DE102012217215A1

DE102012217215A1 - Ladeluftkühler mit thermoelektrischem Generator

Info

Publication number: DE102012217215A1
Application number: DE201210217215
Authority: DE
Inventors: Boris MAZAR; Carsten Spengler; Ivo Daniel Weese
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: DE102012217215B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler (12) für eine Brennkraftmaschine, mit einem luftführenden Bereich (27), in dem zu temperierende Ladeluft in einer Strömungsrichtung fließt, mindestens einem kühlmittelführenden Bereich (20) und einer Mehrzahl von thermoelektrischen Einrichtungen (23), die über erste elektrische Brücken (22a) miteinander elektrisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sind und wobei jede thermoelektrische Einrichtung (23) zwei Schenkel (23a, 23b) umfasst, die über eine zweite elektrische Brücke (22b) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Schenkel (23a, 23b) abgeneigte Oberfläche der ersten elektrischen Brücken (22a) unmittelbar von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, mit einem luftführenden Bereich, in dem zu temperierende Ladeluft in einer Strömungsrichtung fließt, mindestens einem Kühlmittel führenden Bereich und einer Mehrzahl von thermoelektrischen Einrichtungen, die über erste elektrische Brücken miteinander elektrisch in Reihe und/oder Serie geschalten sind und wobei jede thermoelektrische Einrichtung zwei Schenkel umfasst, die über eine zweite elektrische Berücke miteinander verbunden sind.
Im Sinne der Erfindung sind Brennkraftmaschinen Verbrennungsmotoren, wie sie im Kraftfahrzeugbau als Diesel- oder Otto-Motoren zur Anwendung kommen. Zur Steigerung des Füllungsgrades der Zylinder eines Verbrennungsmotors ist es bekannt, eine Aufladung in Form von beispielsweise Abgasturboladern oder Kompressoren zu verwenden. Dadurch gelangt mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in den Zylinder, so dass auch mehr Treibstoff beigemischt werden kann, wodurch sich die Leistung des Motors erhöht. Um zusätzlich leistungssteigernde Effekte zu erzielen, ist es bekannt, die Ladeluft abzukühlen, um die Dichte der angesaugten Luft und damit die Menge an Sauerstoff zu erhöhen.
Mit höher werdendem Ladedruck erhöht sich auch zunehmend die notwendige Kühlleistung des Ladeluftkühlers. Während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors ist jedoch eine Kühlung der Ladeluft unerwünscht, da der Verbrennungsmotor möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur gebracht werden soll.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Ladeluftkühler anzugeben, dessen Funktionsweise auf besonders einfache Weise an die jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassbar ist und mit dem gleichzeitig die Nachhaltigkeit und der Wirkungsgrad im Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine vor, mit einem luftführenden Bereich, in dem zu temperierende Ladeluft in einer Strömungsrichtung fließt, mindestens einem kühlmittelführenden Bereich und einer Mehrzahl von thermoelektrischen Einrichtungen, die über erste elektrische Brücken miteinander elektrisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sind und wobei jede thermoelektrische Einrichtung zwei Schenkel umfasst, die über eine zweite elektrische Brücke miteinander verbunden sind. Weiterhin kann eine den Schenkeln abgeneigte Oberfläche der ersten elektrischen Brücken unmittelbar von der zu temperierenden Ladeluft umströmt werden. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen kann hier auf eine Isolationsschicht verzichtet werden, die einen Schutz vor einem Kurzschluss der elektrischen Brücken über die metallische Wärmetauscherstruktur zur Aufgabe hat. Damit geht auch der Vorteil einher, dass ein deutlich verringerter Wärmewiderstand generiert werden kann.
Darüber hinaus kann an der Oberfläche der Brücke, die von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird, eine oberflächenvergrößernde Struktur ausgebildet sein.
Ferner können an der Oberfläche der elektrischen Brücken, die von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird, Rippen und/oder Finnen ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass ein besonders großer Wärmeübergang aus der Ladeluft zu den thermoelektrischen Einrichtungen und umgekehrt realisiert werden kann.
Zusätzlich oder alternativ kann zwischen zwei Schenkel benachbarter thermoelektrischer Einrichtungen ein elektrischer Isolator vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann der Isolator gasdicht ausgebildet sein. Dadurch wird vermieden, dass in der Ladeluft befindliche Partikel zwischen die thermoelektrischen Einheiten dringen und zu Korrosion oder Verschmutzungen führen kann.
Ein Ladeluftkühler mit einem thermoelektrischen Generator bietet eine erhöhte Effizienz gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ladeluftkühlern. Durch thermische Beeinflussung der Ansaugluft kann insbesondere beim Kaltstart eine Verbesserung der Emissionen erzielt werden. Bei maximalem Leistungswunsch durch den Fahrer wird eine aktive Ladeluftkühlung erzeugt, wobei eine Temperaturabsenkung der Ansaugluft auch unterhalb der Umgebungstemperatur möglich ist. Nicht zuletzt wird im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors der Luftkühler zur elektrischen Stromerzeugung genutzt. Dadurch wird der mechanische Generator, der üblicherweise für die Stromerzeugung notwendig ist, entlastet, so dass eine Reduktion des Kohlenstoffdioxidausstoßes erzielt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1a einen schematischen Kühlmittelkreislauf eines Ladeluftkühlers
1b eine Schnittansicht durch einen Ladeluftkühler entlang der Schnittlinie A-A aus 1a,
2 eine Detailansicht des Aufbaus eines Ladeluftkühlers gemäß dem Stand der Technik und
3 eine Detailansicht des Aufbaus eines Ladeluftkühlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben werden.
In 1 ist ein schematischer Kühlmittelkreislauf 10 eines Ladeluftkühlers 12 abgebildet. Der Ladeluftkühler 12 ist in einem Ansaugtrakt 11 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors angeordnet. Die Ansaugluft bzw. Ladeluft wird von dem Verbrennungsmotor angesaugt und/oder mit Hilfe eines Turboladers bzw. Kompressors durch den Ansaugtrakt gefördert, wobei sich eine Strömungsrichtung der Ladeluft in 1a von rechts nach links einstellt. Innerhalb des Ladeluftkühlers 12 sind Bereiche 20 vorgesehen, in denen ein Kühlmittel geführt wird. Die kühlmittelführenden Bereiche 20 sind als Kanäle ausgebildeten. Das Kühlmittel wird mit Hilfe einer Pumpe 13 in dem Kühlmittelkreislauf 10 umgewälzt, wobei es von dem Ladeluftkühler 12 zu einem Ausgleichsbehälter 15 durch eine Leitung gefördert wird. Von dem Ausgleichsbehälter 15 gelangt es zu einem Kühler 14, in dem die Temperatur des Kühlmittels abgesenkt wird. Von da aus wird es über eine entsprechende Leitung zum Ladeluftkühler 12 zurück gefördert. Der Ausgleichsbehälter 15 ist über eine Druckausgleichsleitung 16 mit dem Ansaugtrakt 11 verbunden. Durch diese thermodynamische Kopplung der Kühlmittel und der Luftseite ergeben sich nur geringe Druckkräfte auf die thermoelektrischen Einrichtungen, so dass dadurch die thermoelektrischen Module und Wärmeüberträger filigran und platzsparend aufgebaut sein können, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung auftritt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in 1b eine Schnittansicht durch den Ladeluftkühler 12 aus 1 entlang der Schnittlinie A-A aus 1 dargestellt. Abweichend davon kann der hier viereckig-quadratisch dargestellte Querschnitt auch rund, oval, dreieckig oder rechteckig sein.
Ein Ausschnitt eines Ladeluftkühlers 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt, zur Verdeutlichung dessen Aufbaus. In einem oberen Bereich der 3 ist ein Bereich 20 dargestellt, der kühlmittelführend ist. Das Kühlmittel fließt folglich innerhalb dieses Bereichs 20 in einer Kammer oder einem Kanal, die durch eine äußere Umrandung 26 abgegrenzt wird. Auf dieser Umrandung 26 ist ein elektrischer Isolator 21 angeordnet, der den kühlmittelführenden Bereich 20 gegenüber den thermoelektrischen Einrichtungen 23 isoliert. In 3 sind vier thermoelektrische Einrichtungen 23 abgebildet. Jedes thermoelektrische Element 23 umfasst ein Schenkelpaar mit je zwei Schenkeln 23a und 23b. Die Schenkel sind aus unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien aufgebaut und über elektrische Brücken 22b miteinander verbunden. Die Funktionsweise eines thermoelektrischen Generators ist vielfach beschrieben in der Literatur, so dass hierauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Der thermoelektrische Generator gemäß der Erfindung funktioniert ebenfalls basierend auf dem Seebeck-Effekt. Die thermoelektrischen Einrichtungen 23 sind miteinander über je eine erste elektrische Brücke 22a verbunden.
Die elektrischen Brücken 22a weisen eine Oberfläche auf, die den Schenkeln 23a und 23b gegenüberliegt und von diesen abgewandt ist. Diese Oberfläche der ersten elektrischen Brücken 22a ragt in den Ladeluft führenden Bereich 27 des Thermoelektrischen Generators 12 und wird unmittelbar von der Ansaugluft umströmt. Der ladeluflführende Bereich 27 kann als Rohr oder als Kanal ausgebildet sein. Zur Vergrößerung der Wärmeübertragung zwischen der Ansaugluft in dem luftführenden Bereich 27 und dem Kühlmittel in dem kühlmittelführenden Bereich sind auf der Oberfläche der ersten Brücken 22a, die den Schenkeln 23a, 23b abgewandt sind, Rippen oder Finnen 24 angeordnet.
Zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Einrichtungen 23 sind Isolatoren 25 vorgesehen. Diese isolieren elektrisch die thermoelektrischen Einheiten 23 gegeneinander. Darüber hinaus können diese Isolatoren 25 auch gasdicht ausgebildet sein, so dass Verschmutzungen in der Ansaugluft nicht in den Bereich zwischen zwei benachbarten thermoelektrische Einrichtungen 23 gelangt. Dadurch können die thermoelektrischen Einheiten 23 vor Korrosion geschätzt werden.
Grundsätzlich bietet die Integration eines thermoelektrischen Generators in den Ladeluftkühler 12 den Vorteil der möglichen Temperierung der Ladeluft. Das heißt, in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors kann einerseits die Ansaugluft aufgeheizt werden und damit der Verbrennungsmotor schnell auf seine Betriebstemperatur gebracht werden. Im Kühlleistungsgrenzfall des Ladeluftkühlers bei hoher Leistungsabgabe des Motors kann andererseits zusätzlich die Ansaugluft gekühlt werden. Darüber hinaus existiert die Möglichkeit der thermoelektrischen Wandlung der übertragenen Wärme im Motorbetrieb mit ausreichender Kühlleistungsreserve des Ladeluftkühlers, wenn die Warmlaufphase des Motors abgeschlossen ist und der Motor in mittlerer Motorlast betrieben wird. Durch die Anordnung der elektrischen Brücken zwischen benachbarten thermoelektrischen Einheiten als ansaugluftumströmte Flächen, kann der thermische Widerstand des Kühlers reduziert und somit die erreichbare Kühlleistung erhöht werden.

Claims

Ladeluftkühler (12) für eine Brennkraftmaschine, mit – einem luftführenden Bereich (27), in dem zu temperierende Ladeluft in einer Strömungsrichtung fließt, – mindestens einem kühlmittelführenden Bereich (20) und – einer Mehrzahl von thermoelektrischen Einrichtungen (23), die über erste elektrische Brücken (22a) miteinander elektrisch in Reihe und/oder in Serie geschaltet sind und wobei jede thermoelektrische Einrichtung (23) zwei Schenkel (23a, 23b) umfasst, die über eine zweite elektrische Brücke (22b) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – eine den Schenkel (23a, 23b) abgeneigte Oberfläche der ersten elektrischen Brücken (22a) unmittelbar von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird.
Ladeluftkühler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche der elektrischen Brücken (22a), die von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird, eine oberflächenvergrößernde Struktur ausgebildet ist.
Ladeluftkühler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, an der Oberfläche der elektrischen Brücken (22a), die von der zu temperierenden Ladeluft umströmt wird, Rippen und/oder Finnen ausgebildet sind.
Ladeluftkühler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Schenkel (23a, 23b) benachbarter thermoelektrischer Einrichtungen (23) ein elektrischer Isolator (25) vorgesehen ist.
Ladeluftkühler gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator gasdicht ausgebildet ist.