Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Unter dem Begriff „thermoelektrischer Generator" wird in der vorliegenden Patentanmeldung eine Vorrichtung verstanden, die mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke in thermischer Verbindung steht und die aus der Temperaturdifferenz unter Nutzung des aus der Physik bekannten „Seebeck- Effekts" eine elektrische Spannung bzw. einen elektrischen Strom erzeugt. Bei einem thermoelektrischen Generator handelt es sich also im Prinzip um eine physikalisch umgekehrt arbeitende Peltier-Anordnung.

Ein thermoelektrischer Generator weist zwei unterschiedliche Halbleiter- materialen auf, die, ähnlich wie in der Prinzip-Darstellung der Figur 2 gezeigt ist, thermisch und elektrisch leiten miteinander verbunden sind. Setzt man diese Materialpaarung einer Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke aus, bildet sich zwischen den beiden Materialschenkeln eine elektrische Spannung (Thermospannung). Durch Kombination einer Vielzahl solcher Elemente können mit einer entsprechend leistungsfähigen Wärmequelle wirtschaftlich nutzbare elektrische Leistungen erzielt werden.

Bei modernen Straßenfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden gegenwärtig etwa 2/3 der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme an

die Umgebung abgegeben. Es gibt bereits eine Vielzahl von Ansätzen, die sich mit der Nutzung dieser „Abwärme" befassen. In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2006 057 662.4 ist ein Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator beschrieben, der im Abgasstrang angeordnet ist und einen Teil der im Abgas enthaltenen Wärme in elektrische Energie umwandeln soll. Mit der Nutzbarmachung der im Abgas enthaltenen Energie befassen sich eine Vielzahl weiterer Patentanmeldungen, z.B. die US 4 673 863 A, DE 42 08 358 A1 , DE 41 18 979 A1 , JP 07012009 A, US 5 625 245, US 6 028 263 A, US 5 974 803, US 20030223919 A1 , DE 100 41 955 A1 , WO 2004/059138 A1 sowie WO 2005/020422 A1.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2005 058 202 A1 eine Anordnung bekannt, bei der mittels eines thermoelektrischen Generators Abwärme eines Motors in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei der thermoelektrische Generator an den Kühlwasserkreis des Motors angeschlossen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei abgestelltem Fahrzeug die in einzelnen Fahrzeugkomponenten gespeicherte Restwärme mittels eines in einfacher Weise und kompakt angeordneten thermoelektrischen Generators in elektrische Energie umzuwandeln.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer „Wärme abgebenden Komponente" und einem thermoelektrischen Generator. Bei der Wärme abgebenden Komponente kann es sich beispielsweise um den Fahrzeugmotor (Verbrennungsmotor) bzw. um dessen Motorblock bzw. Motorgehäuse handeln, um die ölwanne des Fahrzeugmotors oder um eine andere Komponente des Motors, die einen guten Wärmeübergang ermöglicht. Alternativ dazu kann es sich bei der Wärme abgebenden Korn-

ponente auch um ein Getriebe, wie z. B. ein Automatikgetriebe, Handschaltgetriebe, automatisiertes Getriebe, Verteilergetriebe, Achsgetriebe, o. ä. handeln. Der thermoelektrische Generator weist ein mit der „Wärme abgebenden Komponente" thermisch gekoppeltes „Wärme aufnehmendes Element" auf. Aus dem Temperaturgefälle zwischen dem Wärme aufnehmenden Element und einer Wärmesenke erzeugt der thermoelektrische Generator elektrische Energie. Die Wärmesenke kann z. B. durch die Umgebungsluft (Fahrtwind) oder durch ein Kühlmittel eines Kühlkreislaufs gebildet sein, an den das Wärme aufnehmende Element angeschlossen ist.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der thermoelektrische Generator mit seinem Wärme aufnehmenden Element unmittelbar an der Wärme abgebenden Komponente angeordnet und thermisch leitend damit verbunden ist. Dadurch wird in einfacher Weise ein guter Wärmeübergang zwischen der Wärme abgebenden Komponente und dem Wärme aufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators erreicht. Vorzugsweise sind die aneinander anliegenden Flächen der Wärme abgebenden Komponente und des Wärme aufnehmenden Elements jeweils aus einem Material hergestellt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Wärme aufnehmende Element des thermoelektrischen Generators könnte z.B. aus Kupfer hergestellt sein.

Die von dem thermoelektrischen Generator erzeugte elektrische Energie kann zum Laden eines im Fahrzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeichers, z. B. einer Batterie bzw. eines Kondensators aber auch unmittelbar zur Stromversorgung diverser im Fahrzeug vorgesehener elektrischer Verbraucher, wie z. B. der Hifi-Anlage, Klimaanlage, Gebläse etc. verwendet werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die von dem thermoelektrischen Generator erzeugte elektrische Energie dazu genutzt wird, einen im Fahrzeug vorgesehenen elektrischen Energiespeicher, z. B. eine Batterie oder einen Kondensator nach dem Abschalten des

Verbrennungsmotors warm zu halten. Beispielsweise kann eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen sein, die nach dem Abschalten des Fahrzeugs von dem thermoelektrischen Generator mit elektrischer Energie versorgt wird und z. B. die Batterie zumindest für eine gewisse Zeitdauer heizt bzw. warm hält.

Alternativ oder ergänzend dazu kann die nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors mittels des thermoelektrischen Generators erzeugte elektrische Energie auch dazu verwendet werden, bestimmte Komponenten, deren Betriebstemperatur beim erneuten Starten des Verbrennungsmotors verbrauchsrelevant ist, warm zu halten. So kann mit der nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors vom thermoelektrischen Generator erzeugten elektrischen Energie beispielsweise das Motoröl, das Kühlwasser beheizt werden oder verbrauchsrelevante Komponenten wie die Kurbelwelle, der Ventiltrieb, die Kolben etc. beheizt bzw. warm gehalten werden.

Zusammenfassend werden mit der Erfindung folgende Vorteile erreicht:

Ein Teil der Wärme, die im Fahrbetrieb über die Motoroberfläche an die Umgebungsluft abgegeben wird, kann in elektrische Energie umgewandet werden. Dadurch wird der Generator entlastet und Kraftstoff eingespart, was die Energiebilanz des Fahrzeugs verbessert.

Nach Abstellen des Fahrzeugs kühlt der Motor über einen Zeitraum von mehreren Stunden ab. Die im Motorblock gespeicherte Wärme wird über Strahlung und Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben. Mittels des thermoelektrischen Generators kann auch bei stehendem Fahrzeug ein Teil der im Motor gespeicherten Wärme in elektrische Energie umgewandet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen der thermo- elekthsche Generator in den Abgasstrang integriert ist, besteht bei einer Anbringung des thermoelektrischen Generators am Motorblock, am Getriebegehäuse oder am Achsgetriebegehäuse ein deutlich geringeres technisches Risiko.

Im Vergleich zu einem in den Abgasstrang integrierten thermoelektrischen Generators entstehen bei einer Anordnung unmittelbar am Motor aufgrund der geringen Temperaturschwankungen der Heißseite geringe Spannungsschwankungen, was den technischen Aufwand zur Glättung der elektrischen Spannung verringert.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung; und

Figur 2 zeigt das Grundprinzip eines thermoelektrischen Generators.

Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Motorblock bzw. einem Motorgehäuse 2, an dessen Außenseite ein thermoelektrischer Generator 3 angeordnet ist. Die „Wärme aufnehmende Seite" 4 des thermoelektrischen Generators 3 liegt flächig am Motorgehäuse 2 an, wodurch ein guter Wärmeübergang zwischen dem Motorgehäuse 2 und der Wärme aufnehmenden Seite 4 des thermoelektrischen Generators 3 erreicht wird. Der Wärmestrom vom Motor 1 zum thermoelektrischen Generator 3 ist durch Pfeile 5 symbolisiert.

Die Wärme abgebende Seite 6 des thermoelektrischen Generators 3 ist mit Kühlrippen 7 versehen. Die Wärme abgebende Seite 6 und die Kühlrippen 7 sind mittels eines Abschirmblechs 8 vor Wärmestrahlung des Verbrennungsmotors abgeschirmt. Die Kühlrippen 7 werden während der Fahrt von Fahrtwind umströmt. Dadurch wird ein guter Wärmeübergang von dem thermoelektrischen Generator an die Umgebungsluft bzw. an den Fahrtwind erreicht. Aus der an dem thermoelektrischen Generator 3 anliegenden Temperaturdifferenz ergibt sich in bekannter Weise eine elektrische Spannung U ₁ die als Ladespannung für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs verwendet werden kann.

Zur Optimierung des Wärmeübergangs von dem thermoelektrischen Generator 3 an die Umgebungsluft kann diese durch ein Luftleitelement (nicht dargestellt) gezielt in Richtung der Kühlrippen 7 kanalisiert werden. Es ist auch denkbar, zusätzlich ein elektrisches Gebläse vorzusehen, mit dem die Kühlrippen 7 zusätzlich „belüftet" werden.

Selbstverständlich ist anstelle einer Luftkühlung des thermoelektrischen Generators 3 auch eine Wasserkühlung denkbar. Die Wärme abgebende Seite 6 des thermoelektrischen Generators bzw. die damit verbundenen Kühlrippen können z.B. an einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen werden, wobei eine Kühlmittelpumpe vorgesehen sein kann, welche Kühlmittel zu den Kühlrippen 7 pumpt und die Wärmeabfuhr somit weiter verbessert.