einen gemeinsamen Einlauf bzw. Auslauf mit dem Kühlmedium beaufschlagt wird. Die entsprechend vorliegenden unterschiedlichen Temperaturbereiche können durch entsprechend unterschiedliche Auslegung der thermoelektrischen Elemente innerhalb der Rohrelemente besonders effektiv genutzt werden. Somit wird der energetische Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht.
Der Katalysatorträgerkörper kann insbesondere in Bezug auf seine axiale und/oder radiale Erstreckung unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Insbesondere können sich die Wanddicken der Kanalwände hier in einzelnen Bereich voneinander unterscheiden. Auch können teilweise Durchbrüche und Verwirbelungselemente vorgesehen sein, die eine Vermischung des Abgases bewirken und die Effizienz des Katalysatorträgerkörpers hinsichtlich der Umwandlung von im Abgas enthaltenen chemischen Verbindungen verbessern können. Der Katalysatorträgerkörper weist insbesondere zumindest in Teilbereichen eine katalytisch wirksame Beschichtung auf und wird bevorzugt als Oxidationskatalysator oder auch als Dreiwegekatalysator eingesetzt. Durch das vorteilhafte Vorsehen einer Heizeinrichtung für den Katalysatorträgerkörper kann dieser sehr schnell die sogenannte Light-off-Temperatur erreichen, so dass die katalytische Umsetzung des Abgases erfolgt und eine weitere Temperatursteigerung in Folge der chemischen Umsetzung des Abgases die Folge ist. Dadurch wird erreicht, dass auch die thermoelektrischen Wandlerelemente effizient genutzt werden können, da die Temperatur des Abgases hinsichtlich der bevorzugten Temperaturdifferenz (zwischen Kühlmedium und Abgas) möglich ist.
Insbesondere kann stromaufwärts des Katalysatorträgerkörpers eine Einspritzung für ein Reaktionsmittel vorgesehen sein, so dass durch den Katalysatorträgerkörper unmittelbar eine katalytische Reaktion erzeugt wird, durch die die Temperatur des Katalysatorträgerkörpers und die des ihn durchströmenden Abgases so deutlich erhöht wird, dass der durch die thermoelektrischen Wandlerelemente effizient nutzbare Temperaturbereich möglichst schnell erreicht wird.
Neben dem Katalysatorträgerkörper können zusätzlich auch Bereiche der Innenwand des Gehäuses oder Bereiche des Ringkanals und insbesondere auch die Rohrelemente mit einer katalytisch aktiven Beschichtung Versehen sein, so dass einerseits eine möglichst vollständige Umsetzung der Schadstoffe im Abgas erreicht wird und andererseits eine große Menge an thermischer Energie in Folge der exothermen katalytischen Reaktion des Abgases durch die thermoelektrischen Wandlerelemente umgesetzt werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die thermoelektrischen Elemente in den Rohrelementen der Vorrichtung scheibenförmig ausgebildet und aufeinander gestapelt. Insbesondere sind die Außenseiten und Innenseiten der Rohrelemente sowie die dazwischen angeordneten thermoelektrischen Elemente stoffschlüssig miteinander verbunden. Hierbei kommt insbesondere eine Löt-Verbindung in Betracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Rohrelemente jeweils ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, die durch zumindest eine Rohrelementplatte elektrisch kontaktierbar sind. Als Rohrelemente werden bevorzugt Module für einen thermoelektrischen Generator eingesetzt, die zumindest ein inneres Rohr und ein außen um das innere Rohr herum angeordnetes äußeres Rohr aufweisen, sowie zwischen diesem inneren und äußeren Rohr angeordnete thermoelektrische Elemente. Dabei ist das innere und das äußere Rohr jeweils elektrisch isoliert gegenüber den thermoelektrischen Elementen. Elektrisch leitende Kontakte an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende sind vorgesehen, die zur elektrisch leitenden Verbindung der thermoelektrischen Elemente mit einem elektrischen Leiter dienen. Das Rohrelement ist entsprechend von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende für ein Kühlmedium durchströmbar. Das Rohrelement ist insbesondere länglich oder rohrähnlich aufgebaut und bildet innen einen durchströmbaren Querschnitt für das Kühlmedium. Um diesen, innerhalb des Rohrelements gebildeten Strömungskanal sind innerhalb des Rohrelements thermoelektrische Elemente angeordnet, die über das innere Rohr und das äußere Rohr des Rohrelements mit dem Abgas, das um die Außenseite des Rohrelements strömt, wärmetechnisch in Kontakt stehen. Dabei ist das innere Rohr und das äußere Rohr des Rohrelements bevorzugt metallisch und hat insbesondere einen im Wesentlichen gleichartigen Querschnitt, der z. B. rund oder mehreckig ausgeführt ist.
Insbesondere sind die thermoelektrischen Elemente elektrisch leitend mit elektrischen Kontakten verbunden, die an dem ersten Ende und an dem zweiten Ende vorgesehen sind. Damit kann ein elektrischer Stromfluss ausgehend von dem jeweiligen thermoelektrischen Element hin zu Spannungspotentialen außerhalb des Rohrelements erzeugt werden. Dieser elektrische Stromfluss kann somit an eine Batterie oder einen Verbraucher weitergeleitet werden. Insbesondere bilden die elektrisch leitenden Kontakte eine Abdichtung zwischen dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr des Rohrelements. Das bedeutet insbesondere, dass die elektrisch leitenden Kontakte in den Bereichen, in denen sie zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr angeordnet sind, eine Abdichtung gegenüber dem Kühlmedium und/oder dem Abgas bilden, so dass diese nicht in den Raum zwischen innerem Rohr und äußerem Rohr eindringen können. Damit ist sicher verhindert, dass Korrosion oder ein Kurzschluss der thermoelektrischen Elemente entsteht. Auch wenn es bevorzugt ist, dass die elektrischen Kontakte allein die Abdichtung bilden, kann es auch erforderlich sein, neben den elektrisch leitenden Kontakten weitere Mittel zur Abdichtung des ersten Endes und/oder zweiten Endes vorzusehen (Dichtungsmasse, Stopfen etc.).
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Rohrelemente stoffschlüssig hergestellt. Das bedeutet, dass das Innen- und Außenrohr des Rohrelements dielektrisch von den elektrisch leitenden Brücken bzw. Leiterbahnen des im Rohr integrierten thermoelektrischen Moduls getrennt ist. Gleichzeitig wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Rohr oder zwischen der Leiterbahnbrücke und der dielektrischen Schicht vorgesehen. Durch diese Verbindung zwischen (zumindest) innerem Rohr, Dielektrikum, Leiterbahn, Halbleiterelementen und äußerem Rohr wird das für eine besonders effiziente Ausnutzung erforderliche Temperaturdifferential zwischen Abgas und Kühlmedium durch die thermoelektrischen Wandlerelemente umsetzbar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Rohrelemente der Vorrichtung in jeweils einer Rohrelementplatte an der ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite aufgenommen, wobei der Einlauf an der zweiten Stirnseite und der Auslauf an der ersten Stirnseite angeordnet ist. Somit strömt das Kühlmedium insbesondere nur in einer Strömungsrichtung durch das Gehäuse, nämlich bevorzugt von der zweiten Stirnseite zu der ersten Stirnseite, also im Gegenstrom in Bezug auf das Abgas. Durch diese Gegenstromanordnung zwischen Abgas und Kühlmedium wird eine entsprechend gleichmäßig hohe Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Abgas innerhalb des Ringkanals über die axiale Erstreckung der Rohrelemente bereitgestellt, so dass eine effiziente Ausnutzung der thermischen Energie des Abgases möglich ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch eine Rohrelementplatte für den Einsatz in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Rohrelementplatte weist Öffnungen zur Aufnahme von Rohrelementen auf und weiter Kanäle zur strömungstechnischen Verbindung zumindest eines Einlaufs und/oder Auslaufs für ein Kühlmedium mit den Rohrelementen. Zudem sind erste Kontakte vorgesehen, die zumindest ein erstes Ende wenigstens eines Rohrelementes elektrisch leitend mit einem ersten elektrischen Leiter verbinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zusätzlich zweite Kontakte vorgesehen zur elektrisch leitenden Verbindung eines zweiten Endes wenigstens eines Rohrelementes mit einem zweiten elektrischen Leiter, wobei die zweiten Kontakte elektrisch isoliert gegenüber den ersten Kontakten ausgeführt sind.
Diese Rohrelementplatte dient einerseits zur Aufnahme der Rohrelemente und deren Anordnung und Fixierung innerhalb des Gehäuses und andererseits zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung zumindest eines Rohrelements mit einem elektrischen Leiter außerhalb des Gehäuses. Die erfindungsgemäße Rohrelementplatte weist eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche auf sowie eine umlaufende Umfangsfläche. Dabei weist zumindest eine Stirnseite Öffnungen auf, in die hinein sich die Rohrelemente erstrecken. Bevorzugt sind innerhalb der Rohrelementplatte Kanäle vorgesehen, die das Kühlmedium aus den Rohrelementen aufnehmen und mit dem Einlauf bzw. Auslauf strömungstechnisch verbinden. Die Rohrelementplatte weist zumindest elektrisch leitende erste Kontakte auf, die mit den jeweils elektrisch kontaktierbaren ersten bzw. zweiten Enden der Rohrelemente elektrisch leitend verbindbar sind und einen elektrischen Stromfluss zum Gehäuseäußeren leiten können. Die Rohrelementplatte weist insbesondere elektrisch leitende zweite Kontakte auf, die von den ersten Kontakten elektrisch isoliert ausgeführt sind. In der einen Rohrelementplatte können dann jeweils erste und zweite Enden aufgenommen werden, so dass die ersten Enden elektrisch leitend mit den ersten elektrischen Kontakten und die zweiten Enden elektrisch leitend mit den zweiten elektrischen Kontakten elektrisch leitend kontaktierbar sind. Durch eine derart in besonders vorteilhafter Weise aufgebaute mehrteilige Rohrelementplatte kann das Spannungspotential, das über die thermoelektrischen Elemente innerhalb des Rohrelements erzeugt wird, an das Gehäuseäußere abgeführt werden. Die umlaufende Umfangsfläche bildet eine dichtende Verbindung mit dem Gehäuse der Vorrichtung zumindest an der ersten Stirnseite, so dass ein Abströmen des Abgases an der Rohrelementplatte vorbei zumindest im Bereich der ersten Stirnseite nicht möglich ist.
Die Ausführung einer Rohrelementplatte an der zweiten Stirnseite weist dem gegenüber großflächige Ausnehmungen im Bereich des Ringkanals auf, so dass das Abgas durch den Ringkanal über die Ausnehmungen zum Auslass des Gehäuses ohne zusätzliche Strömungswiderstände und entsprechende Strömungsverluste abströmen kann.
Weiterhin wird durch eine derartige vorteilhafte Anordnung der Rohrelemente eine durchgängig hohe Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Abgas erreicht, da das Kühlmedium nur einmal entlang der Längsachse des Gehäuses durch den vom Abgas durchströmten Ringkanal hindurchgeleitet wird und dementsprechend sich durch den Wärmeübergang über das Rohrelement nur gering erwärmt. Entsprechend können mehrere in radialer Richtung hintereinander angeordnete Gruppen von Rohrelementen vorgesehen werden, auch mehrstufig hinsichtlich der Bereitstellung des Kühlmediums, so dass eine effektive Umsetzung der Abgaswärme zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine großflächige Ausnutzung des Volumens des Ringkanals erreicht wird.
Die Rohrelementplatten weisen den entsprechenden mindestens einen Einlauf bzw. Auslauf an ihren jeweiligen Umfangsfläche bzw. an einer ihrer Stirnseiten auf, so dass die durch die Innenseiten der Rohrelemente erzeugten Strömungskanäle für das Kühlmedium mit dem Einlauf bzw. Auslauf durch die Rohrelementplatte und darin vorgesehene Kanäle verbindbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird bevorzugt in einem Abgassystem mit einer Abgasrückführungsleitung eingesetzt, wobei die Vorrichtung innerhalb der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Insbesondere in der Abgasrückführungsleitung sind Temperaturen im Abgas so steuerbar, dass einerseits ein optimaler Temperaturbereich für die thermoelektrischen Wandlerelemente eingestellt und somit ein hoher energetischer Wirkungsgrad durch die Vorrichtung erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird weiterhin bevorzugt in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, das insbesondere über ein Abgassystem mit Abgasrückführungsleitung verfügt.
Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch im Hauptabgasstrang eingesetzt werden, so dass der Katalysatorträgerkörper zumindest teilweise von der gesamten Abgasmenge durchströmt wird.
Die Vorrichtung bildet demnach eine sehr kompakte Anordnung, mit der ein hocheffizienter thermoelektrischer Generator verwirklicht werden kann. Da dessen Effizienz insbesondere vom Wärmeübergang von dem Abgas auf die Wandlerelemente abhängt, und bei dieser radialen Anströmung eine große Wärmeaustauschfläche bereitgestellt ist, hat dieser Aufbau für die Energiegewinnung besondere Vorteile. Insoweit wird insbesondere hier auch die Verwendung wenigstens einer der hier erfindungsgemäß beschriebenen Vorrichtung zur thermischen Rekuperation aus Abgasen einer mobilen Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, bei der thermische Energie aus dem Abgas in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine Vorrichtung mit einer Rohrelementplatte,
2: eine Vorrichtung mit zwei Rohrelementplatten,
3: einen Querschnitt einer Ausführungsvariante der Vorrichtung,
4: eine Ausführungsvariante einer metallischen Lage des Katalysatorträgerkörpers,
5: eine Ausführungsvariante eines Rohrelements, und
6: eine Ausführungsvariante eines Halbleiterelements,
7: eine Ausführungsvariante eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgassystem.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einer Rohrelementplatte 23. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, das eine erste Stirnseite 6 sowie eine zweite Stirnseite 7 umfasst. An der ersten Stirnseite 6 ist ein Einlass 8 für ein Abgas 10 angeordnet und an der zweiten Stirnseite 7 ein Auslass 9 für das Abgas 10. Innerhalb des Gehäuses 4 sind ein Katalysatorträgerkörper 14 und eine Vielzahl von Rohrelementen 17 angeordnet. Das Abgas 10 durchströmt die Vorrichtung 1, in dem es über die erste Stirnseite 6 durch den Einlass 8 in den Hohlraum 30 eintritt, der innerhalb des Katalysatorträgerkörpers 14 durch die Innenumfangsfläche 16 gebildet wird. Hier wird der Abgasstrom 10 umgelenkt und durchströmt den Katalysatorträgerkörper 14 in radialer Richtung von der Innenumfangsfläche 16 hin zur Außenumfangsfläche 15 des Katalysatorträgerkörpers 14. Das Abgas 10 tritt aus der Außenumfangsfläche 15 aus in den Ringkanal 28, der seinerseits durch die Außenumfangsfläche 15 und die Innenwand 29 des Gehäuses 4 begrenzt wird. In Richtung der ersten Stirnseite 6 ist der Ringkanal 28 durch die Rohrelementplatte 23 abgeschlossen, so dass das Abgas 10 in Richtung der zweiten Stirnseite 7 entlang des Ringkanals 28 zum Auslass 9 hin strömt. Auf der rechten Seite der 1 ist dargestellt, dass die Rohrelemente 17 ausschließlich innerhalb des Ringkanals 28 angeordnet sind. Die Rohrelemente 17 erstrecken sich parallel zur Längsachse 5 des Gehäuses 4 zwischen der ersten Stirnseite 6 und der zweiten Stirnseite 7. Die Rohrelemente 17 werden mit einem ersten Ende 21 durch die Rohrelementplatte 23 aufgenommen, so dass das Kühlmedium 13, das die Rohrelemente 17 durchströmt, durch die Rohrelementplatte 23 hin zu zumindest einem Einlauf 11 bzw. einem Auslauf 12 strömungstechnisch verbunden werden. Weiterhin sind die Rohrelemente 17 mit ihrem ersten Ende 21 elektrisch leitend über einen elektrisch leitenden ersten Kontakt 48 innerhalb der Rohrelementplatte 23 elektrisch leitend so verbunden, dass ein Spannungspotential zwischen dem ersten Ende 21 und dem zweiten Ende 22 zum Gehäuseäußeren hin abgeführt werden kann. Entsprechend sind an dem zweiten Ende 22 elektrische leitende zweite Kontakte 49 vorgesehen. Die ersten Kontakte 48 und zweiten Kontakte 49 sind dabei elektrisch gegeneinander isoliert, so dass die Rohrelementplatte 23 in diesem Fall geteilt ausführbar ist. Die Rohrelemente 17 können zusätzlich zu der Aufnahme durch die Rohrelementplatte 23 durch ein Stützelement 27 hinsichtlich ihrer Position im Gehäuse 4 fixiert werden. Der Katalysatorträgerkörper 14 ist bevorzugt symmetrisch um die Längsachse 5 des Gehäuses 4 angeordnet und erstreckt sich über eine axiale Erstreckung 26 entsprechend parallel zur Längsachse 5. Die Rohrelementplatte 23 weist an einer ersten Stirnfläche 50 Öffnungen 53 zur Aufnahme der Rohrelemente 17 auf. Die Rohrelementplatte 23 schließt den Ringkanal 28 an der ersten Stirnseite 6 durch die gasdichte Anbindung der Umfangsfläche 52 und/oder der zweiten Stirnfläche 51 an das Gehäuse 4 ab.
Im linken Teil der 1 ist dargestellt, dass eine innen gelegene Gruppe von Rohrelementen 17 den Katalysatorträgerkörper 14 in einer Richtung parallel zur Längsachse 5 durchschneidet. Auch hier ist gezeigt, dass das Kühlmedium 13 durch ein Rohrelement 17 von der ersten Stirnseite 6 zur zweiten Stirnseite 7 geleitet wird und durch das selbe Rohrelement 17, das im Bereich der zweiten Stirnseite 7 eine Umlenkung aufweist, wieder zurückgeleitet wird zur ersten Stirnseite 6.
2 zeigt eine der 1 entsprechende Vorrichtung, allerdings hier mit zwei Rohrelementplatten 23, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die zwei Rohrelementplatten 23 sind an der ersten Stirnseite 6 und an der zweiten Stirnseite 7 angeordnet. Die Rohrelementplatte 23 an der ersten Stirnseite 6 weist Einläufe 11 für das Kühlmedium 13 auf, so dass das Kühlmedium 13 die Rohrelemente 17 in Richtung von der ersten Stirnseite 6 zur zweiten Stirnseite 7 zu Ausläufen 12 hin durchströmt. In dieser Ausführungsform strömen also Kühlmedium 13 und Abgas 10 im Bereich des Ringkanals 28 gleichgerichtet durch die Vorrichtung 1. Bevorzugt ist jedoch, dass das Kühlmedium 13 im Bereich der zweiten Stirnseite 7 über einen Einlauf 11 in die Rohrelementplatte 23 und darüber in die Rohrelemente 17 eingeleitet wird, so dass das Kühlmedium 13 im sogenannten Gegenstrom gegenüber dem Abgas 10 hin zu ersten Stirnseite 6 strömt. An dem ersten Ende 21 der Rohrelemente 17 sind im Bereich der Rohrelementplatten 23 erste Kontakte 48 vorgesehen, die den durch die thermoelektrischen Elemente 20 erzeugten elektrischen Strom hin zu einem ersten elektrischen Leiter 55 an das Gehäuseäußere abführen. An den zweiten Enden 22 der Rohrelemente 17 sind zweite Kontakte 49 vorgesehen, die mit einem zweiten elektrischen Leiter 56 elektrisch leitend verbindbar sind, so dass ein Spannungspotential, das über die thermoelektrischen Elemente 20 erzeugt wird, durch den ersten elektrischen Leiter 55 und zweiten elektrischen Leiter 56 aufgenommen werden kann. Erster elektrischer Leiter 55 und zweiter elektrischer Leiter 56 sind mit externen Verbrauchern und/oder einem elektrischen Speicher verbunden, so dass der durch die thermoelektrischen Elemente 20 erzeugte elektrische Strom diesen zugeleitet wird. Die Rohrelementplatte 23 an der zweiten Stirnseite 7 weist im Gegensatz zur Rohrelementplatte 23 an der ersten Stirnseite 6 Ausnehmungen 31 auf, so dass das Abgas 10 aus dem Ringkanal 28 über die Ausnehmungen 31 in den Auslass 9 der Vorrichtung 1 abströmen kann. Auch in der Rohrelementplatte 23 an der zweiten Stirnseite 7 sind die Rohrelemente 17 in Öffnungen 53 aufgenommen, so dass das Kühlmedium 13 aus den Rohrelementen 17 über Kanäle 54 hin zu einem Einlauf 11 bzw. zu einem Auslauf 12 geleitet werden kann.
3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 1. Dieser Querschnitt A-A (in 2 gekennzeichnet) durchschneidet die Vorrichtung 1, so dass der Katalysatorträgerkörper 14 sowie die Rohrelemente 17 im Querschnitt dargestellt sind. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, wobei innerhalb des Gehäuses 4 ein Katalysatorträgerkörper 14 angeordnet ist, der von einem inneren Hohlraum 30 aus über seine Innenumfangsfläche 16 hin zu seiner Außenumfangsfläche 15 vom Abgas 10 radial durchströmt wird. Das Abgas strömt aus dem Katalysatorträgerkörper 14 in einen den Katalysatorträgerkörper 14 umgebenden Ringkanal 28, der sich vom Katalysatorträgerkörper 14 bis hin zur Innenwand 29 des Gehäuses 4 erstreckt. Innerhalb des Ringkanals 28 und innerhalb des Katalysatorträgerkörpers 14 sind Rohrelemente 17 angeordnet, die von einem Kühlmedium 13 durchströmt werden. Das Kühlmedium 13 tritt über Einläufe 11 in die Vorrichtung 1 bzw. die Rohrelementplatte 23 ein und wird über Kanäle 54 mit den Rohrelementen 17 strömungstechnisch verbunden und wird entsprechend über Ausläufe 12 aus der Vorrichtung 1 wieder herausgeführt. Der Katalysatorträgerkörper 14 wird von dem Abgas 10 radial durch Strömungskanäle 32 in Richtung der radialen Erstreckung 33 des Katalysatorträgerkörpers 14 durchströmt. Die Strömungskanäle 32 werden gebildet durch eine zumindest teilweise Strukturierung der den Katalysatorträgerkörper 14 bildenden Metallfolien.
4 zeigt eine Ausführungsvariante einer metallischen Lage des Katalysatorträgerkörpers 14. Der Katalysatorträgerkörper 14 wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante durch das Stapeln von teilweise strukturierten Metallfolien 34 gebildet, die in Folge ihrer zumindest teilweise vorliegenden Strukturierung Strömungskanäle 32 bilden. Durch diese Strömungskanäle 32 strömt das Abgas 10 von einer Innenumfangsfläche 16 hin zu einer Außenumfangsfläche 15 entlang der radialen Erstreckung 33 des Katalysatorträgerkörpers 14. Die Metallfolien 34 sind so aufeinander gestapelt, dass ein Katalysatorträgerkörper 14 mit einer Längsachse 5 gebildet wird.
5 zeigt eine Ausführungsvariante eines Rohrelements 17. Das Rohrelement 17 wird gebildet durch ein inneres Rohr 36 mit einer Innenseite 19, das von dem Kühlmedium 13 durchströmt wird, sowie einem äußeren Rohr 37 mit einer Außenseite 18, die von einem Abgas 10 quer angeströmt wird. Zwischen dem inneren Rohr 36 und dem koaxial verlaufenden äußeren Rohr 37 sind thermoelektrische Elemente 20 angeordnet, die über elektrisch leitende Brücken 57 so miteinander verbunden sind, dass durch die thermoelektrischen Elemente 20 ein elektrischer Strom von einem ersten Ende 21 zu einem zweiten Ende 22 des Rohrelements 17 übertragbar wird. Der Zwischenraum zwischen innerem Rohr 36 und äußerem Rohr 37, in dem die thermoelektrischen Elemente 20 angeordnet sind, wird an dem jeweiligen ersten Ende 21 bzw. zweiten Ende 22 über Dichtungselemente 35 insbesondere gasdicht abgedichtet, so dass die thermoelektrischen Elemente 20 weder vom Abgas 10 noch vom Kühlmedium 13 beaufschlagt werden können. Dabei sind die Dichtungselemente 35 insbesondere elektrisch leitend ausgebildet, so dass die elektrisch leitenden Brückenelemente den durch thermoelektrischen Elemente 20 erzeugten elektrischen Strom über das Dichtungselement 35 an elektrisch leitende Kontakte 48, 49 in den Rohrelementplatten 23 übertragen können.
6 zeigt eine Ausführungsvariante eines ringförmigen Halbleiterelements 58, das zumindest mit einem weiteren Halbleiterelement 58 ein thermoelektrisches Element 20 erzeugt. Das Halbleiterelement 58 weist eine Außenfläche 40 und eine Innenfläche 41 auf und zwischen Innenfläche 41 und Außenfläche 40 eine Höhe 38. Weiterhin wird es in einer axialen Richtung durch die Seitenflächen 42 jeweils begrenzt. Innerhalb der Innenfläche 41 wird das innere Rohr 36 und außerhalb der Außenfläche 40 das äußere Rohr 37 der Rohrelemente 17 angeordnet. An der Außenfläche 40 wird weiterhin eine Stromübergangsfläche 39 gebildet auf der ersten Kontaktfläche 43, so dass das Halbleiterelement 58 mit weiteren benachbarten Halbleiterelementen 58 elektrisch leitend über Brückenelemente 57 miteinander zu thermoelektrischen Elementen 20 verbunden werden kann. Weitere Stromübergangsflächen 39 sind auch an der zweiten Kontaktfläche 44 an der Innenfläche 41 des Halbleiterelements 58 angeordnet.
7 zeigte eine Ausführungsvariante eines Kraftfahrzeugs 25 mit einem Abgassystem 2 und einer Abgasbehandlungskomponente 45. Dabei durchströmt Abgas 10 von einer Verbrennungskraftmaschine 3 ausgehend ein Abgassystem 2 hin zu einer Vorrichtung 1, die in der Hauptabgasleitung oder in einer Abgasrückführungsleitung 24 des Abgassystems 2 angeordnet ist. Über elektrisch leitende Verbindungen 47 ist die Vorrichtung 1 mit einer Stromversorgung 46, insbesondere einer Batterie oder auch einem elektrischen Verbraucher, elektrisch leitend verbunden, so dass der durch die thermoelektrischen Elemente 20 erzeugte elektrische Strom abgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Abgassystem
3: Verbrennungskraftmaschine
4: Gehäuse
5: Längsachse
6: erste Stirnseite
7: zweite Stirnseite
8: Einlass
9: Auslass
10: Abgas
11: Einlauf
12: Auslauf
13: Kühlmedium
14: Katalysatorträgerkörper
15: Außenumfangsfläche
16: Innenumfangsfläche
17: Rohrelement
18: Außenseite
19: Innenseite
20: thermoelektrische Elemente
21: erstes Ende
22: zweites Ende
23: Rohrelementplatte
24: Abgasrückführungsleitung
25: Kraftfahrzeug
26: axiale Erstreckung
27: Stützelement
28: Ringkanal
29: Innenwand
30: Hohlraum
31: Ausnehmung
32: Strömungskanal
33: radiale Erstreckung
34: Metallfolie
35: Dichtungselement
36: inneres Rohr
37: äußeres Rohr
38: Höhe
39: Stromübergangsfläche
40: Außenfläche
41: Innenfläche
42: Seitenfläche
43: erste Kontaktfläche
44: zweite Kontaktfläche
45: Abgasbehandlungskomponente
46: Stromversorgung
47: Verbindung
48: erster Kontakt
49: zweiter Kontakt
50: erste Stirnfläche
51: zweite Stirnfläche
52: Umfangsfläche
53: Öffnung
54: Kanal
55: erster elektrischer Leiter
56: zweiter elektrischer Leiter
57: Brückenelement
58: Halbleiterelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/40838 A1 [0010]
WO 02/81879 A1 [0010]
WO 2010/023118 A1 [0013]

Claims

Vorrichtung (1) für ein Abgassystem (2) einer Verbrennungskraftmaschine (3), wobei die Vorrichtung (1) zumindest ein Gehäuse (4) umfasst, das Gehäuse (4) eine Längsachse (5) und eine erste Stirnseite (6) und eine zweite Stirnseite (7) aufweist, sowie einen Einlass (8) und einen Auslass (9) für Abgas (10) sowie zumindest einen Einlauf (11) und einen Auslauf (12) für ein Kühlmedium (13); und weiterhin einen in dem Gehäuse (4) angeordneten, von Abgas (10) durchströmbaren Katalysatorträgerkörper (14) mit einer Außenumfangsfläche (15) und einer Innenumfangsfläche (16), wobei das Abgas (10) über die erste Stirnseite (6) in das Gehäuse (4) eintritt und über die Innenumfangsfläche (16) zur Außenumfangsfläche (15) den Katalysatorträgerkörper (14) radial durchströmt und das Gehäuse (4) über die zweite Stirnseite (7) verlässt; und zudem stromabwärts des Katalysatorträgerkörpers (14) eine Vielzahl von Rohrelementen (17) mit Außenseiten (18) und Innenseiten (19), wobei die Rohrelemente (17) parallel zur Längsachse (5) entlang der Außenumfangsfläche (15) angeordnet sind und die Außenseiten (18) mit Abgas (10) und die Innenseiten (19) von dem Kühlmedium (13) beaufschlagt werden, wobei zwischen Außenseite (18) und Innenseite (19) der Rohrelemente (17) thermoelektrische Elemente (20) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei die thermoelektrischen Elemente (20) in den Rohrelementen (17) scheibenförmig ausgebildet und aufeinander gestapelt sind, und wobei die Außenseiten (18) und Innenseiten (19) der Rohrelemente (17) sowie die dazwischen angeordneten thermoelektrischen Elemente (20) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Rohrelemente (17) jeweils ein erstes Ende (21) und ein zweites Ende (22) aufweisen und diese durch zumindest eine Rohrelementplatte (23) elektrisch kontaktierbar sind.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 3, wobei die Rohrelemente (17) in jeweils einer Rohrelementplatte (23) an der ersten Stirnseite (6) und an der zweiten Stirnseite (7) aufgenommen sind und der Einlauf (11) an der zweiten Stirnseite (7) und der Auslauf (12) an der ersten Stirnseite (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Rohrelementplatte (23), wobei die Rohrelementplatte (23) Öffnungen (53) zur Aufnahme von Rohrelementen (17) aufweist und Kanäle (54) zur strömungstechnischen Verbindung zumindest eines Einlaufs (11) und/oder Auslaufs (12) für ein Kühlmedium (13) mit den Rohrelementen (17), wobei weiter erste Kontakte (48) vorgesehen sind, die zumindest ein erstes Ende (21) wenigstens eines Rohrelementes (17) elektrisch leitend mit einem ersten elektrischen Leiter (55) verbinden.
Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 5, wobei zweite Kontakte (49) vorgesehen sind zur elektrisch leitenden Verbindung eines zweiten Endes (22) wenigstens eines Rohrelementes (17) mit einem zweiten elektrischen Leiter (56), wobei die zweiten Kontakte (49) elektrisch isoliert gegenüber den ersten Kontakten (48) ausgeführt sind.