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DE102006019282A1 - Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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DE102006019282A1
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Abstract

Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (10) mit einem Abgasstrang (2) und einem Frischluftstrang (3), wobei der Abgasstrang (2) und der Frischluftstrang (3) abgasführend von einer Abgasrückführleitung (4) verbunden sind, wobei an die Abgasrückführleitung (4) ein Abgaskühler (5) angeordnet ist und wobei an die Abgasrückführleitung (4) ein thermoelektrischer Generator (6) angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird mit einem minimalen apparativen Aufwand ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Verfügung gestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 57 925 A1 aus. In dieser ist ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Brennkraftmaschine weist ein Ansaugsystem und ein Abgassystem auf, wobei das Ansaugsystem und das Abgassystem über eine Abgasrückführleitung abgasführend miteinander verbunden sind. In der Abgasrückführleitung ist ein Abgaskühler angeordnet. In Strömungsrichtung des Abgases ist im Abgasstrang hinter der Abgasrückführleitung eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet. Die Turbine treibt einen Verdichter des Abgasturboladers an, der Frischluft in die Brennkraftmaschine fördert. Zum Abkühlen der Frischluft vor der Zufuhr zur Brennkraftmaschine ist zusätzlich im Ansaugtrakt stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler vorgesehen.
  • Ferner ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 015 016 A1 bekannt, einen thermoelektrischen Generator an den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine anzuordnen. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Abgasstrang und der Umgebungstemperatur ist dieses Modul in der Lage, thermoelektrische Energie zu liefern, die für unterschiedliche Verbraucher in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann.
  • Nachteilig bei dieser genannten Ausgestaltung ist der hohe bauliche und apparative Aufwand, um den thermoelektrischen Generator zur Energiegewinnung an den Abgasstrang anzuordnen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, um mit minimalem apparativen Aufwand einen thermoelektrischen Generator an eine Brennkraftmaschine anzuordnen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise der ohnehin vorhandene Abgaskühler gleichzeitig als Wärmetauscher für den thermoelektrischen Generator dienen, wodurch ein separater, zusätzlicher Wärmetauscher entfällt. Auch ein teilweiser oder vollständiger Ersatz ist denkbar. Da der thermoelektrische Generator ebenfalls eine Kühlwirkung auf das rückgeführte Abgas ausübt, ist in vorteilhafter Weise bei der Auslegung des Abgaskühlers eine Reduzierung der Baugröße möglich.
  • In einer einfachsten Ausführungsform wird der thermoelektrische Generator gemäß Patentanspruch 2 von der Umgebungsluft gekühlt. Hierzu wird in einfacher Art und Weise der Wärmetauscher in einem Bereich angeordnet, der beim Betrieb des Kraftfahrzeuges einer Luftbewegung ausgesetzt ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3. Bei dieser baulichen Variante wird der Wärmetauscher des thermoelektrischen Generators in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine mit eingebunden.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 hat den Vorteil, dass am thermoelektrischen Generator höhere Abgastemperaturen als am Abgaskühler anliegen und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
  • Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 minimiert den baulichen Aufwand nochmals.
  • Auch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 erhöht den Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators.
  • Eine weitere sowohl bauliche als auch apparative Minimierung ist gemäß Patentanspruch 7 gegeben. Das Kühlmittel wird in vorteilhafter Weise ebenfalls zuerst durch den thermoelektrischen Generator und dann über den in Reihe geschalteten Abgaskühler geleitet.
  • Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8 wird der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine erhöht.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 9 wird der elektrische Wirkungsgrad verbessert.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 10 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert, wodurch der Wärmeübergang im Thermoelektrischen Generator verbessert wird.
  • Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 11 wird das Abgas gezielt auf den Thermoelektrischen Generator geleitet, wodurch ebenfalls der elektrische Wirkungsgrad verbessert wird.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele in drei Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch den Funktionsaufbau eines erfindungsgemäß ausgestatteten Abgasrückführsystems.
  • 2 zeigt schematisch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
  • 3 zeigt schematisch ein besonders bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt schematisch ein Funktionsbild eines erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems 1. Eine Brennkraftmaschine 10 weist einen Abgasstrang 2 sowie einen Ansaugstrang 11 auf. Im Abgasstrang 2 ist die Turbine 8' eines Turboladers 8 angeordnet. Die Turbine 8' treibt einen im Frischluftstrang 3 angeordneten Verdichter 8'' des Turboladers an.
  • Beim Betrieb der Brennkraftmaschine fördert der Verdichter 8'' Frischluft durch den Frischluftstrang 3 zuerst durch einen Ladeluftkühler 15 und anschließend weiter in die Brennkraftmaschine 10. Dort wird die Frischluft mit einem Kraftstoff vermischt und verbrannt und als Abgas über den Abgasstrang 2 ausgeschoben. Zur Kühlung weist die Brennkraftmaschine einen Kühlmittelkreislauf 11 auf. Ein von der Brennkraftmaschine 10 aufgeheiztes Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe 12 durch den Kühlmittelkreislauf (großer Kühlmittelkreislauf) 11 gepumpt, zuerst in einen Kühlmittel-Wärmetauscher 14 und anschließend durch ein Mischventil 13 zur Pumpe 12 wieder zurück in die Brennkraftmaschine 10. In einem weiteren Teil des Kühlmittelkreislaufes 11, wird noch nicht aufgeheiztes Kühlmittel (Kaltstarphase, kleiner Kühlmittelkreislauf) von der Kühlmittelpumpe 11 ebenfalls durch das Mischventil 13 gepumpt und anschließend direkt zurück in die Brennkraftmaschine 10. Das Mischventil 13 bestimmt temperaturabhängig die Kühlmittel-Durchflussraten durch den kleinen Kühlmittelkreislauf und/oder durch den großen Kühlmittelkreislauf.
  • Weiter weist das Gesamtsystem ein Abgasrückführsystem 1 auf, welches den Abgasstrang 2 und den Frischluftstrang 3 abgasführend über eine Abgasrückrührleitung 4 miteinander verbindet. In der Abgasrückführleitung 4 ist ein Abgaskühler 5 angeordnet. Erfindungsgemäß ist benachbart zum Abgaskühler 5 ein thermoelektrischer Generator 6 an die Abgasrückführleitung 4 angeordnet. Der thermoelektrische Generator 6 und der Abgaskühler 5 sind in der Darstellung beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet und ebenfalls mit Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf 11 der Brennkraftmaschine 10 durchströmt. Am Kühlmittelausgang des Gehäuses 7 befindet sich ein weiteres Mischventil 13, welches die Kühlmitteldurchflussmenge durch den thermoelektrischen Generator und den Abgaskühler 5 bestimmt.
  • Beim Betrieb der Brennkraftmaschine tritt heißes Abgas aus der Brennkraftmaschine 10 aus und verlässt zu einem großen Teil die Brennkraftmaschine durch den Abgasstrang 2. Ein Teil des Abgases wird an einer Ankoppelstelle 9, an der die Abgasrückführleitung 4 an den Abgasstrang 2 angeordnet ist, zum Frischluftstrang 3 der Verbrennung zurückgeführt. Durch das rückgeführte heiße Abgas wird in dem thermoelektrischen Generator 6 Strom erzeugt, der entweder einem Verbraucher direkt zugeführt werden kann bzw. in einem nicht dargestellten Akkumulator oder Kondensator für späteren Bedarf zwischengespeichert werden kann. Bei der Stromerzeugung wird dem rückgeführten Abgas Wärme entzogen, wodurch in vorteilhafter Weise der Abgaskühler 5 kleiner ausgelegt werden kann. Ferner ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein minimaler baulicher Aufwand erzielt.
  • Funktionsprinzip thermoelektrischer Generator:
  • Zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien sind thermisch und elektrisch leitend miteinander verbunden. Setzt man diese Materialpaarung einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle (Abgasrückführleitung 4) und einer Wärmesenke (Umgebungsluft, Kühlmittel) aus, bildet sich zwischen den beiden Materialschenkeln eine elektrische Spannung (Thermospannung). Durch Kombination einer Vielzahl von Materialpaarungen können bei entsprechend leistungsfähiger Wärmequelle und Wärmesenke wirtschaftlich nutzbare elektrische Leistungen erzielt werden. Der bei einem thermoelektrischen Generator ausgenutzte Effekt ist allgemein auch unter der Bezeichnung Seebeck-Effekt bekannt.
  • In 2 ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgasrückführsystems 1 dargestellt. In Strömungsrichtung des Abgases, schematisch mit einem dicken Pfeil dargestellt, ist an den Abgasstrang 2 zuerst der thermoelektrische Generator 6 und anschließend der Abgaskühler 5 angeordnet. Der thermoelektrische Generator 6 ist radial um den Abgasstrang 2, der Abgaskühler 5 ist in dem Abgasstrang 2 angeordnet. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch Matrix-Anordnungen vorgesehen werden. Der thermoelektrische Generator 6 und der Abgaskühler 5 sind räumlich voneinander getrennt, so dass zwischen ihnen noch ein Abschnitt des Abgasstranges 2 erkennbar ist. An den thermoelektrischen Generator 6 sind radial außen liegend am Umfang verteilt die eingangs erwähnten thermoelektrischen Module angeordnet. Zur Kühlung des thermoelektrischen Generators 6 sowie des Abgaskühlers 5 ist das Kühlmittel der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen. Das von dem in 1 dargestellten Kühlmittelwärmetauscher 14 abgekühlte Kühlmittel durchströmt in Strömungsrichtung des Abgases zuerst den thermoelektrischen Generator 6 und anschließend den Abgaskühler 5. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist ebenfalls schematisch durch Pfeile dargestellt.
  • In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante kann auch nur der Abgaskühler 5 von einem Kühlmittel gekühlt sein, während der thermoelektrische Generator 6 luftgekühlt ist.
  • In 3 ist eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäß ausgestalteten Abgasrückführsystems 1 dargestellt. Für gleiche Bauteile gelten die gleichen Bezugsziffern wie in den 1 und 2. Da sich die Ausführungsvariante in 3 nur durch eine bauliche Veränderung gegenüber der Ausführung in 2 unterscheidet, wird nur auf diesen Unterschied eingegangen. Bei der Ausführungsvariante in 3 sind der thermoelektrische Generator 6 und der Abgaskühler 5 in dem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet, wodurch der bauliche und apparative Aufwand für die erfindungsgemäße Ausgestaltung nochmals reduziert wird. Wie auch in 2 ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels entsprechend der Strömungsrichtung des Abgases, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, d. h. die Strömungsrichtung des Kühlmittels kann in anderen Ausführungsbeispielen auch entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Abgases sein.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Ankoppelstelle 9 der Abgasrückführleitung 4 an den Abgasstrang 2 in Strömungsrichtung des Abgases auch hinter dem Abgasturbolader 8 angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass die Ankoppelstelle 9 zwischen zwei Abgasturboladern angeordnet ist. Dies entspricht einer kombinierten Niederdruck- und Hochdruckabgasrückführung. Der thermoelektrische Generator 6 ist innerhalb des Abgasrückführsystems 1 bevorzugt in Abgasströmungsrichtung vor dem Abgaskühler 5 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass der thermoelektrische Generator 6 einer höheren Abgastemperatur als der Abgaskühler 5 ausgesetzt ist und damit ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
  • Die Kühlung des thermoelektrischen Generators 6 erfolgt bei den figürlich dargestellten Ausführungsvarianten über das Kühlmittel der Brennkraftmaschine 10. Auch eine Kühlung mit Luft ist möglich. Das Kühlmittel wird zunächst über den thermoelektrischen Generator 6 und dann über den in Reihe geschalteten Abgaskühler 5 geleitet. In das Abgasrückführsystem 1 ist ein Mischventil 13 integriert, das die Abgasrückführrate in bestimmten Fahrzu ständen abschaltet. So wird die Abgasrückführrate beispielsweise bei Volllast abgeschaltet, um das Kühlsystem zu entlasten. Diese bewährte Funktionalität kann für den thermoelektrischen Generator 6 beibehalten werden.
  • Die Abgasrückführtechnik wird multifunktional, wie bisher zur Emissionsreduzierung und zusätzlich zur Energierückgewinnung eingesetzt.
  • Der thermoelektrische Generator 6 und der Abgaskühler 5 können entweder separate Komponenten sein, oder über die Abgasrückführleitung 4 und die Kühlmittelführung verbunden sein. Im idealen Fall sind beide Komponenten in einer einzigen Komponente, im Gehäuse 7 integriert.
  • Da der thermoelektrische Generator 6 ebenfalls eine Kühlwirkung auf das rückgeführte Abgas ausübt, ist bei Auslegung des Abgaskühlers 5 eine Reduzierung der Baugröße möglich.
  • Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist vorzugsweise im Gleichstrom mit dem Abgas. Allerdings kann auch eine Lösung als Gegenstromwärmeübertrager nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Abgasrückführsystem 1 auch zwei oder mehrere Abgasrückführleitungen 4 aufweisen, wobei in jeder Abgasrückführleitung 4 ein Thermoelektrischer Generator 6 angeordnet ist. Mit dieser Ausgestaltung wird der elektrische Wirkungsgrad verbessert.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Thermoelektrischer Generator 6 ein Diffusor angeordnet sein. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verringert, wodurch der Wärmeübergang im Thermoelektrischen Generator verbessert wird. Weiter kann in dem Diffusor ein Strömungsleitelement, beispielsweise ein Leitblech oder auch mehrere Leitbleche angeordnet sein. Durch diese Anord nung wird das Abgas gezielt auf den Thermoelektrischen Generator geleitet, wodurch ebenfalls der elektrische Wirkungsgrad verbessert wird.
    • 1
    Abgasrückführsystem
    2
    Abgasstrang
    3
    Frischluftstrang
    4
    Abgasrückführleitung
    5
    Abgaskühler
    6
    Thermoelektrischer Generator
    6'
    Thermoelektrische Module
    7
    Gehäuse
    8
    Abgasturbolader
    8'
    Turbine
    8''
    Verdichter
    9
    Ankoppelstelle
    10
    Brennkraftmaschine
    11
    Kühlmittelkreislauf
    12
    Kühlmittelpumpe
    13
    Mischventil
    14
    Kühlmittelwärmetauscher
    15
    Ladeluftkühler

Claims (11)

  1. Abgasrückführsystem (1) für eine Brennkraftmaschine (10) mit einem Abgasstrang (2) und einem Frischluftstrang (3), wobei der Abgasstrang (2) und der Frischluftstrang (3) abgasführend von einer Abgasrückführleitung (4) verbunden sind, wobei an die Abgasrückführleitung (4) ein Abgaskühler (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Abgasrückführleitung (4) ein Thermoelektrischer Generator (6) angeordnet ist.
  2. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (6) von einer Umgebungsluft gekühlt ist.
  3. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (6) von einem Kühlmittel der Brennkraftmaschine gekühlt ist.
  4. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (6) in Strömungsrichtung eines Abgases vor dem Abgaskühler (5) an die Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist.
  5. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (6) und der Abgaskühler (5) von dem Kühlmittel gekühlt sind.
  6. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoelektrische Generator (6) in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Abgaskühler (5) an die Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist.
  7. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (5) und der Thermoelektrische Generator (6) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet sind.
  8. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Brennkraftmaschine (10) einen Abgasturbolader (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang (2) in Strömungsrichtung des Abgases vor und/oder nach einer Ankoppelstelle (9) der Abgasrückführleitung (4) eine Turbine (8') eines Abgasturboladers in dem Abgasstrang (2) angeordnet ist.
  9. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführsystem (1) zumindest zwei Abgasrückführleitungen (4) aufweist und in jeder Abgasrückführleitung (4) ein Thermoelektrischer Generator (6) angeordnet ist.
  10. Abgasrückführsystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Thermoelektrischer Generator (6) ein Strömungsquerschnitt für das Abgas von einem Diffusor aufgeweitet ist.
  11. Abgasrückführsystem nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Diffusor ein Strömungsleitelement angeordnet ist.
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