Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die europäische Patentanmeldung EP 1 475 532 A2 hingewiesen. Aus dieser ist eine Brennkraftmaschine bekannt mit einer Sauganlage und einer Abgasanlage, wobei die Abgasanlage und die Sauganlage über eine Abgasrückführeinrichtung miteinander gasführend verbunden sind. An die Abgasrückführeinrichtung ist ein thermoelektrischer Generator angeordnet, um aus der Abgaswärmeenergie Strom zu gewinnen. Um eine optimale Wärmezufuhr zu dem thermoelektri- schen Generator über die Abgasrückführleitung zu gewährleisten, sind vor und hinter dem thermoelektrischen Generator in der Abgasrückführleitung Ventile angeordnet, die von einem Steuergerät betriebspunktabhängig angesteuert werden. Um eine optimale Temperaturdifferenz zwischen der Heißseite und der Kaltseite des thermoelektrischen Generators zu erzielen, ist der thermoelektrische Generator mit seiner Kaltseite an einen Kühlmittelkreislauf angebunden.

Weiter ist aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 7012009 A2, von der diese Erfindung ausgeht, die Anordnung von thermoelektrischen Generato-

ren an die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Abgasstrang in mehrere, parallele abgasführende Zweige aufgeteilt ist. An jedem dieser Zweige sind zwei thermoelektrische Generatoren angeordnet, wodurch eine optimale Stromerzeugung bei geringsten Abgasgegendrücken erzielbar ist. Weiter kann mit dieser verzweigten Abgasanlage deutlich Bauraum eingespart werden.

Nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung von thermoelektrischen Generatoren ist der relativ schmale Drehzahl- bzw. Lastbereich der Brennkraftmaschine, in dem die thermoelektrischen Generatoren optimal funktionieren, da der Wirkungsgrad sehr stark von der Abgastemperatur abhängig ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr einer überhitzung, wenn die Brennkraftmaschine über längere Zeit in einem hohen Drehzahlbzw. Lastbereich betrieben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannte Nachteile zu vermeiden sowie den Wirkungsgrad der Stromerzeugung mit thermoelektrischen Generatoren zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

In einer einfachsten Ausführungsform ist der thermoelektrische Generator mit dem Wärmetauscher mit der geringeren Wärmeleitfähigkeit brennkraftma- schinennah und der zweite thermoelektrische Generator mit einem Wärmetauscher mit der höheren Wärmeleitfähigkeit brennkraftmaschinenfem angeordnet. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass der erste thermoelektrische Generator durch eine überhitzung mit zu heißem Abgas zerstört wird, wobei gleichzeitig der zweite thermoelektrische Generator mit dem Wärmetauscher mit der höheren Wärmeleitfähigkeit, der mit dem bereits abgekühlten, kälteren Abgas in Wirkverbindung steht, durch die erfindungsgemäße

Maßnahme einen höheren Wirkungsgrad bei niedrigeren Temperaturen aufweist.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 wird ein sehr guter Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erzielt.

Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsvariante.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 wird für die zweite besonders bevorzugte Ausführungsvariante ebenfalls ein sehr guter Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung erzielt.

Die Steuerung gemäß Patentanspruch 6 ist besonders bevorzugt. Ist das Steuergerät ein Brennkraftmaschinensteuergerät erlaubt dies in vorteilhafter Weise auch eine Kennfeldsteuerung.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 7 wird ein optimales Temperaturgefälle zwischen der Heißseite und der Kaltseite des thermoelektrischen Generators erzielt.

Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 8 wird eine sehr schnelle Aufheizung der thermoelektrischen Generatoren erreicht.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform für eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform für eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Im Folgenden gelten für gleiche Bauelemente in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern.

Unter thermoelektrischer Generator (TEG) wird im Folgenden ein Halbleiterbauelement verstanden, welches bei einer Temperaturdifferenz zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite Strom erzeugt. Da thermoelektrische Generatoren bereits aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind, werden diese in der vorliegenden Anmeldung nicht näher erläutert. Weiter kann unter einem thermoelektrischen Generator ein einzelnes Halbleiterbauelement verstanden werden sowie eine Verschaltung von mehreren einzelnen Halbleiterbauelementen zu einem Paket.

Fig. 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1 für eine Brennkraftmaschine 2. An die Brennkraftmaschine 2 ist eine anfangs zweiflutige Abgasanlage 1 angeordnet, wobei jeder Flut eine Abgasreinigungsanlage 10 zugeordnet ist. In Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 2, nach den Abgasreinigungsanlagen 10 ist die Abgasanlage 1 einflutig ausgelegt. Anschließend weist die Abgasanlage einen ersten Bypass V auf, in dem ein erster thermoelektrischer Generator 3 angeordnet ist. Hinter dem ersten thermoelektrischen Generator 3 ist ein Verschlusselement 5 im Bypass V angeordnet. Nach dem Verschlusselement 5 mündet der erste Bypass V wieder gasführend in die Abgasanlage 1. Anschließend weist die Abgasanlage 1 einen zweiten Bypass 1" auf, in dem ein zweiter thermoelektrische Generator 4 angeordnet ist. Hinter dem zweiten thermoelektrischen Generator 4 ist ebenfalls ein Ver-

Schlusselement 5 im zweiten Bypass angeordnet, bevor der zweite Bypass 1" wieder gasführend in die Abgasanlage 1 mündet. Anschließend sind in der Abgasanlage 1 in Strömungsrichtung des Abgases zuerst ein nicht bezifferter Mittelschalldämpfer und anschließend ein ebenfalls nicht bezifferter Nachschalldämpfer angeordnet. Weiter ist parallel zum zweiten Bypass 1" in der Abgasanlage 1 ein Verschlusselement 5' für die Abgasanlage 1 angeordnet.

Die Verschlusselemente 5, 5' sind über ein Steuergerät 6, beispielsweise einem Brennkraftmaschinensteuergerät, vorzugsweise vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abhängig über ein Kennfeld, ansteuerbar. Während die Heißseiten der thermoelektrischen Generatoren 3, 4 an die Abgasanlage 1 angeordnet und von dem Abgas der Brennkraftmaschine 2 aufheizbar sind, sind die Kaltseiten der thermoelektrischen Generatoren 3, 4 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Kühlmittelkreislauf 7 in Wirkverbindung. Der Kühlmittelkreislauf 7 weist eine Kühlmittelpumpe 8 zur Förderung des Kühlmittels sowie zwei Wärmetauscher 9 zur Kühlung des Kühlmittels auf.

Jeder thermoelektrische Generator 3, 4 weist zwischen seiner Heißseite und seiner Kaltseite einen Wärmetauscher mit einer bestimmten Wärmeleitfähigkeit auf. Erfindungsgemäß ist die Wärmeleitfähigkeit Wärmetauschers des brennkraftmaschinennahen thermoelektrischen Generators 3 geringer als die des Wärmetauschers des zweiten thermoelektrischen Generators 4. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasanlage 1 wird der erste thermoelektrische Generator 3 mit einem heißeren Abgas beaufschlagt als der zweite thermoelektrische Generator 4. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der Wärmetauscher wird der Effekt, d. h. die Abkühlung des Abgases über die Länge der Abgasanlage 1, kompensiert, wodurch der Wirkungsgrad für die Gewinnung von elektrischen Strom der gesamten Anordnung deutlich vergrößert wird. Wird das Abgas bei bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine zu heiß, so wird das Verschlusselement 5

hinter dem ersten thermoelektrischen Generator 3 geschlossen, so dass eine überhitzung sicher vermieden ist. Das heiße Abgas wird nun nur noch durch den zweiten thermoelektrischen Generator 4 geleitet, der aufgrund des mittlerweile abgekühlten Abgases immer noch voll einsetzbar ist. Werden Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine noch weiter erhöht, so kann auch der Abgasmassenstrom durch den zweiten thermoelektrischen Generator 4 mit dem Verschlusselement 5 hinter dem zweiten thermoelektrischen Generator 4 abgeschaltet werden. Somit sind beide thermoelektrischen Generatoren 3, 4 vor einer überhitzung sicher bewahrt. Mit dem Verschlusselement 5' in der Abgasanlage 1 kann in vorteilhafter Weise der gesamte Abgasmassenstrom durch die thermoelektrischen Generatoren 3, 4 geleitet werden, für eine schnellstmögliche Aufheizung zur Stromerzeugung.

In weiteren Ausführungsbeispielen können auch noch weitere thermoelektri- sche Generatoren in weiteren Bypässen vorgesehen werden, die wiederum Wärmetauscher mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Auch ist es möglich unter bestimmten Umständen auf den Kühlmittelkreislauf 7 zu verzichten, wenn beispielsweise eine Luftkühlung vorgesehen wird. Auch eine Reduzierung der zwei Wärmetauscher 9 auf einen einzigen großen Wärmetauscher oder mehr kleinere Wärmetauscher ist möglich. Auch können die Abgasreinigungsanlagen 10 in anderen Ausführungsbeispielen an anderen Orten in der Abgasanlage 1 integriert sein. Auch die Anordnung der Verschlusselemente 5, 5' kann in anderen Ausführungsbeispielen derart gestaltet werden, dass sie beispielsweise in Strömungsrichtung des Abgases vor den thermoelektrischen Generatoren 3, 4 angeordnet sind. Als Verschlusselemente 5, 5' können beispielsweise Abgasklappen oder Drehschieber zum Einsatz kommen. Bevorzugt weisen die Abgasanlage 1 und die Bypässe V, 1" für geringste Strömungsverluste die gleichen Abgas-Durchflussquerschitte auf.

Fig. 2 zeigt schematisch in zweites besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Abgasanlage 1 für die Brennkraftmaschine 2. Das zweite besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel in Fig. 1 dadurch, dass die thermoelektrischen Generatoren 3, 4, 11 (in diesem Ausführungsbeispiel kommen drei thermoelektrische Generatoren zum Einsatz) in einem einzigen, gegabelten Bypass 1'" parallel zueinander angeordnet sind. Wie bereits im ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen auch beim zweiten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die thermoelektrischen Generatoren 3, 4, 11 jeweils Wärmetauscher mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten auf. Somit kann das Abgas mit Hilfe der Verschlusselemente 5, die in Strömungsrichtung des Abgases hinter den thermoelektrischen Generatoren 3, 4, 11 angeordnet sind, entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, d. h. abhängig von der Drehzahl bzw. von dem angeforderten Drehmoment, somit entsprechend der Abgastemperatur, jeweils einem oder auch zwei oder, wenn das Verschlusselement 5' in der Abgasanlage 1 geschlossen ist, auch durch alle drei thermoelektrischen Generatoren 3, 4, 11 geleitet werden. Sollte das Abgas aufgrund eines Betriebszustandes der Brennkraftmaschine durch hohe Last oder Drehzahl zu heiß werden, so dass eine thermische Zerstörung zumindest eines thermoelektrischen Generators 3, 4, 11 erfolgen könnte, können die Verschlusselemente 5 vollständig geschlossen werden, wobei dann nur noch, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, der Abgasstrang 1 mit heißem Abgas durchströmt wird. Somit ist die thermische Zerstörung der thermoelektrischen Generatoren 3, 4, 11 sicher vermieden. Des Weiteren gelten sämtliche Ausführungen zum ersten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel auch für das zweite besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel.

Eine praktische Anordnung des zweiten besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles könnte folgendermaßen aussehen:

Erster TEG 3: Sehr aggressiver Heißgas-Wärmetauscher (beispielsweise hohe Rippendichte), maximale Leistung des ther- moelektrischen Generators 3 im Bereich 30 - 70 km/h eines Fahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1.

Zweiter TEG 4: Gegenüber Stufe 1 reduzierte Leistung des Heißgas- Wärmetauschers (z. B. reduzierte Rippendichte, Rippentyp), maximale Leistung des thermoelektrischen Generators im Bereich von 70 bis 130 km/h des Fahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1.

Dritter TEG 11: Sehr schwacher Heißgaswärmetauscher, maximale Leistung des thermoelektrischen Generators im Bereich von 130 bis 180 km/h des Fahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1.

Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgasanlage 1 :

Gegenüber einem einstufigen TEG deutlich breiteres Einsatzspektrum.

Durch optimierten Niedertemperatur TEG (Wärmetauscher mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit) auch Nutzen im Stadtverkehr bzw. bei Niedriglastphasen (Geschwindigkeitsbereich von ca. 30 bis ca. 70 km/h)

Durch optimierten Hochtemperatur TEG (Wärmetauscher mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit) thermische Rekuperation auch bei relativ hohen Geschwindigkeiten möglich, keine überlastung des thermoelektrischen Materials, kein Gegendruckproblem durch schwa-

chen Heißgaswärmetauscher (Geschwindigkeitsbereich von ca. 130 bis ca. 180 km/h)

Optimierung des thermoelektrischen Generators im mittleren Geschwindigkeitsbereich (Geschwindigkeitsbereich von ca. 70 bis ca. 130 km/h) mit dem Ziel, einen optimalen Gesamtnutzen in dem Geschwindigkeitsfenster, das am meisten gefahren wird, zu erzielen.

Bezuqszeichenliste:

1. Abgasanlage

V erster Bypass

1" zweiter Bypass

V" dritter Bypass

2. Brennkraftmaschine

3. erster TEG

4. zweiter TEG

5. Verschlusselement

5' Verschlusseiement Abgasanlage

6. Steuergerät

7. Kühlmittelkreislauf

8. Kühlmittelpumpe

9 Wärmetauscher

10. Abgasreinigungsanlage

11. dritter TEG