DE102016112232A1

DE102016112232A1 - Heißgasnutzungsvorrichtung, Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Heißgasnutzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016112232A1
Application number: DE102016112232.7A
Authority: DE
Inventors: Mirko Klein Altstedde; Kerstin Oetringer; Martin Kober; Lars Heber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-11
Anticipated expiration: 2036-07-06
Also published as: DE102016112232B4

Abstract

Es wird eine Heißgasnutzungsvorrichtung vorgeschlagen, welche eine Führungseinrichtung (40) für Heißgas, eine Katalysatoreinrichtung (44) für Heißgas, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung (40) verbunden ist und der Führungseinrichtung (40) strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung (54), welche thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung (58), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgasnutzungsvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und eine Heißgasnutzungsvorrichtung, welcher als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Heißgasnutzungsvorrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißgasnutzungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche umfangreiche Nutzungsmöglichkeiten aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Heißgasnutzungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Führungseinrichtung für Heißgas vorgesehen ist, eine Katalysatoreinrichtung für Heißgas vorgesehen ist, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung verbunden ist und der Führungseinrichtung strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung vorgesehen ist, welche thermisch an die Führungseinrichtung gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist, welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung und thermisch an die Führungseinrichtung gekoppelt ist.
Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung weist eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi auf. Beispielsweise kann die Heißgasnutzungsvorrichtung dazu genutzt werden, auch wenn kein Heißgas vorhanden ist, um durch einen entsprechenden Betrieb der Heizeinrichtung einen Heizbetrieb zu ermöglichen.
Wenn Heißgas bereitgestellt ist, welches nicht die erforderliche Temperatur aufweist, kann die elektrische Heizeinrichtung dazu genutzt werden, das entsprechende Heißgas weiter aufzuheizen und/oder eine Katalysatoreinrichtung entsprechend aufzuheizen, so dass eine optimale Heißgasreinigung durch die Katalysatoreinrichtung möglich ist.
Wenn Heißgas einer geeigneten Temperatur bereitgestellt wird, dann kann die Heißgasnutzungsvorrichtung über die thermoelektrische Moduleinrichtung dazu genutzt werden, einen nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen.
Wenn die Heißgasnutzungsvorrichtung mit Heißgas betrieben wird, welches durch die Führungseinrichtung und die Katalysatoreinrichtung durchgeführt wird, und das Heißgas beim Einkoppeln eine zu hohe Temperatur aufweist, dann kann die thermoelektrische Moduleinrichtung über den Peltier-Effekt dazu verwendet werden, das Heißgas abzukühlen beziehungsweise die Katalysatoreinrichtung abzukühlen, um eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen.
Durch die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lassen sich transiente Zustände in dem Heißgas ausgleichen, wobei dieser Ausgleich über "interne" Mittel der Heißgasnutzungsvorrichtung möglich ist. In einem Normalbetrieb kann die thermoelektrische Moduleinrichtung dazu genutzt werden, nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. Bei zu heißem Heißgas kann die thermoelektrische Moduleinrichtung zur Kühlung genutzt werden.
Die elektrische Heizeinrichtung kann für Heizzwecke genutzt werden sowohl für eine externe Anwendung wie ein Heizsystem eines Fahrzeugs als auch für eine interne Anwendung zur weiteren Aufheizung des Heißgases und/oder der Katalysatoreinrichtung.
Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lässt sich optimiert in Fahrzeugen einsetzen wie Hybridfahrzeugen, Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik, oder Fahrzeuge mit Abgasturboladern. Bei der Verwendung von Abgasturboladern zur Effizienzsteigerung tritt oftmals das Problem auf, dass die notwendige Temperatur der Katalysatoreinrichtung nicht oder nur langsam erreicht wird. Durch Anfetten eines Kraftstoff-Luftgemischs könnte dieser Problematik begegnet werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich durch Verwendung der elektrischen Heizeinrichtung die notwendige Temperatur an der Katalysatoreinrichtung ohne Anfetten des Kraftstoff-Luftgemischs erreichen, so dass kein erhöhter Kraftstoffverbrauch verursacht wird beziehungsweise keine erhöhten Emissionen verursacht werden.
Bei Hybridfahrzeugen oder Fahrzeugen mit Start-Stopp-Automatik erfolgt durch Abschalten des Verbrennungsmotors eine Verbrauchseinsparung. Es kann jedoch dadurch eine Temperaturabsenkung an der Katalysatoreinrichtung bewirkt werden, so dass diese nicht mehr optimiert betrieben ist und eine schlechte Umwandlungsrate aufweist. Durch Nutzung der elektrischen Heizeinrichtung kann dieser Problematik begegnet werden.
Beispielsweise bei Hybrid-Fahrzeugen steht im elektrischen Betrieb keine Wärmequelle zur Temperierung der Fahrgastzelle oder anderer Komponenten des Fahrzeugs zur Verfügung. Die elektrische Heizeinrichtung kann in diesem Falle Wärme bereitstellen.
Günstig ist es, wenn die thermoelektrische Moduleinrichtung mindestens eine thermoelektrische Modullage aufweist und die elektrische Heizeinrichtung mindestens eine Heizlage aufweist, wobei die mindestens eine Heizlage zwischen der Führungseinrichtung und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage angeordnet ist und thermisch mit der Führungseinrichtung und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage verbunden ist. Dadurch ergibt sich bei kompaktem Aufbau eine Mehrzahl von Betriebsmodi. Je nach Betriebsmodus kann die thermoelektrische Moduleinrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom oder als Kühleinrichtung benutzt werden.
Die elektrische Heizeinrichtung kann je nach Betriebsmodus genutzt werden, um Heißgas in der Führungseinrichtung aufzuheizen und/oder die Katalysatoreinrichtung aufzuheizen, oder Kühlmittel in der Kaltwärmeübertragungseinrichtung aufzuheizen.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die Kaltwärmeübertragungseinrichtung mindestens eine Kaltwärmeübertragungslage aufweist, wobei die mindestens eine thermoelektrische Modullage zwischen der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage und der mindestens einen Heizlage angeordnet ist und mit der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage und der mindestens einen Heizlage thermisch verbunden ist. Es lässt sich so durch die thermoelektrische Modullage hindurch Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung abgeben, welche durch die mindestens eine Heizlage bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Art von Standheizung realisieren.
Günstig ist es, wenn die elektrische Heizeinrichtung eine Wärmespeichereinrichtung aufweist, in welcher ein Wärmespeichermaterial angeordnet ist, wobei insbesondere das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmedium ist. Dadurch lässt sich optimiert Wärme speichern beziehungsweise Wärme eintragen und dann auch aus der elektrischen Heizeinrichtung austragen. Ferner lässt sich auf einfache Weise eine effektive thermische Kopplung über die elektrische Heizeinrichtung zwischen der Führungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung erreichen.
Es ist günstig, wenn das Wärmespeichermaterial in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung und der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, um eine effektive Wärmekopplung zu erreichen und auch um eine effektive Wärmeaustragung beziehungsweise Wärmeeintragung zu ermöglichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die elektrische Heizeinrichtung ein oder mehrere Stromdurchflusselemente auf, welche von Wärmespeichermaterial umgeben sind. Dadurch lässt sich optimiert Wärme eintragen und auch austragen.
Bei einer Ausführungsform sind die elektrische Heizeinrichtung und Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung thermisch miteinander verbunden. Grundsätzlich ist es möglich, dass Wärme von der elektrischen Heizeinrichtung an die Katalysatoreinrichtung dadurch übertragen wird, dass die elektrische Heizeinrichtung Heißgas in der Fluidführungseinrichtung aufweist, welches dann zu der Katalysatoreinrichtung strömt. Durch eine thermische Verbindung der elektrischen Heizeinrichtung mit der Katalysatoreinrichtung lässt sich diese durch die elektrische Heizeinrichtung direkt beheizen. Dadurch ist es beispielsweise auf einfache Weise möglich, über die elektrische Heizeinrichtung die Katalysatoreinrichtung auf eine erforderliche Temperatur beziehungsweise in einen erforderlichen Temperaturbereich zu bringen, um eine optimierte Heißgasreinigung zu ermöglichen.
Günstig ist es, wenn die Fluidführungseinrichtung an einem Diffusor für Heißgas angeordnet oder gebildet ist. Dadurch lässt sich optimiert Heißgas zuführen. Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die Katalysatoreinrichtung an einen Konzentrator für Heißgas angekoppelt ist. Dadurch lässt sich Heißgas optimiert abführen, wobei dieses Heißgas insbesondere durch die Katalysatoreinrichtung gereinigt wurde.
Die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung weist insbesondere einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung auf, bei dem die elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung heizt und/oder ein Wärmespeichermaterial der elektrischen Heizeinrichtung thermisch auflädt. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Art von Standheizung realisieren beziehungsweise es lässt sich in einem Fahrzeug im rein elektrischen Betrieb eine integrierte Heizquelle bereitstellen. Der entsprechende elektrische Strom zum Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung kann dabei von einer Fahrzeugbatterie oder auch von einer Ladestation beim Aufladen einer Fahrzeugbatterie kommen.
Es ist ferner vorteilhafterweise ein Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist und Heißgas der Katalysatoreinrichtung zugeführt ist, wobei Heißgas durch die elektrische Heizeinrichtung aufgeheizt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung heizt. Wenn beispielsweise die Temperatur des Heißgases nicht ausreicht, die Katalysatoreinrichtung auf ihren optimierten Temperaturbereich zu bringen, dann kann die elektrische Heizeinrichtung dafür sorgen, dass dieser optimierte Temperaturbereich erreicht wird. Dadurch ergibt sich eine effektive Abgasreinigung. Ein solcher Betriebsmodus ist beispielsweise bei Verwendung eines Abgasladers beziehungsweise beim Start-Stopp-Betrieb oder einem Hybridbetrieb eines Fahrzeugs vorteilhaft.
Es ist ferner günstig, wenn ein Betriebsmodus vorgesehen ist, bei dem die elektrische Heizeinrichtung nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung von Heißgas durchströmt ist, wobei die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung wirkt und an der thermoelektrischen Moduleinrichtung nutzbarer elektrischer Strom erzeugt wird. Es wird dann die Wärmeenergie im Heißgas dazu genutzt, über den Seebeck-Effekt an der thermoelektrischen Moduleinrichtung einen nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen. In diesem Falle wirkt die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung als Kaltwärmeübertrager.
Es ist ferner günstig, wenn ein Betriebsmodus vorgesehen ist, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung mit Heißgas durchströmt ist, wobei durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung diese als Kühleinrichtung wirkt und Heißgas kühlt und/oder Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung kühlt. Wenn das Heißgas eine zu hohe Temperatur aufweist, bei der der optimale Temperaturbereich für die Katalysatoreinrichtung überschritten ist, kann in diesem Betriebsmodus die Katalysatoreinrichtung direkt und/oder durch Kühlung des Heißgases in den optimalen Temperaturbereich gebracht werden beziehungsweise dort gehalten werden.
Günstig ist es, wenn die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt wird, welches einen Verbrennungsmotor umfasst, wobei als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors verwendet ist.
Insbesondere ist dann die Kaltwärmeübertragungseinrichtung an eine Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs angeschlossen. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise Wärme von der Kaltwärmeübertragungseinrichtung abführen. Ferner lässt sich beispielsweise dann auch in einem elektrischen Heizbetrieb eine Beheizung an der Klimatisierungseinrichtung erfolgen, um beispielsweise eine Standheizung zu realisieren oder einen Heizbetrieb zu realisieren in Zeiten, in denen kein Heißgas (Abgas) bereitgestellt ist.
Aus den oben genannten Gründen ist es günstig, wenn das Fahrzeug dem Verbrennungsmotor zugeordnet eine Start-Stopp-Automatik und/oder einen Abgasturbolader und/oder einen zusätzlichen Elektroantrieb aufweist. Es lässt sich dann je nach Betriebsmodus des Fahrzeugs der entsprechende Betriebsmodus der Heißgasnutzungsvorrichtung auswählen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung bereitgestellt, welches mindestens einen der folgenden Betriebsmodi aufweist:

(i) Die elektrische Heizeinrichtung wird in einem Heizbetrieb betrieben und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung wird mittels der elektrischen Heizeinrichtung aufgeheizt, wobei keine Heißgasdurchströmung der Fluidführungseinrichtung erfolgt;
(ii) Die elektrische Heizeinrichtung wird in einem Heizbetrieb betrieben und heizt Heißgas auf, welches der Katalysatoreinrichtung zugeführt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung heizt Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung auf;
(iii) Die elektrische Heizeinrichtung wird nicht operativ betrieben, die Fluidführungseinrichtung wirkt als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung und die thermoelektrische Moduleinrichtung wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, wobei dann die thermoelektrische Moduleinrichtung als Kühleinrichtung für das Heißgas und/oder die Katalysatoreinrichtung wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung erläutert.
Insbesondere existiert ein weiterer Betriebsmodus, bei dem die Fluidführungseinrichtung als Heißwärmeübertrager wirkt und die thermoelektrische Moduleinrichtung einen nutzbaren elektrischen Strom bereitstellt. Dadurch kann auch der thermische Energieinhalt des Heißgases genutzt werden.
Es ist günstig, wenn über die elektrische Heizeinrichtung und/oder die thermoelektrische Moduleinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Katalysatoreinrichtung an einem bestimmten Betriebspunktbereich bezüglich der Katalysatortemperatur betrieben wird. Dadurch ergibt sich bei energiesparendem Betrieb eine optimierte Abgasreinigung.
Insbesondere wird im Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung an der elektrischen Heizeinrichtung ein Wärmespeichermaterial aufgeheizt, welches Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Heißgas in der Fluidführungseinrichtung abgibt und/oder Wärme an Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung abgibt. Dadurch ergibt sich ein optimierter Heizbetrieb, wobei die entsprechende Wärme beispielsweise für Heizzwecke an einer Fahrgastzelle oder dergleichen genutzt werden kann, oder je nach Betriebsmodus genutzt werden kann, um Heißgas in der Heißgasnutzungsvorrichtung aufzuwärmen beziehungsweise Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung direkt aufzuheizen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Heißgasnutzungsvorrichtung (wobei Steuerungskomponenten beziehungsweise Regelungskomponenten nicht gezeigt sind);
2 eine schematische Teilschnittansicht der Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß 1 mit weiteren Komponenten;
3 eine schematische Darstellung ausgehend von 2 für einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung;
4 eine ähnliche Ansicht wie 3 für einen Betriebsmodus, bei welchem eine elektrische Heizeinrichtung in einem Heizbetrieb ist;
5 eine ähnliche Ansicht wie 3, bei dem eine thermoelektrische Moduleinrichtung elektrische Leistung bereitstellt; und
6 eine ähnliche Ansicht wie 3 in einem Betriebsmodus, bei welchem eine thermoelektrische Moduleinrichtung als Wärmepumpe wirkt.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heißgasnutzungsvorrichtung, welches in 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung und in 2 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt ist, umfasst ein Gehäuse 20, welches von Heißgas durchströmbar ist. Das Gehäuse 20 weist einen Eingang 22 zur Einkopplung von Heißgas auf, und einen Ausgang 24 zur Auskopplung von Heißgas, wobei das Gehäuse 20 zwischen dem Eingang 22 und dem Gehäuse 24 geschlossen ist.
Der Ausgang 24 ist in einer (Längs-)Richtung 26 beabstandet zu dem Eingang 22. Zumindest bezüglich der Einkopplung von Heißgas in den Eingang 22 und der Auskopplung von Heißgas aus dem Ausgang 24 liegt eine Hauptströmungsrichtung von Heißgas mindestens näherungsweise parallel zu der Richtung 26.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind der Eingang 22 und der Ausgang 24 fluchtend zueinander in der Richtung 26 angeordnet.
Das Gehäuse 20 umfasst einen ersten Bereich 28, an welchem der Eingang 22 gebildet ist. Der erste Bereich 28 ist als Diffusor 30 ausgebildet. Ein Querschnitt des ersten Bereichs 28 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung 26 verbreitert sich ausgehend von dem Eingang 22 oder einem Bereich 32 an dem Eingang 22 zu einem Ende 34 des ersten Bereichs 28. Eine Querschnittsfläche des Gehäuses 20 an dem Ende 34 des ersten Bereichs 28 ist größer als eine Querschnittsfläche des Gehäuses 20 an dem Eingang 22.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 20 in dem ersten Bereich 28 in einer ersten Richtung (62) senkrecht zu der Richtung 26 eine im Wesentlichen gleich bleibende Höhe auf und in einer zweiten Richtung (36) senkrecht zu dieser ersten Richtung (62) und der Richtung 26 erfolgt die Diffusorausbildung mit der Querschnittserweiterung.
An den ersten Bereich 28 schließt sich an dem Ende 34 ein zweiter Bereich 38 an. Der zweite Bereich 38 bildet eine Führungseinrichtung 40 für Heißgas. Der zweite Bereich 38 hat eine im Wesentlichen quaderförmige Ausgestaltung. Seine Breite in der zweiten Richtung 36 entspricht der Breite des ersten Bereichs 28 an dem Ende 34. Seine Höhe in der ersten Richtung 62 entspricht der Höhe des ersten Bereichs 28 an dem Ende 34.
Die Führungseinrichtung 40 hat eine Führungsfunktion für die Durchströmung von Heißgas.
An den zweiten Bereich 38 schließt sich ein dritter Bereich 42 des Gehäuses 20 an. Der dritte Bereich weist bei einem Ausführungsbeispiel die gleiche Breite in der zweiten Richtung 36 auf wie der zweite Bereich 38 und weist die gleiche Höhe in der ersten Richtung auf wie der zweite Bereich 36.
In dem dritten Bereich 42 ist eine Katalysatoreinrichtung 44 für das Heißgas angeordnet. Diese ist dabei so angeordnet und ausgebildet, dass sie durch Heißgas durchströmbar ist und dabei im Wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des dritten Bereichs 42 abdeckt. Heißgas, welches aus der Führungseinrichtung 40 dem dritten Bereich 42 zuströmt, muss am Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung 44 entlang strömen.
An den dritten Bereich 42, in welchem die Katalysatoreinrichtung 44 angeordnet ist, schließt sich ein vierter Bereich 46 an. An diesem vierten Bereich 46 ist der Ausgang 24 gebildet. Der vierte Bereich 46 weist ein Ende 48 auf, welches dem dritten Bereich 42 zugewandt ist und an welchem der vierte Bereich 46 mit dem dritten Bereich 42 verbunden ist. An diesem Ende 48 weist der vierte Bereich 46 den gleichen Querschnitt auf wie der dritte Bereich 42.
Der vierte Bereich 46 ist als Konzentrator 50 ausgebildet. An diesem Konzentrator 50 verringert sich der Querschnitt in der zweiten Richtung 36, so dass Heißgas entsprechend an dem Ausgang 24 abgeführt werden kann.
Der Ausgang 24 hat eine kleinere Querschnittsfläche als der vierte Bereich 46 an dem Ende 48.
Der Konzentrator 50 bildet das Gegenstück zu dem Diffusor 30.
An dem Gehäuse 20 ist an dem zweiten Bereich 38 mit der Führungseinrichtung 40 eine Funktionseinheit 52 angeordnet, welche thermisch an die Führungseinrichtung 40 gekoppelt ist. Die Funktionseinheit 52 selber ist nicht direkt von Heißgas durchströmt. In die Funktionseinheit 52 lässt sich durch die thermische Kopplung an die Führungseinrichtung 40 Wärme eintragen beziehungsweise aus ihr lässt sich Wärme austragen und in Heißgas, welches in der Führungseinrichtung 40 geführt ist, beziehungsweise in die Katalysatoreinrichtung 44 eintragen.
Die Funktionseinheit 52 weist eine thermoelektrische Moduleinrichtung 54 auf. Sie weist eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 auf. Sie weist ferner eine elektrische Heizeinrichtung 58 auf. Die elektrische Heizeinrichtung 58 ist direkt an dem zweiten Bereich 38 des Gehäuses 20 positioniert und sitzt insbesondere an einer Außenseite 60 des Gehäuses 20 in dem zweiten Bereich 38. Sie ist dabei direkt thermisch gekoppelt an die Führungseinrichtung 40.
Insbesondere ist ein Material für eine Wandung des Gehäuses 20, welches die Außenseite 60 bildet, ein Material mit metallischer thermischer Leitfähigkeit. Insbesondere ist die thermische Leitfähigkeit dieses Materials mindestens 10 W(m·K).
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 sitzt an der elektrischen Heizeinrichtung 58 und ist thermisch an diese gekoppelt. Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist an diese thermisch gekoppelt.
Die Führungseinrichtung 40 bildet einen Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 bildet einen Kaltwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung 54.
Die Führungseinrichtung 40, die elektrische Heizeinrichtung 58, die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 und die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind in der ersten Richtung 62 gestapelt angeordnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die thermoelektrische Moduleinrichtung 54, die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 und die elektrische Heizeinrichtung 58 mehrlagig ausgebildet, so dass sie Komponenten beidseitig der Führungseinrichtung 40 bezogen auf die erste Richtung 62 aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die elektrische Heizeinrichtung 58 eine erste Lage 64a (erste Heizlage) und eine zweite Lage 64b (zweite Heizlage). Die erste Lage 64a ist bezogen auf die erste Richtung 62 auf einer Seite der Führungseinrichtung 40 angeordnet und die zweite Lage 64b ist auf der anderen Seite abgewandt zu der ersten Lage 64a angeordnet. Die Führungseinrichtung 40 ist dadurch zwischen der ersten Lage 64a und der zweiten Lage 64b der elektrischen Heizeinrichtung 58 positioniert, wobei sowohl die erste Lage 64a als auch die zweite Lage 64b einen direkten thermischen Kontakt mit der Führungseinrichtung 40 über ihre jeweilige Außenseite 60 haben.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist eine erste Lage 66a (erste thermoelektrische Modullage) und eine zweite Lage 66b (zweite thermoelektrische Modullage) auf. Die erste Lage 66a ist an der ersten Lage 64a der elektrischen Heizeinrichtung 58 positioniert und steht im direkten thermischen Kontakt mit dieser. Insbesondere ist die erste Lage 66a der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 auch mechanisch direkt mit der ersten Lage 64a der elektrischen Heizeinrichtung 58 verbunden.
Die zweite Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 sitzt an der zweiten Lage 64b der elektrischen Heizeinrichtung 58 und ist mit dieser thermisch und insbesondere auch mechanisch verbunden.
Insbesondere sind die erste Lage 66a und die zweite Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 gleich ausgebildet.
Die Führungseinrichtung 40 sitzt zwischen der ersten Lage 66a und der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54.
Entsprechend sitzt die elektrische Heizeinrichtung 58 mit ihrer ersten Lage 64a und ihrer zweiten Lage 64b zwischen der ersten Lage 66a und der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54.
Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 weist eine erste Lage 68a (erste Kaltwärmeübertragungslage) und eine zweite Lage 68b (zweite Kaltwärmeübertragungslage) auf. Die erste Lage 68a der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der ersten Lage 66a der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist thermisch mit dieser verbunden. Insbesondere ist sie mit dieser auch mechanisch verbunden.
Die zweite Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sitzt an der zweiten Lage 66b der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 und ist mit dieser thermisch verbunden und insbesondere auch mechanisch verbunden.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 ist zwischen der ersten Lage 68a und der zweiten Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 positioniert. Entsprechend ist auch die elektrische Heizeinrichtung 58 mit ihrer ersten Lage 64a und ihrer zweiten Lage 64b sowie die Führungseinrichtung 40 zwischen der ersten Lage 68a und der zweiten Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 positioniert.
Die erste Lage 68a und die zweite Lage 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind grundsätzlich gleich ausgebildet.
Die elektrische Heizeinrichtung 58 weist in ihren Heizlagen 64a, 64b jeweils einen Wärmespeicher 70 auf. Der Wärmespeicher 70 umfasst ein Wärmespeichermaterial 72.
Insbesondere ist das Wärmespeichermaterial 72 ein Phasenwechselmedium (PCM), so dass in dem entsprechenden Wärmespeicher 70 auch latente Wärme gespeichert werden kann.
Die elektrische Heizeinrichtung 58 weist ein oder mehrere Stromdurchflusselemente 74 beispielsweise in Spulenform auf, wobei ein solches Stromdurchflusselement 74 insbesondere in Wärmespeichermaterial 72 positioniert ist beziehungsweise eingebettet ist.
Ein Stromdurchflusselement 74 lässt sich mit elektrischem Strom beaufschlagen. Es lässt sich dadurch Ohmsche Wärme erzeugen. Zur Ansteuerung der Stromdurchflusselemente 74 der elektrischen Heizeinrichtung 58 ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 vorgesehen, an welcher die Stromdurchflusselemente 74 der ersten Heizlage 64a und zweiten Heizlage 64b angeschlossen sind.
Insbesondere ist durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 eine synchrone Strombeaufschlagung der elektrischen Heizeinrichtung 58 an ihren Heizlagen 64a und 64b realisierbar.
Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels ist es vorgesehen, dass die elektrische Heizeinrichtung 58 direkt thermisch an die Katalysatoreinrichtung 44 gekoppelt ist. Eine solche Kopplung ist in 2 durch das Bezugszeichen 78 angedeutet.
Beispielsweise erstreckt sich dann die erste Heizlage 64a und erstreckt sich die zweite Heizlage 64b auch in den dritten Bereich 42 des Gehäuses 20, wobei dann auch hier das Material einer Gehäusewandung eine entsprechende hohe thermische Leitfähigkeit und insbesondere metallische thermische Leitfähigkeit aufweist, um eine entsprechende thermische Kopplung der elektrischen Heizeinrichtung 58 an den dritten Bereich 42 mit der Katalysatoreinrichtung 44 zu ermöglichen.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist in ihren thermoelektrischen Modullagen 66a, 66b insbesondere eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen auf. Die jeweiligen thermoelektrischen Module weisen eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite auf, wobei die erste Seite thermisch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 kontaktiert und die zweite Seite thermisch die elektrische Heizeinrichtung 58 kontaktiert. Insbesondere sind beispielsweise alternierend n-Leiter und p-Leiter über eine elektrisch leitende Brücke miteinander verbunden angeordnet. Die Brücke ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt. Über die thermoelektrischen Module der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 ist in bestimmten Betriebsmodi der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 ein Wärmestrom erzeugbar, welcher insbesondere mindestens näherungsweise parallel zu der ersten Richtung 62 orientiert ist. Dieser Wärmestrom liegt an den entsprechenden thermoelektrischen Modulen an. Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden.
In 2 ist eine Leitung 80 angedeutet, über die nutzbarer elektrischer Strom abführbar ist.
Es ist grundsätzlich auch möglich, wie untenstehend noch näher beschrieben wird, die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagen und mittels des Peltier-Effekts die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 für Kühlzwecke einzusetzen.
Insbesondere ist ein Steuerelement 82 vorgesehen, welches wiederum durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 ansteuerbar ist. Bei entsprechender Ansteuerung lässt sich dann über das Steuerelement 82 eine Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 erreichen, oder es lässt sich ein nutzbarer elektrischer Strom auskoppeln.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 weist entsprechende elektrische Anschlüsse auf.
Die Lagen 68a, 68b der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 sind mit einem Kühlmedium durchströmbar. Entsprechend weist die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 an ihren jeweiligen Lagen 68a, 68b Fluidanschlüsse 84 auf.
Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 ist in einen entsprechenden Kühlmittelkreislauf 86 integriert, an dem insbesondere eine Pumpe 88 angeordnet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Kühlmittelkreislauf 86 mit der Pumpe 80 eine Klimatisierungseinrichtung oder ein Teil einer Klimatisierungseinrichtung insbesondere eines Fahrzeugs.
Die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 lässt sich in unterschiedlichen Betriebsmodi je nach Bedarf betreiben. Diese verschiedenen Betriebsmodi ergeben sich durch die beschriebene Anordnung der Komponenten Führungseinrichtung 40, Katalysatoreinrichtung 44, thermoelektrische Moduleinrichtung 54, Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 und elektrische Heizeinrichtung 58 wie oben beschrieben.
Insbesondere ist die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 in einem Fahrzeug und dabei in einem Hybridfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Automatik oder einem Fahrzeug mit Abgasturbolader eingesetzt, wobei dann das Heißgas, welches durch die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 genutzt werden kann, ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist.
In einem Betriebsmodus, welcher schematisch in 3 erläutert ist, wird die elektrische Heizeinrichtung 58 betrieben, indem ihr elektrische Leistung Pel insbesondere aus einer Batterie zugeführt wird. Es kann beispielsweise auch ein Heizbetrieb über Zuführung von elektrischem Strom aus einer stationären Ladestation erfolgen.
An der elektrischen Heizeinrichtung 48 wird in diesem Betriebsmodus der Wärmespeicher 70 aufgeladen. Er kann dann durch die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 hindurch thermische Energie an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 abgeben.
Es lässt sich dadurch thermische Energie in eine Klimatisierungsanlage des Fahrzeugs eintragen. Dadurch lässt sich beispielsweise, auch wenn das Fahrzeug nicht in einem Fahrbetrieb ist, ein temperiertes Fahrzeug bei Fahrantritt erreichen. Es lässt sich dadurch eine Art von Standheizungsfunktion realisieren, wobei der Heizbetrieb elektrisch über die elektrische Heizeinrichtung 58 ist.
In einem elektrischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs ist durch die Heizeinrichtung 58 eine Wärmequelle bereitgestellt.
Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 4 schematisch gezeigt ist, wird das Gehäuse 20 und damit auch die Führungseinrichtung 40 sowie der Katalysator 44 von Heißgas (insbesondere Abgas) durchströmt. Diese Durchströmung ist in 4 durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 90 angedeutet.
Zuvor oder beim Einbringen von Heißgas wird die elektrische Heizeinrichtung 58 betrieben, indem ihr entsprechende elektrische Leistung Pel zugeführt wird. Durch diesen Vorgang lässt sich die Führungseinrichtung 40 und darin geführtes Heißgas aufwärmen. Alternativ oder zusätzlich wird die Katalysatoreinrichtung 44 aufgewärmt.
Dadurch erreicht bei einem transienten Vorgang (beispielsweise für einen Übergang von einem elektrischen Fahrbetrieb auf einen Verbrennungsmotor-Fahrbetrieb) die Katalysatoreinrichtung 44 schneller ihre optimale Betriebstemperatur, da sie direkt aufgeheizt wird, oder ihr durch die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 vorgeheiztes Heißgas bereitgestellt wird. Diese Heizung erfolgt über die elektrische Heizeinrichtung 58.
Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 5 schematisch gezeigt ist, wird der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 "stabil" Heißgas bereitgestellt.
Beispielsweise befindet sich das Fahrzeug in einem Verbrennungsmotor-Betrieb mit permanenter Abgaserzeugung. Die Temperatur des Katalysators 44 ist ausreichend hoch.
In diesem Betriebsmodus wird die elektrische Heizeinrichtung 58 nicht betrieben.
Über das Heißgas wird Wärme in die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 durch die elektrische Heizeinrichtung 58 mit dem Wärmespeichermaterial 72 hindurch eingetragen. Bei entsprechender Kühlung über die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 56 entsteht ein Wärmestrom (in 5 durch das Bezugszeichen 92 angedeutet), welcher aufgrund des Seebeck-Effekts dazu führt, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 einen nutzbaren elektrischen Strom erzeugt, das heißt von dieser ist elektrische Leistung Pel abgreifbar.
Diese elektrische Leistung wird beispielsweise dazu genutzt, elektrische Verbraucher in dem Fahrzeug zu bedienen oder eine Batterie aufzuladen.
Die Katalysatoreinrichtung 44 sorgt für eine Abgasreinigung bei der Durchströmung von Abgas.
Bei einem weiteren Betriebsmodus, welcher in 6 angedeutet ist, ist die elektrische Heizeinrichtung 58 nicht im Betrieb.
Die Führungseinrichtung 40 wird mit Heißgas durchströmt, wobei in einem Ausgangsmaterial eingekoppeltes Heißgas eine zu hohe Temperatur hat, die dazu führen würde, dass die Katalysatoreinrichtung 44 eine Grenztemperatur erreicht. (In 6 ist dies durch das Bezugszeichen 90' angedeutet.)
Dieser Betriebsfall kann in einem verbrennungsmotorischen Fahrbetrieb des Fahrzeugs erreicht werden.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 wird jetzt als Kühlsystem genutzt. Sie wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt (durch Einwirkung der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 auf das Steuerelement 82), um über den Peltier-Effekt eine Kühlwirkung zu erzielen. Die thermische Kopplung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 über die elektrische Heizeinrichtung 58 hindurch an die Führungseinrichtung 40 bewirkt eine Abkühlung des Heißgas, wobei die Abkühlung derart gesteuert beziehungsweise geregelt ist, dass eine Schwellentemperatur beziehungsweise ein Schwellentemperaturbereich für die Katalysatoreinrichtung 44 nicht überschritten wird.
In diesem Betriebsmodus wird die thermoelektrische Moduleinrichtung 54 genutzt, um die Temperatur des Heißgases, welches die Führungseinrichtung 40 durchströmt, abzusenken, und damit die Temperatur der Katalysatoreinrichtung 44 abzusenken.
Die entsprechenden Betriebsmodi lassen sich über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 76 einstellen beziehungsweise steuern und/oder regeln.
Durch die erfindungsgemäße Heißgasnutzungsvorrichtung lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi realisieren. Beispielsweise können unterschiedliche Betriebsmodi bei einem Fahrzeug und insbesondere Hybridfahrzeug verwendet werden.
Ferner kann ein transientes Verhalten wie es insbesondere bei einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzyklus vorliegt, erfasst und im gewissen Sinne kompensiert werden. Beispielsweise kann bei ausreichender und nicht zu hoher Temperatur des Heißgases ein nutzbarer elektrischer Strom erzeugt werden und bei zu hoher Temperatur kann durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 54 eine Temperaturreduktion durchgeführt werden, um insbesondere eine Schwellentemperatur beziehungsweise ein Schwellentemperaturbereich für den Katalysator 44 nicht zu überschreiten.
Durch einen Betriebsmodus mit Aufheizung des Heißgases an der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 kann beispielsweise an einem Fahrzeug mit einem Abgasturbolader die erforderliche Katalysatortemperatur erreicht werden, ohne dass ein Anfetten eines Kraftstoff-Luft-Gemisches notwendig ist. Dieses Erreichen der Katalysatortemperatur lässt sich mit "internen" Mitteln der Heißgasnutzungsvorrichtung 10 erzielen.
Auch bei Hybridfahrzeugen kann ein häufiges Abschalten eines Verbrennungsmotors zu niedrigen Katalysatortemperaturen und einer hieraus resultierenden schlechten Umwandlungsrate für die Abgasnachbehandlung führen. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich, wie oben beschrieben, durch "interne" Mittel die erforderliche Temperatur erreichen und auch gesteuert einstellen beziehungsweise aufrechterhalten.
Weiterhin weist die Heißgasnutzungsvorrichtung 10 über die elektrische Heizeinrichtung 58 eine Wärmequelle auf, welcher wirksam eingesetzt werden kann, wenn kein Heißgasbetrieb vorliegt. So kann beispielsweise eine Art von Standheizung zur Temperierung einer Fahrgastzelle und anderer Komponenten eines Fahrzeugs bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Heißgasnutzungsvorrichtung
20: Gehäuse
22: Eingang
24: Ausgang
26: Richtung
28: Erster Bereich
30: Diffusor
32: Bereich
34: Ende
36: Zweite Richtung
38: Zweiter Bereich
40: Führungseinrichtung
42: Dritter Bereich
44: Katalysatoreinrichtung
46: Vierter Bereich
48: Ende
50: Konzentrator
52: Funktionseinheit
54: Thermoelektrische Moduleinrichtung
56: Kaltwärmeübertragungseinrichtung
58: Elektrische Heizeinrichtung
60: Außenseite
62: Erste Richtung
64a: Erste Heizlage
64b: Zweite Heizlage
66a: Erste thermoelektrische Modullage
66b: Zweite thermoelektrische Modullage
68a: Erste Kaltwärmeübertragungslage
68b: Zweite Kaltwärmeübertragungslage
70: Wärmespeicher
72: Wärmespeichermaterial
74: Stromdurchflusselement
76: Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
78: Kopplung
80: Leitung
82: Steuerelement
84: Fluidanschluss
86: Kühlmittelkreislauf
88: Pumpe
90: Durchströmung
90': Durchströmung
92: Wärmestrom

Claims

Heißgasnutzungsvorrichtung, umfassend eine Führungseinrichtung (40) für Heißgas, eine Katalysatoreinrichtung (44) für Heißgas, welche fluidwirksam mit der Führungseinrichtung (40) verbunden ist und der Führungseinrichtung (40) strömungsmäßig nachgeschaltet ist, eine thermoelektrische Moduleinrichtung (54), welche thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gekoppelt ist, und eine elektrische Heizeinrichtung (58), welche thermisch an die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und thermisch an die Führungseinrichtung (40) gekoppelt ist.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) mindestens eine thermoelektrische Modullage (66a; 66b) aufweist und die elektrische Heizeinrichtung (58) mindestens eine Heizlage (64a; 64b) aufweist, wobei die mindestens eine Heizlage (64a; 64b) zwischen der Führungseinrichtung (40) und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage (66a; 66b) angeordnet ist und thermisch mit der Führungseinrichtung (40) und der mindestens einen thermoelektrischen Modullage (66a; 66b) verbunden ist.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) mindestens eine Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) aufweist, wobei die mindestens eine thermoelektrische Modullage (66a; 66b) zwischen der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) und der mindestens einen Heizlage (64a; 64b) angeordnet ist und mit der mindestens einen Kaltwärmeübertragungslage (68a; 68b) und der mindestens einen Heizlage (64a; 64b) thermisch verbunden ist.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (58) eine Wärmespeichereinrichtung (70) aufweist, in welcher ein Wärmespeichermaterial (72) angeordnet ist, wobei insbesondere das Wärmespeichermaterial (72) ein Phasenwechselmedium ist.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (72) in thermischer Verbindung mit der Fluidführungseinrichtung (40) und der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) steht.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (58) ein oder mehrere Stromdurchflusselemente (74) umfasst, welche von Wärmespeichermaterial (72) umgeben sind.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (58) und Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) thermisch miteinander verbunden sind.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidführungseinrichtung (40) an einem Diffusor (30) für Heißgas angeordnet oder gebildet ist.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus ohne Heißgasdurchströmung, bei dem die elektrische Heizeinrichtung (58) in einem Heizbetrieb ist und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) heizt und/oder ein Wärmespeichermaterial (72) der elektrischen Heizeinrichtung (58) thermisch auflädt.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung (58) in einem Heizbetrieb ist und Heißgas der Katalysatoreinrichtung (44) zugeführt ist, wobei Heißgas durch die elektrische Heizeinrichtung (58) aufgeheizt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung (58) Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) heizt.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei dem die elektrische Heizeinrichtung (58) nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung (40) von Heißgas durchströmt ist, wobei die Fluidführungseinrichtung (40) als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) wirkt und an der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) nutzbarer elektrischer Strom erzeugt wird.
Heißgasnutzungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betriebsmodus, bei welchem die elektrische Heizeinrichtung (58) nicht im operativen Betrieb ist und die Fluidführungseinrichtung (40) mit Heißgas durchströmt ist, wobei durch Strombeaufschlagung der thermoelektrischen Moduleinrichtung (54) diese als Kühleinrichtung wirkt und Heißgas kühlt und/oder Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) kühlt.
Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor und eine Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als Heißgas Abgas des Verbrennungsmotors zugeführt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) an eine Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs angeschlossen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug dem Verbrennungsmotor zugeordnet eine Start-Stopp-Automatik und/oder einen Abgasturbolader und/oder einen zusätzlichen Elektroantrieb aufweist.
Verfahren zum Betreiben der Heißgasnutzungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, welches mindestens einen der folgenden Betriebsmodi aufweist: (i) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird in einem Heizbetrieb betrieben und Kühlmedium der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) wird mittels der elektrischen Heizeinrichtung aufgeheizt, wobei keine Heißgasdurchströmung der Fluidführungseinrichtung (40) erfolgt; (ii) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird in einem Heizbetrieb betrieben und heizt Heißgas auf, welches der Katalysatoreinrichtung (44) zugeführt wird und/oder die elektrische Heizeinrichtung (58) heizt Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) auf; (iii) Die elektrische Heizeinrichtung (58) wird nicht operativ betrieben, die Fluidführungseinrichtung (40) wirkt als Heißwärmeübertrager für die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) und die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) wird mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, wobei dann die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) als Kühleinrichtung für das Heißgas und/oder die Katalysatoreinrichtung (44) wirkt.
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen weiteren Betriebsmodus, bei dem die Fluidführungseinrichtung (40) als Heißwärmeübertrager wirkt und die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) einen nutzbaren elektrischen Strom bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass über die elektrische Heizeinrichtung (58) und/oder die thermoelektrische Moduleinrichtung (54) gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Katalysatoreinrichtung (44) an einem bestimmten Betriebspunktbereich bezüglich einer Katalysatortemperatur betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung (58) an der elektrischen Heizeinrichtung (58) ein Wärmespeichermaterial (72) aufgeheizt wird, welches Wärme an die Kaltwärmeübertragungseinrichtung (56) abgibt und/oder Wärme an Heißgas in der Fluidführungseinrichtung (40) abgibt und/oder Wärme an Katalysatormaterial der Katalysatoreinrichtung (44) abgibt.