專利名稱：用于從廢氣產生電能的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過發電機從內燃機的廢氣產生電能的裝置。這特別地涉及用于將廢氣的熱能轉換成電能的發電機，即，所謂的熱電發電機。
背景技術：
從機動車輛的引擎排出的廢氣具有熱能，該熱能通過熱電發電機而被轉換成電能，以對電池或一些其他的能量存儲裝置供電或者將必要的能量直接釋放到用電設備。從而更大量的能量可被用于機動車輛的操作。這樣的熱電發電機通常包括多個熱電轉換器元件。熱電材料為能夠有效地將熱能轉換成電能(塞貝克效應)和將電能轉換成熱能(帕爾貼效應)的類型。“塞貝克效應”是基于這樣的現象，通過該現象，熱能被轉換成電能并被用于產生熱電能量。“帕爾貼效應”是塞貝克效應的相反效應并且是這樣的現象，該現象伴隨有熱吸附且在電流流過不同材料的情況下發生。帕爾貼效應已經被提出作為例如熱電冷卻的方法。這樣的熱電轉換器元件優選包括若干個熱電元件，這些熱電元件被設置在所謂的 “暖側”和所謂的“冷側”之間。熱電元件包括例如至少兩個半導體塊(P型和η型)，所述至少兩個半導體塊在其上側和下側(分別面對“熱側”和“冷側”)被交替地連接到導電橋。 陶瓷板或陶瓷涂層和/或類似的材料用于金屬橋的絕緣并因此優選被設置在金屬橋之間。 如果在半導體塊的兩側都有溫度梯度，則形成電勢。在該情況下，在一個接觸點(“熱側”) 處吸收熱，電子從該一側流到下一個塊的較高能量導帶。在另一側，電子現在可以釋放能量以返回到處于較低能級的另一側(“冷側”)。因此，如果有對應的溫度梯度，則可以發生電流的流動。已經進行了嘗試以提供用于機動車輛，特別地，用于乘用機動車輛中的對應的熱電發電機。這些熱電發電機通常制造非常昂貴，但卻有著相對低的效率。因此，熱電發電機尚不適合用于批量生產。
發明內容
因此，本發明的目的在于至少部分地解決關于現有技術的上述問題。特別地，試圖規定一種熱電發電機，其提供將可用的熱能轉換成電能的改善的效率，并且特別地其還能夠耐受在機動內燃機的排氣系統中發生的可變應力。通過根據權利要求1的特征的裝置實現所述目的。在從屬權利要求中規定了根據本發明的方法的有利的完善(refinement)。應注意，在權利要求中單獨規定的特征可以以任何希望的技術上有利的方式彼此結合并形成發明的進一步的實施例。特別地與附圖相結合的描述更詳細地給出了本發明并規定了附加的示例性實施例。根據本發明的用于從內燃機的廢氣產生電能的裝置包括發電機，所述發電機具有廢氣入口和廢氣出口以及其間的熱交換部分，其中所述熱交換部分具有用于所述廢氣的多個流動路徑，其中所述流動路徑至少部分地被熱電元件包圍，所述熱電元件在其背離所述流動路徑的一側以導熱方式連接到冷卻器件，其中至少沿至少一個流動路徑設置不同類型的熱電元件，或者至少一個流動路徑具有用于流動操縱的至少一個元件。優選具有后面的特征的組合使用的實施例。所述裝置特別地為所謂的熱電發電機。所述廢氣入口和所述廢氣出口可被特別地設計作為排氣管的排氣系統的一部分。然而，還可以提供多個廢氣入口和/或多個廢氣出口。所述熱交換部分形成所述發電機的核心。這特別地涉及通過所述發電機的廢氣的流動通路的一部分，在該部分中，廢氣將熱能釋放到熱交換單元。廢氣可以在其通過發電機的路徑上流過多個這樣的熱交換部分，但優選其中廢氣僅僅流過一個(連續的)熱交換部分的變型例。為了現在提供用于熱交換的最大可能的接觸表面，廢氣流被分開進入多個流動路徑，特別地，多個小管道。可通過用于廢氣的定向和/或非定向通路而形成多個流動路徑， 例如，以規則的和/或不規則的方式在熱交換部分內分開廢氣，其中，通常可以使所述廢氣分流(可以)在熱交換部分內再次(重復地)彼此混合。所述多個流動路徑優選彼此明顯分離(例如通過連續的管道壁)。在多個流動路徑和/或管道的情況下，在具體實例中，多個流動路徑或管道還可以通過連接多個管道和/ 或開口而彼此連通。流動路徑或管道的數目優選顯著大于20個，例如至少50個或甚至至少100個管道。這些管道從而具有與廢氣入口相比顯著減少的開口截面，因此可以提供通過流動路徑/管道的壁形成的顯著增大的熱交換面積。具有熱電元件的一個或兩個熱交換單元和冷卻器件優選被設置為鄰近流動路徑。 所述管道優選與熱交換單元鄰接，即，導熱接觸。在該情況下，熱電元件優選沿著管道設置， 特別優選在每種情況下在熱交換部分中的流動路徑的長度內設置不同類型的多個熱電元件。冷卻器件被設置在熱電元件的背離流動路徑的那一側。這里，熱電元件特別地被束縛性地連接到冷卻器件。這特別地意味著熱電元件粘附性地僅僅連接到冷卻器件或部分熱交換單元。因此特別地僅僅通過鄰接接觸而沒有任何粘附性連接而發生與流動路徑的導熱接觸。在本文中，“束縛性地”旨在表示當裝置在工作時熱電元件相對于冷卻器件的相對移動是不可能的(在不拆除的情況下)，也就是說，熱電元件被焊接、軟釬焊、接合、錨固、螺絲固定或夾住或以某種其他方式緊固到冷卻器件或熱交換單元，其中同時確保了熱電元件與冷卻器件之間的面接觸，這不會阻礙它們之間的熱傳導。在該裝置的優選完善中，廢氣入口和廢氣出口被設置為彼此相反，并且熱交換單元被沿徑向設置到其上。廢氣入口和廢氣出口由此被整合成例如直線形的管狀排氣線。熱交換單元圍繞排氣線沿徑向且垂直于排氣線設置，因而用于產生電能的廢氣必須沿徑向改道離開流動的主方向，經過熱交換部分，然后再一次和/或反復改道以同樣通過流動的主方向中的廢氣出口而流出。這不僅提供了特別緊湊的結構，而且改道增加了廢氣的湍流，因而在下游熱交換部分中，實現了與管道的壁的特別緊密的接觸，從而確保了向熱電元件的良好熱傳遞。此外，熱交換單元和冷卻器件有利地形成有板元件，熱電元件被設置在這些板元件上。由此可在兩個疊置的板元件之間形成例如用于傳導冷卻劑的冷卻管道。冷卻器件和熱交換單元從而相對穩定和結實，因而特別地防止了冷卻劑的任何選出。然而，這意味著板元件也提供了用于熱電元件的附接的范圍，這些熱電元件優選形成在板元件的背離冷卻器件的一側。熱電元件從而被設置在例如板元件的隨后還設置用于廢氣流動的管道的那個表面上。板元件可被提供作為模塊并以易于裝配的希望的形式被放在一起。這代表了制造這樣的熱電發電機的相對成本有效的方式。在該方面，這樣的板元件特別有利地被設計為具有內部冷卻器件和在面對鄰近的流動路徑的兩側的熱電元件。可以通過碾磨或鉆孔或以其他方式制造的冷卻管道來形成內部冷卻器件，在必要時可以(但不優選)將附加的材料并入到管道中。然而，板元件本身有利地由高度導熱的材料形成，以確保從廢氣產生的熱能最優地傳遞到熱交換單元并因而進入熱電元件中。此外，這些板元件提供了用于穩定的且受保護的向熱電元件的電線路的排列。在本文中，還提出了使板元件形成有金屬箔，該金屬箔具有熱電元件且被保護層覆蓋。這里，金屬箔具有的結構使得至少兩個金屬的疊層在其間形成特別地用于冷卻劑的管道。板元件從而具有低的熱質量且非常輕。此外，保護層(其特別地防止上側的廢氣與被覆蓋的熱電元件接觸)在熱電元件與金屬箔之間提供束縛性連接。保護層可以采取涂層和/或單獨的部件(例如另外的金屬箔)的形式。還可以通過構造的金屬箔來制造可以通過層疊板元件制造的且可用于使廢氣流過其的管道。這里，多個金屬箔可被設置為一個在另一個的頂上，因而也可以設置不被設置為鄰近熱電元件的管道。所使用的熱電元件例如在根據以下特征中的至少一個的類型方面不同結構、材料、尺寸、電連接、接觸面積等等。在流動路徑的長度內不同類型的熱電元件的使用允許更靶向性地且更有效地利用流過的廢氣的熱能。備選地或附加地提出的具有用于流動操縱的至少一個元件的實施例具有改善從流過的廢氣到熱電元件的熱傳導的功能。元件可以為附加的部件或流動路徑的壁的一部分。特別地以該方式試圖影響廢氣與流動路徑的壁之間的接觸(根據負載和/或根據溫度和/或根據位置)。不同類型的熱電元件特別地是指具有不同的效率或具有不同的最大效率的元件。 這里，一種類型的元件的關于熱能到電能的轉換的效率具有相對于平均廢氣溫度的至少一個最大值。所述熱電元件根據其不同效率被設置在流動路徑的第一部分中或至少一個第二部分中。這些部分特別地是指通過具有不同平均廢氣溫度的發電機的廢氣的流動路徑的區域。具有不同效率最大值的熱電元件因此應被設置為使得各自的效率最大值適于在每種情況下的在流動路徑的各自的部分中的占優勢的廢氣溫度。因此，在相對高溫的區域中具有效率最大值的熱電元件應被設置在廢氣入口的區域中，相應地，在相對低溫處具有其效率最大值的熱電元件應被設置在廢氣出口的附近。這允許改善可用的熱能向電能的轉換。除了在廢氣的流動方向上串聯的熱電元件的設置之外，還可以以依賴于在流動路徑中的平均占優勢溫度的對應設置來構造所述熱電元件。對于這一點，至少一個流動路徑被分成至少一個第一部分和至少一個另外的第二部分，在其中設置在每種情況下具有相同的效率最大值的熱電元件。根據該裝置的另一有利的實施例，至少一個流動路徑具有導向葉片和/或導熱結構。其目的是用于將盡可能大的量的熱能從廢氣傳遞到熱電元件。導向葉片特別地用于使廢氣偏轉離開與壁的距離遠的區域而朝向管道的這樣的表面，所述表面以導熱的方式被直接連接到熱電元件。導向葉片特別地具有這樣的表面，該表面投影到流動路徑中并且適合使流過該流動路徑的廢氣的至少一部分偏轉朝向熱電元件。所述完善(以及以下關于流動的討論的完善)特別地涉及形成有相同的熱電元件且僅僅具有用于流動操縱的元件的裝置的實施例。因此，導向葉片和/或導熱結構用于以靶向性的方式影響廢氣與流動路徑的壁之間的接觸(根據負載和/或根據溫度和/或根據位置)。導熱結構特別地為金屬導熱結構，其至少在流動路徑的長度的一部分內延伸，投影到流動路徑中并使廢氣流僅僅受到低的流動阻力。因此，導熱結構優選為薄的且具有特別地冷卻肋(rib)的方式的面設計。所述導熱結構從而允許從流動路徑的廢氣流過的整個截面吸收熱。導熱結構應被形成為具有高的熱導率，以使從廢氣傳遞的熱能耗散到熱電元件。這里，導熱元件被特別地設置在流動路徑的下游部分中，以便在“相對冷的”廢氣的區域中，可從廢氣流以較高的程度耗散廢氣的現有余熱。由此同時防止了在“相對熱的” 廢氣的區域(即，在發電機的廢氣入口的直接下游)中設置的熱電元件的過熱。廢氣的峰值溫度具體地在這里發生；在內燃機的具體操作點處，所述峰值溫度可以為如此高，以致可能發生對熱電元件的損壞。從熱的廢氣到熱電元件的熱能的附加的耗散因此增加了損壞的可能性。在更下游的部分中，廢氣已經被冷卻到可以可靠地避免由溫度峰值導致的損壞的程度。特別地，應提供這樣的結構，所述結構在一種結構中組合導向葉片的功能和導熱結構的功能，所述導向葉片至少部分地使廢氣轉向，所述導熱結構通過大的接觸表面和良好的導熱特性而使熱從廢氣耗散到熱電元件。根據該裝置的另一有利的實施例，至少一個流動路徑具有在流動路徑的第一壁上的結構和/或仿形(profiling)。仿形或結構特別地旨在防止或減輕廢氣在流動路徑內的邊界層流導致首先由于以該方式產生的紊流而使得與壁距離遠的廢氣被供應到第一壁，因此可以從廢氣耗散熱能的較大部分。此外，通過所述結構和/或仿形，在流動路徑內的廢氣的動態壓力應被增加為由于以該方式產生的漩渦和在流動路徑內的廢氣的被迫的較長逗留時間而實現從廢氣到熱電元件的改善的熱傳遞。這里，第一壁表示其自身與熱電元件直接導熱連接的流動路徑/管道的表面。結構特別地表示這樣的表面，該表面已通過在流動路徑的壁中的切口而產生并且投影到流動路徑中。對照而言，仿形表示流動路徑的這樣的表面，該表面通過流動路徑的壁的封閉表面區域(例如小突起、圓丘、隆起、結點、波紋)而形成的。這里，結構和仿形特別地被設置在流動路徑的下游部分中，以便可以由于紊流的產生和邊界層流的防止而以較大的程度在“相對冷的”廢氣的區域中從廢氣流耗散廢氣流的現有余熱。由此同時防止了在“相對熱的”廢氣的區域(即，在發電機的廢氣入口的直接下游)中設置的熱電元件的過熱。根據該裝置的特別有利的實施例，在增加的動態壓力下，至少一個流動路徑內的廢氣被至少部分地傳遞到鄰近的旁路流動路徑中。以該方式，特別地避免了對由于過高廢氣溫度而導致的熱電元件的過載。這里， 隨著壓力的增大和/或在特定的可預設的壓力之上，在一個流動路徑中存在的廢氣的至少一部分以增大的程度被傳遞到鄰近的(優選基本上平行的)流動路徑中，該流動路徑特別地不與熱電元件直接接觸。從而，在鄰近熱電元件的流動路徑中，與熱電元件的效率最大值對應的廢氣溫度占優勢。通過第二壁而特別地使鄰近的旁路流動路徑與這樣的流動路徑分隔，該流動路徑與熱電元件直接導熱接觸。所述第二壁因此不與熱電元件直接導熱接觸。 第二壁特別地被至少部分地設置有開口，以便允許廢氣從該流動路徑傳遞到旁路流動路徑中。根據上面做出的陳述，本發明因此還涉及一種用于從內燃機的廢氣產生電能的裝置，其包括發電機，所述發電機具有廢氣入口和廢氣出口以及其間的熱交換部分，其中所述熱交換部分具有用于所述廢氣的多個流動路徑，其中所述流動路徑至少部分地被熱電元件包圍，所述熱電元件在其背離所述流動路徑的一側以導熱方式連接到冷卻器件，在該裝置中提供至少一個旁路流動路徑，其中在增加的動態壓力下，至少一個流動路徑內的所述廢氣被至少部分地傳遞到鄰近的旁路流動路徑中。由于以該方式也單獨地實現了相對于現有技術的改進，因此該構思也被獨立地請求保護。可由下面的解釋(特別地下面兩段以及自調節的過載保護方法的示例)匯集了對所述構思的完善。在特別有利的實施例中，通過實體(body)形成旁路流動路徑，該實體被設置在流動路徑中并具有開口的底表面，在流動路徑內與廢氣的流動方向相反地逐漸變細，并且具有第二壁，廢氣可流動通過該第二壁。該實體可被特別地設計為錐形或斜角的形式。這里，實體特別地由與流動路徑的壁或表面相同的材料形成，并且如果合適，甚至在具有后者的一個件中，即，以強制閉鎖(positively locking)或非強制閉鎖(non-positively locking)的方式。形成實體的第二壁由此特別地不與熱電元件導熱接觸，即，至少大部分不與第一壁接觸，并被設置在流動路徑內。此外，實體的第二壁被設計為可滲氣的，以便來自流動路徑的廢氣可在實體中經過，然后流到廢氣出口。隨著廢氣的動態壓力的增加，不斷增加的量的廢氣將通過第二壁內的第一開口進入實體中，因此不向流動路徑的與熱電元件接觸的第一壁耗散熱(僅僅少量熱)。這里，實體和/或旁路流動路徑應被設置為使開口優選在流動路徑的整個長度內延伸，以便已來自流動路徑的第一部分的廢氣可以進入所述旁路流動路徑中或進入所述實體中，從而避免了特別地在廢氣入口的區域中設置的熱電元件的過熱。此外，可以為熱交換部分的至少一部分提供附加的冷卻。這意味著例如可以根據需要激活第二冷卻電路。特別地，附加的冷卻裝置特別優選為熱電元件的相反連接，以便這些冷卻裝置用作帕爾貼元件。所述熱電元件因此可以在流過熱電發電機的過熱廢氣的情況下冷卻熱交換部分和/或自身。在一個實施例中，該裝置形成有至少一個催化轉換器部分，所述催化轉換器部分至少部分地設置在熱交換部分的關于流動的上游。這里，被轉向到熱交換部分中的廢氣特別優選首先流過催化轉換器部分，隨后到達熱交換部分。廢氣特別優選沿相反方向流過催化轉換器部分和熱交換部分。優選在催化轉換器部分中提供徑向蜂窩結構。催化轉換器部分的蜂窩結構被涂覆有載體涂料(washcoat)和氧化催化劑(優選鉬)。在催化轉換器部分中，由于對廢氣的成分的催化轉換，啟動放熱反應，該放熱反應增加了廢氣中的熱能。然后所述“預熱的”廢氣用于產生更大量的熱電能。如果合適，催化轉換器部分可形成有不同的涂層和/或催化劑。催化轉換器部分還可以在接觸區域和/或所供給的廢氣方面被可變地設計，以由此以靶向性的方式調節溫度升高。特別地，廢氣流過的發電機的管道的至少部分區域和另外的區域的壁(特別地，熱交換部分的管道的至少部分區域)還可以被涂覆有載體涂料和氧化催化劑。這里，第一壁，即管道的直接鄰接熱電元件的那些區域，優選不具有這樣的涂層，這是因為，這樣的話，會損害從流動路徑到熱電元件的熱傳導。在另一有利的實施例中，氧化催化轉換器是可加熱的。這樣，氧化催化轉換器會特別快速地達到其起燃溫度，因此廢氣的催化轉換開始。因此，廢氣的溫度以及由此發電機的效率更快速地增加。在附加的完善中，在熱交換部分的下游設置至少一個NOx累積器。這樣的設置特別有利，這是因為，由于大量的熱從廢氣耗散，在裝置的下游僅僅低的廢氣溫度占優勢。所述溫度特別地長時間地在NOx累積器的解吸附溫度之下，以便氧化氮可從廢氣可靠地去除并在排氣系統中被轉換(例如通過SCR部件)。上述目的還可通過用于從內燃機的廢氣產生電能的方法實現，其包括發電機，所述發電機具有廢氣入口和廢氣出口以及其間的熱交換部分，其中所述熱交換部分具有用于所述廢氣的多個流動路徑，其中所述流動路徑至少部分地被熱電元件包圍，所述熱電元件在其背離所述流動路徑的一側以導熱方式連接到冷卻器件，其中至少根據所述廢氣的總質量流或溫度來調節所述廢氣與所述熱電元件之間的導熱接觸。在該方法的特別有利的實施例中，至少根據所述廢氣的總質量流或溫度以自調節的方式調節所述廢氣與所述熱電元件之間的導熱接觸。特別地通過過載保護裝置實現對導熱接觸的調節，所述過載保護裝置特別地被設置用于通過第一壁以導熱方式與熱電元件直接接觸的所有流動路徑。所述自調節的過載保護特別地通過旁路流動路徑實現，所述旁路流動路徑被設置為鄰近流動路徑并特別地與所述流動路徑基本上平行，且所述旁路流動路徑特別地設置在流動路徑內。這里，在每個情況下通過廢氣入口進入裝置的現有廢氣流的僅僅極小部分流過具有過載保護的所述至少一個流動路徑。特別地，所述流動路徑被設計為通過廢氣入口流入裝置的廢氣流的僅僅至多 5體積％、優選至多1體積％、特別優選至多0. 1體積％流過所述流動路徑。在另一有利的實施例中，該方法具有自調節的過載保護裝置，該過載保護裝置根據廢氣的動態壓力使增加的量的廢氣以自調節的方式與流動路徑的第一壁在流動方面分離。這里，自調節的過載保護裝置被設計為在增加的動態壓力下，連續增加的量的廢氣不與流動路徑的第一壁接觸，而是特別地進入不與熱電元件直接導熱連接的鄰近的旁路流動路徑。在另一實施例中，自調節的過載保護裝置被設計為僅僅在特定的動態壓力水平之上使得增加的量的廢氣與流動路徑的第一壁在流動方面分離。用于過載保護的方法被具體地用于在獨立構思中具有如上所述的旁路流動路徑的裝置中。本發明極其特別地被用于機動車輛中，特別地被用于具有內燃機的乘用機動車輛中。
將基于示意性附圖更詳細地解釋本發明和技術領域。應指出，附圖示出了特別地優選的實施例變型，然而本發明不受此限制。在附圖中
圖1示意性示出了該裝置在機動車輛中的整合；圖2示出了熱交換單元的細節；圖3示出了用于構造熱交換部分的金屬箔的實例；圖4以分解圖示出了用于熱交換單元的可能結構；圖5示出了穿過具有熱電元件的冷卻器件的上部的局部截面；圖6以側視圖示出了根據本發明的一種完善(refinement)的穿過流動路徑的橫截面；圖7以側視圖示出了具有旁路流動路徑的穿過流動路徑的橫截面；圖8以側視圖示出了具有旁路流動路徑的另一完善的穿過流動路徑的橫截面；以及圖9示出了流過流動路徑和旁路的廢氣的曲線示例。
具體實施例方式圖1示意性示出了所述類型的裝置1的優選使用。這里示出的是具有內燃機3的機動車輛29。在內燃機3(例如奧托引擎或柴油機)中產生的廢氣2流到廢氣凈化部件27、 28。根據本發明的裝置1被有利地設置在內燃機3的直接下游或對應的廢氣凈化系統中。所述裝置還可以被設置作為廢氣再循環系統的部件，其中可以有利地利用廢氣冷卻器。根據有利的實施例，在裝置1的上游連接氧化催化轉換器27，該氧化催化轉換器 27也可以被至少部分地整合在裝置1中。在裝置1的下游有利地連接NOx累積器觀，該NOx 累積器觀同樣可以被至少部分地整合到裝置1中。裝置1具有廢氣入口 5，廢氣2通過該廢氣入口 5而流入裝置1中。這里通過熱交換部分7而形成裝置1的發電機4，熱交換部分7特別地由多個具有熱電元件9的熱交換單元44和設置在流動路徑8之間的至少一個冷卻器件11構造，以便可通過流動路徑8的表面31將廢氣2的熱能傳導到熱電元件9，熱電元件9可由于溫熱的廢氣2與冷卻器件11之間的溫度勢而產生電能。在流動路徑8內優選地設置結構19，該結構19首先導致在廢氣2中形成紊流，以便改善從廢氣2到流動路徑8的表面31的熱傳遞。廢氣2通過廢氣出口 6而離開發電機4。圖2示意性示出了熱交換單元44的構造。熱交換單元44被設置為鄰近在兩側設置的流動路徑8，熱廢氣2流動通過所述流動路徑8。熱交換單元44包括內部冷卻器件11， 其中在每種情況下至少一個熱電元件9被設置在冷卻器件11與流動路徑8之間。為了便于解釋，在圖3的頂部另外示例了這樣的圖，該圖示出了在流動路徑8或至少一個熱電元件 9的長度32內的廢氣溫度33。在熱電元件9的與流動路徑8相反的一側10的溫度由于冷卻器件11而顯著較低。這導致所謂的塞貝克效應，從而可以從熱電元件9拾取電流，該電流被供給到電池；34。這里，為了特別地防止熱電元件9或半導體元件與廢氣2之間的直接接觸，設置保護層43。此外，至少在一個流動路徑8中，規定沿流動方向串聯設置不同類型的多個熱電元件9，在每種情況下關于平均占優勢的廢氣溫度33而根據其效率來選擇這些熱電元件9。 這里，在較高的平均廢氣溫度的區域中(在圖2中的圖像的右側)，設置在高的廢氣溫度33 處具有高效率的熱電元件9。在所示出的流動路徑8的左手部分中設置在較低的廢氣溫度33處具有對應高效率的熱電元件9。因此，可以從廢氣的熱能得到盡可能大量的電能。圖3示出了用于構造熱交換部分7的金屬箔35的實例。熱交換部分7因此由一個層疊在另一個的頂上的金屬箔35形成并相應地形成具有流動路徑8的徑向蜂窩體，流動路徑8從內側延伸到外側，且廢氣2可相應地從內側到外側或從外側到內側流過流動路徑 8。這里特別地使用金屬箔35來為廢氣2劃定流動路徑8的邊界和/或為冷卻器件11劃定管道的邊界。所述金屬箔35具有至少部分地構造的表面31，該表面31沿金屬箔35的圓周方向具有交替的凸起和凹陷，以便形成沿半徑45的方向延伸的管道。這些管道也可以螺旋的方式延伸，以便形成沿半徑45的方向交替的凸起和凹陷。如果多個這樣的金屬箔35 被層疊為一個在另一個的頂上，則可以在它們之間形成流動路徑8和/或冷卻器件11。圖4以分解圖示意性示出了板元件36的形式的熱交換單元44的可能結構。所述板元件36包括在圖4的頂部處示例的上盤37。假定存在例如熱電元件9的徑向排列，其特別地具有管道8的類似對準。此外，熱交換單元44具有中心盤37，在該中心盤37中形成冷卻器件11。為了該目的，冷卻劑在冷卻器件11中流動，沿圓周方向在盤37中環流，然后再流出。然而，還可以實現冷卻劑的其他流動方向和/或流動分布。在中心盤37之下設置另一個盤37，該盤37又具有在此僅僅以虛線示出的熱電元件9，這是因為它們位于所示出的盤37的下側。圖5示出了穿過具有熱電元件9的冷卻器件11的上部的局部截面。應指出，僅僅為了完整的目的，在冷卻器件11中(通常)設置并聯和/或串聯電連接的多個熱電元件9。 熱電元件9在此被氣密性地設置在保護層43與冷卻器件11的盤37之間并粘著性地連接到盤37。熱電元件9包括不同半導體塊(ρ型半導體塊40和η型半導體塊39)的多對排列， 這些半導體塊在其上側和下側交替連接到金屬導電橋41。橋41被安裝在陶瓷板38上，以便通過橋41而確保定向電流流動。如果熱廢氣2然后流過保護層43，則該側發熱，而相對側被冷卻劑冷卻。于是，根據塞貝克效應，可以將熱能有效地轉換成電能。圖6示意性示出了具有熱交換單元44的流動路徑8的細節的側視圖。這里，熱廢氣2流入流動路徑8中，其中特別地通過在第一壁21上的仿形20打斷任何存在的邊界層流，所述仿形與熱電元件9直接導熱連接。此外，還可設置導向葉片15，其同樣被提供用于在廢氣流中產生紊流，以從而允許從廢氣2到第一壁21的改善的熱傳遞。此外，特別地在第一壁21上，可以設置導熱結構16，其具有附加的熱容量并因此首先從廢氣2去除盡可能大的量的熱能并將所述熱能耗散到第一壁21，其次從廢氣2積聚現有的熱能并將所述熱能連續地且以輕微的時間延遲耗散到第一壁21。沿著流動路徑8設置第一部分12和至少第二部分13，在其中不同類型的熱電元件9被設置在板元件36中。這里，可以串聯設置相似類型的多個熱電元件9。圖7示意性示出了具有旁路流動路徑23或過載保護裝置17的流動路徑8的側視圖，從而保護熱交換單元44和特別地熱電元件9免受廢氣2的過高溫度。廢氣2流入流動路徑8中，其中在增加的動態壓力22下，通過第二壁沈將增加的量的廢氣2傳遞到鄰近的流動管道中，第二壁沈特別地由金屬箔35形成。這里，流動路徑8還可被形成為在其范圍 (在此未示出)內為圓錐形的，即，特別地沿廢氣流動方向變窄。以該方式，特別地，隨著廢氣2的動態壓力22的增加，通過在第二壁沈中設置的孔將增加的量的廢氣2傳遞到鄰近的過載保護裝置17或旁路流動路徑23。特別地，旁路流動路徑23被設置在多個流動路徑8之間，以便通過第二壁沈使廢氣2從多個流動路徑8流入旁路流動路徑23。因此與流動路徑8相比，旁路流動路徑23可以特別地具有不同的橫截面，特別地較大的橫截面。圖8示意性示出了在流動路徑8內設置的過載保護裝置17或旁路流動路徑23的另一有利實施例。這里，特別地，在流動路徑8內設置實體M，其在流動路徑8內與廢氣的流動方向相反地逐漸變細。在圖8的上部中，以錐形的形式示例了實體M。在圖8的下部中，通過從第一壁21開始與廢氣2的流動方向14相反地延伸的斜角形成實體M。通過第二壁沈形成實體M，該第二壁沈為穿孔的設計，以便廢氣2可流過該第二壁26。實體M 的底表面25被形成為開口的，以便廢氣2可通過底表面25而流出流動路徑8。在增加的動態壓力22下，流動路徑8內的廢氣2特別地在整個第二壁沈內流入實體M中，而在低的動態壓力22下，廢氣2沿著第二壁沈流到流動路徑8的終端，并且廢氣2的熱能特別地通過流動路徑8的第一壁21通過熱電元件9而耗散到冷卻器件11。在高的動態壓力22下， 廢氣2由此通過第二壁沈而流入特別地已經在流動路徑8的第一部分12中的旁路流動路徑23中，從而不再與第一壁21形成接觸。在低的動態壓力22下，廢氣2將首先通過流動路徑8的第二部分13中的第二壁沈的特別地相對大的開口 46而流入旁路流動路徑23中， 以便在流動路徑8的整個長度內，廢氣2的較大部分與第一壁21形成接觸。圖9示出了各廢氣首先流過流動路徑/管道8，然后流過旁路流動路徑23或過載保護裝置17。這里，作為增加的動態壓力22的函數，通過廢氣入口 5流入裝置1中的廢氣 2的量優選作為通過流動路徑8的主廢氣流46流動，并且將僅僅連續地流過第二壁沈，然后作為旁路廢氣流48例如部分地流過過載保護裝置17或旁路流動路徑23。在旁路流動路徑23在流動路徑8內的實施例中，例如由于與圖8對應的實體M 的設置，在圖8中的坐標49處的圖9在此也表明，在增加的動態壓力22下，增加的量的廢氣2已經流過坐標49處地第二壁沈，并且作為旁路的廢氣流48不再直接接觸第一壁21。本發明包含至少三個方面，其導致對現有技術的顯著完善1.用于流動操縱以靶向性地調整從廢氣流到熱電元件的熱傳遞的構思，2.用于實現(自調節的)旁路作為過載保護裝置的構思，以及3.用于對(不同)流動條件的熱電元件的靶向性設計的構思。即使所述構思在此已經被彼此部分結合地進行了解釋并實際上帶來協同優點，但單獨的實施也可提供對熱電發電機的已知設計的顯著改進。參考符號列表1 裝置2 廢氣3內燃機4發電機5廢氣入口6廢氣出口7熱交換部分8流動路徑/管道9熱電元件10 一側
1CN 102245871 A
11冷卻器件
12第一部分
13第二部分
14流動方向
15導向葉片
16導熱結構
17過載保護
18邊界流
19結構
20仿形
21第一壁
22動態壓力
23旁路流動路徑
24實體
25底表面
沈第二壁
27氧化催化轉換器
28N0x累積器
29機動車輛
30用于流動操縱的元件
31表面
32長度
33溫度
34蓄電池
35金屬箔
36板元件
37盤
38陶瓷板
39η型半導體塊
40ρ型半導體塊
41橋
42電流路徑
43保護層
44熱交換單元
45半徑
46開口
47主廢氣流
48旁路廢氣流
49坐標
權利要求
1.一種用于從內燃機⑶的廢氣⑵產生電能的裝置(1)，包括發電機G)，所述發電機(4)具有廢氣入口( 和廢氣出口(6)以及其間的熱交換部分(7)，其中所述熱交換部分 (7)具有用于所述廢氣O)的多個流動路徑(8)，其中所述流動路徑(8)至少部分地被熱電元件(9)包圍，所述熱電元件(9)在其背離所述流動路徑⑶的一側(10)以導熱方式連接到冷卻器件(11)，其中至少沿至少一個流動路徑(8)設置不同類型的熱電元件(9)，或者至少一個流動路徑(8)具有用于流動操縱的至少一個元件(30)。
2.根據權利要求1的裝置(1)，其中所述熱電元件(9)具有相對于平均廢氣溫度的不同效率最大值，并且關于其不同的效率而被設置在流動路徑(8)的第一部分(1 中或至少一個第二部分(1 中。
3.根據權利要求1或2的裝置(1)，其中至少一個流動路徑(8)具有至少一個導向葉片(15)或導熱結構(16)。
4.根據上述權利要求中的一項的裝置(1)，其中至少一個流動路徑(8)在所述流動路徑(8)的第一壁上具有至少一個結構(19)或一個仿形00)。
5.根據上述權利要求中的一項的裝置(1)，其中在增加的動態壓力0 下，至少一個流動路徑(8)內的所述廢氣( 至少部分地傳遞到鄰近的旁路流動路徑03)。
6.根據權利要求5的裝置(1)，其中通過實體04)形成旁路流動路徑(23)，該實體 (24)被設置在所述流動路徑(8)中并具有開口的底表面(25)，在所述流動路徑(8)內與所述廢氣( 的流動方向(14)相反地逐漸變細并且具有第二壁( )，所述廢氣( 可流動通過該第二壁06)。
7.根據上述權利要求中的一項的裝置(1)，其中在所述熱交換部分(7)的上游設置至少一個氧化催化轉換器(XT)。
8.根據權利要求7的裝置(1)，其中所述氧化催化轉換器(XT)可加熱。
9.根據上述權利要求中的一項的裝置(1)，其中在所述熱交換部分(7)的下游設置至少一個NOx累積器08)。
10.一種用于通過裝置(1)從內燃機C3)的廢氣( 產生電能的方法，所述裝置(1)包括發電機G)，所述發電機(4)具有廢氣入口( 和廢氣出口(6)以及其間的熱交換部分 (7)，其中所述熱交換部分(7)具有用于所述廢氣( 的多個流動路徑(8)，其中所述流動路徑(8)至少部分地被熱電元件(9)包圍，所述熱電元件(9)在其背離所述流動路徑(8)的一側(10)以導熱方式連接到冷卻器件(11)，其中至少根據所述廢氣( 的總質量流或溫度 (33)來調節所述廢氣( 與所述熱電元件(9)之間的導熱接觸。
11.根據權利要求10的方法，其中至少根據所述廢氣(2)的總質量流或溫度(33)以自調節的方式調節所述廢氣( 與所述熱電元件(9)之間的所述導熱接觸。
12.根據權利要求11的方法，其中過載保護裝置(17)根據所述廢氣O)的動態壓力 (22)使增加的量的廢氣O)以自調節的方式與流動路徑(8)的第一壁在流動方面分1 O
13.—種機動車輛( )，其具有內燃機C3)并具有根據權利要求1到9中的一項的用于從廢氣(2)產生電能或者通過根據權利要求10到12中的一項的方法操作的裝置(1)。
全文摘要
本發明涉及一種用于從內燃機(3)的廢氣(2)產生電能的裝置(1)，包括發電機(4)，所述發電機(4)具有廢氣入口(5)和廢氣出口(6)以及其間的熱交換部分(7)，其中所述熱交換部分(7)包括用于所述廢氣(2)的多個流動路徑(8)，所述流動路徑(8)至少部分地被熱電元件(9)包圍，所述熱電元件(9)在其背離所述流動路徑(8)的一側(10)被導熱連接到冷卻器件(11)。
文檔編號F01N5/02GK102245871SQ200980150128
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月25日 優先權日2008年12月17日
發明者R·布呂科, S·林貝克 申請人:排放技術有限公司