УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
ELECTRIC ENERGY GENERATING DEVICE USING WASTE-GAS HEAT

Настоящее изобретение относится к устройству для выработки электрической энергии с помощью генератора с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Под таким устройством подразумевается прежде всего генератор для преобразования тепловой энергии ОГ в электрическую энергию, т.е. так называемый термоэлектрический генератор (ТЭГ).
ОГ, образующиеся при работе двигателя автомобиля, обладают тепловой энергией, которую требуется преобразовывать с помощью ТЭГ в электроэнергию, например, для зарядки аккумуляторной батареи либо иного аккумулятора энергии и/или для непосредственного подвода необходимой электроэнергии ее потребителям. Таким путем удается увеличить количество электроэнергии, необходимой для обеспечения работы автомобиля.
Подобный ТЭГ обычно имеет множество термоэлектрических преобразовательных элементов. К термоэлектрическим относятся материалы, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). Эффект Зеебека основан на явлении преобразования тепловой энергии в электрическую и используется для выработки термоэлектрической энергии. Эффект Пельтье является обратным по отношению к эффекту Зеебека и представляет собой явление, основанное на поглощении теплоты и обусловленное прохождением тока через различные материалы. Эффект Пельтье уже было предложено использовать, например, для термоэлектрического охлаждения.
Подобные термоэлектрические преобразовательные элементы преимущественно имеют множество термоэлектрических элементов, расположенных между так называемой "теплой стороной" и так называемой "холодной стороной". Термоэлектрические элементы имеют, например, по меньшей мере 2 полупроводниковых параллелепипеда (легированных примесями p- и n-типа), которые попеременно со своих верхней и нижней сторон (с "горячей (теплой) стороны", соответственно с "холодной стороны") соединены электропроводными перемычками. Для изоляции металлических перемычек используются керамические пластинки, соответственно керамические покрытия и/или аналогичные материалы, которые тем самым преимущественно расположены между металлическими перемычками. При создании перепада температуры между обеими сторонами полупроводниковых параллелепипедов возникает разность электрических потенциалов. В одном месте контакта при этом поглощается теплота ("теплая сторона"), а электроны на одной из сторон при этом переходят в расположенную на энергетически более высоком уровне зону проводимости следующего полупроводникового параллелепипеда. С другой стороны, электроны могут отдавать энергию для возврата обратно на другую сторону с более низким уровнем энергии ("холодная сторона"). Таким путем при соответствующем перепаде температуры может обеспечиваться протекание электрического тока.
Ранее уже предпринимались попытки по разработке соответствующих термоэлектрических генераторов для применения на автомобилях, прежде всего легковых автомобилях. Однако такие генераторы по большей части оказывались очень дорогими в изготовлении и обладали сравнительно низким коэффициентом полезного действия. По этим причинам еще не удалось достичь пригодности подобных генераторов к серийному производству.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньше мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке термоэлектрического генератора, который обладал бы более высоким коэффициентом полезного действия касательно преобразования подведенной тепловой энергии в электрическую и прежде всего допускал бы также возможность его применения в условиях знакопеременных нагрузок, характерных для системы выпуска ОГ, образующихся при работе нестационарных ДВС.
Указанные задачи решаются с помощью устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты выполнения предлагаемого в изобретении устройства представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Изобретение более подробно рассмотрено в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами, в котором представлены также другие варианты осуществления изобретения.
Предлагаемое в изобретении устройство для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, имеет генератор со входом для ОГ и выходом для ОГ, а также с расположенным между ними теплообменным участком со множеством проточных проходов для ОГ на нем, которые по меньшей мере частично окружены термоэлектрическими элементами, которые со своей обращенной от проточного прохода стороны соединены теплопроводящим соединением с охлаждающим устройством, при этом по меньшей мере вдоль одного проточного прохода предусмотрены термоэлектрические элементы разных типов или по меньшей мере один проточный проход имеет по меньшей мере один элемент для влияния на поток ОГ. Предпочтителен вариант с комбинированным применением последних из указанных отличительных особенностей.
Под подобным предлагаемым в изобретении устройством подразумевается прежде всего так называемый термоэлектрический генератор. Его вход и выход для ОГ могут быть выполнены прежде всего как часть системы выпуска ОГ или выпускного трубопровода. Однако можно также предусматривать несколько входов и/или несколько выходов для ОГ. Основной частью генератора является теплообменный участок. Под ним подразумевается прежде всего та часть пути прохождения потока ОГ через генератор, в которой они отдают свою тепловую энергию теплообменным агрегатам. На своем пути через генератор поток ОГ может проходить через несколько подобных теплообменных участков, предпочтителен, однако, вариант с прохождением ОГ только через один (непрерывный) теплообменный участок.
С целью обеспечить для теплообмена наличие максимально больших по своей площади поверхностей контакта с ОГ их поток разделяют и распределяют по отдельным проточным проходам и прежде всего по отдельным малым каналам. Проточные проходы для ОГ могут образовывать направленные и/или ненаправленные проточные участки, например, вследствие регулярного и/или нерегулярного распределения потока ОГ на теплообменном участке, при этом в общем случае возможно создание условий, при которых такие отдельные потоки ОГ вновь (многократно) перемешиваются (могут перемешиваться) между собой в пределах теплообменного участка.
Проточные проходы для ОГ в предпочтительном варианте четко отделены друг от друга (например, непрерывной или сплошной стенкой). Однако в отношении проточных проходов для ОГ и/или каналов следует отметить, что в особых случаях отдельные проточные проходы для ОГ, соответственно каналы могут также сообщаться между собой через соединительные каналы и/или отверстия. Количество проточных проходов для ОГ, соответственно каналов предпочтительно должно явно превышать 20, например, составлять по меньшей мере 50 или даже по меньшей мере 100. В соответствии с этим проточные проходы, соответственно каналы имеют проходное сечение, которое существенно меньше проходного сечения входа для ОГ, благодаря чему значительно увеличивается площадь поверхности теплообмена, образуемой стенками проточных проходов, соответственно каналов.
Рядом с проточными проходами для ОГ предпочтительно располагать один или два теплообменных агрегата с термоэлектрическими элементами и охлаждающим устройством. При определенных условиях предпочтительно, чтобы стенки каналов прилегали к теплообменным агрегатам, т.е. находились с ними в теплопроводящем контакте. Термоэлектрические элементы предпочтительно при этом располагать вдоль каналов, а наиболее предпочтительно при этом располагать на теплообменном участке по несколько термоэлектрических элементов разного типа по длине одного проточного прохода для ОГ. Охлаждающее устройство расположено с той стороны термоэлектрических элементов, которая обращена от проточных проходов для ОГ. Термоэлектрические элементы при этом прежде всего неподвижно соединены с охлаждающим устройством. Сказанное означает, в частности, что термоэлектрические элементы присадочным материалом соединены только с охлаждающим устройством, соответственно с частью теплообменных агрегатов. Поэтому теплопроводящий контакт с проточными проходами для ОГ обеспечивается прежде всего исключительно за счет прилегания без сплошного соединения или соединения присадочным материалом. В данном контексте выражение "неподвижно" означает, что при работе предлагаемого в изобретении устройства перемещение термоэлектрических элементов относительно охлаждающего устройства (без демонтажа) невозможно, т.е. что термоэлектрические элементы надежно закреплены на охлаждающем устройстве, соответственно на теплообменном агрегате сваркой, пайкой, склеиванием, жестким креплением, привинчиванием, зажимом или иным образом, при этом одновременно между термоэлектрическими элементами и охлаждающим устройством обеспечивается контакт по большой площади, который не препятствует передаче тепла между первыми и вторым.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства вход и выход для ОГ расположены друг против друга, а теплообменные агрегаты расположены радиально относительно них. Этот вариант позволяет встраивать вход и выход для ОГ, например, в прямолинейную трубу выпускного трубопровода. Поэтому теплообменные агрегаты расположены радиально и перпендикулярно относительно выпускного трубопровода, в связи с чем поток ОГ для выработки электроэнергии необходимо отклонять в радиальном направлении относительно его основного направления и после прохождения через теплообменный участок вновь одной/или многократно отклонять для истечения через выход вновь в основном направлении. Таким путем удается, с одной стороны, реализовать особо компактную конструкцию, а с другой стороны, повысить степень турбулизации потока ОГ за счет его отклонения, благодаря чему на последующем теплообменном участке обеспечиваются особо тесный контакт ОГ со стенками каналов и тем самым эффективная теплопередача в направлении термоэлектрических элементов.
Предпочтителен, кроме того, вариант, в котором теплообменные агрегаты и охлаждающее устройство образованы пластинчатыми элементами, на которых расположены термоэлектрические элементы. Использование пластинчатых элементов позволяет при наложении один на другой двух пластинчатых элементов образовать между ними охлаждающие каналы, через которые пропускается, например, охлаждающая жидкость. Тем самым охлаждающему устройству, соответственно теплообменным агрегатам удается придать сравнительную высокую прочность и эксплуатационную надежность, благодаря чему прежде всего исключается утечка охлаждающей жидкости. Вместе с тем, однако, пластинчатые элементы предоставляют также возможность присоединения к ним термоэлектрических элементов, которые предпочтительно располагать с той стороны пластинчатого элемента, которая обращена от охлаждающего устройства. В соответствии с этим термоэлектрический элемент располагается, например, на той поверхности пластинчатого элемента, которая затем образует также стенки каналов, по которым проходит поток ОГ. Пластинчатые элементы можно изготавливать в виде модулей и для простого монтажа собирать из них теплообменные агрегаты и охлаждающее устройство требуемой формы. Таким путем удается добиться сравнительно экономичного изготовления подобного термоэлектрического генератора.
В этом отношении подобный пластинчатый элемент особенно предпочтительно выполнять с внутренним охлаждающим устройством и термоэлектрическими элементами с обеих сторон, обращенных к соседним проточным проходам для ОГ. Внутреннее охлаждающее устройство может быть образовано выфрезерованными или высверленными либо изготовленными иным способом охлаждающими каналами, в которые при необходимости можно (но не предпочтительно) помещать дополнительный материал. Предпочтительно, однако, выполнять сами пластинчатые элементы из обладающих исключительно высокой теплопроводностью материалов, при использовании которых обеспечивается максимально эффективная передача полученной тепловой энергии от ОГ к теплообменным агрегатам и тем самым к термоэлектрическим элементам. Помимо этого такие пластинчатые элементы предоставляют возможность стабильного и защищенного размещения электрических проводников, ведущих к термоэлектрическим элементам.
В этом отношении предлагается также выполнять пластинчатый элемент из фольги, на которой размещены термоэлектрические элементы и которая покрыта защитным слоем. Фольге при этом при необходимости придана профильная структура, благодаря которой по меньшей мере два набранных в пакет листа фольги образуют между собой каналы, прежде всего для пропускания через них охлаждающей жидкости. Выполненный из фольги пластинчатый элемент обладает тем самым малой термической массой и имеет очень малую собственную массу. Неподвижное соединение термоэлектрических элементов с фольгой обеспечивает, кроме того, защитный слой, который прежде всего предотвращает контакт ОГ с покрытыми им термоэлектрическими элементами, поскольку ОГ контактируют не непосредственно с термоэлектрическими элементами, а с поверхностью защитного слоя. Подобный защитный слой может быть выполнен в виде покрытия и/или отдельной детали (например, в виде дополнительной фольги).
Проточные для ОГ каналы вместо их образования подобными пластинчатыми элементами путем их набора в пакет можно также образовывать профилированными листами фольги. Для этого несколько листов фольги можно располагать один поверх другого, что позволяет также выполнять каналы, не располагающиеся непосредственно рядом с термоэлектрическими элементами.
Применяемые в предлагаемом в изобретении устройстве термоэлектрические элементы разных типов могут различаться между собой, например, по меньшей мере одной из следующих характеристик: конструкцией, материалом, размером, схемой электрического соединения, площадью поверхности контакта и иными признаками. Применение термоэлектрических элементов разных типов по длине проточных проходов для ОГ позволяет целенаправленнее и эффективнее использовать тепловую энергию проходящих по ним ОГ.
Альтернативно или дополнительно предлагаемый вариант с по меньшей мере одним элементом для влияния на поток ОГ имеет своей целью улучшение передачи тепла от проходящих через проточные проходы ОГ к термоэлектрическим элементам. Подобный элемент может представлять собой дополнительную деталь и/или часть стенки, ограничивающей проточный проход. Таким путем прежде всего должно обеспечиваться (зависящее от нагрузки и/или температуры и/или положения) влияние на контакт ОГ со стенкой, ограничивающей проточный проход.
Под термоэлектрическими элементами разных типов подразумеваются прежде всего элементы с различающимися между собой коэффициентами полезного действия, соответственно максимумами коэффициента полезного действия. При этом коэффициент полезного действия термоэлектрического элемента одного типа имеет с точки зрения эффективности преобразования им тепловой энергии в электрическую по меньшей мере один максимум при данной средней температуре ОГ. Такие термоэлектрические элементы предпочтительно располагать с учетом различий в их коэффициентах полезного действия на одном первом или на по меньшей мере одном втором участке проточного прохода. Участками в данном случае называют прежде всего различающиеся между собой преобладающей на них средней температурой части проточных проходов для прохождения ОГ через генератор. В соответствии с этим термоэлектрические элементы с различающимися между собой максимумами коэффициента полезного действия следует располагать, согласуя каждый из максимумов коэффициента полезного действия с конкретной температурой ОГ, преобладающей в среднем на данном участке проточного прохода. Тем самым в зоне входа для ОГ следует располагать термоэлектрические элементы, которые имеют максимум коэффициента полезного действия в диапазоне больших температур, а вблизи выхода для ОГ с теплообменного участка соответственно следует располагать термоэлектрические элементы, которые имеют максимум коэффициента полезного действия в диапазоне сравнительно меньших температур. Благодаря этому удается повысить эффективность преобразования имеющейся тепловой энергии в электрическую.
Наряду с последовательным в направлении потока ОГ расположением термоэлектрических элементов их можно в зависимости от преобладающей в среднем температуры в проточном проходе располагать соответствующими группами. С этой целью по меньшей мере один проточный проход подразделяют на по меньшей мере один первый участок и на по меньшей мере еще один - второй - участок, на каждом из которых располагаемые на нем термоэлектрические элементы имеют одинаковый у всех у них максимум коэффициента полезного действия.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере один проточный проход имеет потоконаправляющие лопатки и/или теплопроводящие структуры. Благодаря этому должна обеспечиваться передача максимально возможного количества тепловой энергии от ОГ к термоэлектрическим элементам. Назначение потоконаправляющих лопаток может прежде всего состоять в том, чтобы отклонять ОГ из зоны, удаленной от ограничивающей проточный проход или канал стенки, к тем ее поверхностям, которые непосредственно соединены теплопроводящим соединением с термоэлектрическими элементами. Потоконаправляющие лопатки имеют прежде всего поверхность, которая выступает внутрь проточного прохода и пригодна для отклонения по меньшей мере части потока ОГ, движущихся по проточному проходу, к термоэлектрическим элементам. Этот вариант (и рассматриваемые ниже с аэродинамической точки зрения варианты) относится (относятся) главным образом к выполнению предлагаемого в изобретении устройства с однотипными термоэлектрическими элементами и только с элементами для влияния на поток ОГ. Тем самым потоконаправляющие лопатки и/или теплопроводящие структуры предназначены для (зависящего от нагрузки и/или температуры и/или положения) целенаправленного влияния на контакт ОГ со стенкой, ограничивающей проточный проход.
Теплопроводящие структуры представляют собой прежде всего металлические теплопроводящие структуры, которые занимают по меньшей мере часть длины проточного прохода, выступают внутрь него и создают лишь исключительно малое сопротивление потоку ОГ. Поэтому теплопроводящие структуры предпочтительно выполнять тонкими и большими по площади, прежде всего по типу охлаждающего ребра. При таком их выполнении они обеспечивают отбор тепла по всему проходимому отработавшими газами поперечному сечению проточного прохода. Теплопроводящие структуры должны обладать высокой теплопроводностью для возможности максимально полного отвода отбираемой от ОГ тепловой энергии к термоэлектрическим элементам.
Теплопроводящие структуры расположены при этом по ходу потока ОГ ближе к концу проточных проходов и поэтому позволяют в тех их местах, где ОГ имеют уже меньшую температуру, отводить от их потока большее количество имеющегося у них остаточного тепла. Таким путем одновременно предотвращается перегрев термоэлектрических элементов, которые расположены в тех частях проточных проходов, где ОГ имеют большую температуру, т.е. по ходу потока ОГ непосредственно за входом генератора. Именно в этом месте ОГ имеют максимальную температуру, которая при работе ДВС в особых режимах может достигать столь высокого уровня, что не исключена возможность повреждения термоэлектрических элементов. Поэтому в указанных частях проточных проходов дополнительный отвод тепловой энергии от горячих ОГ к термоэлектрическим элементам повышает вероятность их повреждения. По достижении же расположенных далее по ходу потока частей проточных проходов ОГ уже успевают остыть настолько, что повреждение термоэлектрических элементов под воздействием максимальных температур уже невозможно.
В предлагаемом в изобретении устройстве следует прежде всего предусматривать структуры, которые в одной структуре объединяют функцию потоконаправляющих лопаток, которые по меньшей мере частично изменяют направление потока ОГ, и функцию теплопроводящих структур, которые благодаря большой площади своих поверхностей контакта и высоким теплопроводящим свойствам отводят тепло от ОГ к термоэлектрическим элементам.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере один проточный проход имеет на ограничивающих его первых стенках структуры и/или профильные элементы. Подобные профильные элементы, соответственно структуры предназначены прежде всего для предотвращения образования, соответственно уменьшения ламинарных граничных струй ОГ внутри проточного прохода, что, с одной стороны, позволяет вследствие создаваемой таким путем турбулентности подводить к первым стенкам движущиеся на удалении от них ОГ и отводить от них большее количество тепловой энергии. С другой стороны, указанные структуры и/или профильные элементы должны повышать противодавление ОГ внутри проточного прохода, благодаря чему вследствие образуемых таким путем завихрений и неизбежного увеличения продолжительности пребывания ОГ внутри проточного прохода улучшается передача тепла от ОГ к термоэлектрическим элементам. Под первыми стенками в данном контексте подразумеваются поверхности, которыми ограничены проточные проходы/каналы и которые сами непосредственно соединены теплопроводящим соединением с термоэлектрическими элементами. Под структурами подразумеваются прежде всего поверхности, которые были образованы надрезами или бороздками в стенках, ограничивающих проточные проходы, и в которые вдаются проточные проходы. Под профильными же элементами подразумеваются поверхности в проточных проходах, образуемые замкнутым участком поверхности стенок, ограничивающих проточные проходы, например, выступы, бугорки, возвышения, перегибы, волны.
Указанные структуры и профильные элементы при этом расположены прежде всего по ходу потока ОГ ближе к концу проточных проходов и поэтому позволяют в тех их местах, где ОГ имеют уже меньшую температуру, отводить от их потока за счет создания турбулентности и предотвращения образования ламинарных граничных струй большее количество имеющегося у них остаточного тепла. Таким путем одновременно предотвращается перегрев термоэлектрических элементов, которые расположены в тех частях проточных проходов, где ОГ имеют большую температуру, т.е. по ходу потока ОГ непосредственно за входом генератора.
В одном из особенно предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства с увеличением противодавления отработавшие газы по меньшей мере частично перенаправляются внутри по меньшей мере одного проточного прохода в соседний с ним байпасный проход.
Благодаря этому прежде всего предотвращается перегрузка термоэлектрических элементов под воздействием слишком высоких температур ОГ. При этом по меньшей мере часть движущегося по одному из проточных проходов потока ОГ перенаправляется в постоянно увеличивающемся по мере возрастания давления и/или начиная с определенного, предварительно устанавливаемого давления количестве в соседний, предпочтительно в основном параллельный проточный проход, который прежде всего не находится в непосредственном контакте с термоэлектрическими элементами. Достигаемый таким путем эффект состоит в том, что в проточном проходе, соседнем с термоэлектрическими элементами, преобладает температура ОГ, которая соответствует максимуму коэффициента полезного действия термоэлектрических элементов. Соседний байпасный проход прежде всего вторыми стенками отделен от проточного прохода, находящегося в теплопроводящем контакте непосредственно с термоэлектрическими элементами. Эти вторые стенки, таким образом, не находятся в теплопроводящем контакте непосредственно с термоэлектрическими элементами. Во вторых стенках прежде всего по меньшей мере частично предусмотрены отверстия, через которые ОГ могут проходить из проточного прохода в байпасный проход.
С учетом приведенных выше пояснений настоящее изобретение, следовательно, относится также к устройству для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, имеющему генератор со входом для ОГ и выходом для ОГ, а также с расположенным между ними теплообменным участком со множеством проточных проходов для ОГ на нем, которые по меньшей мере частично окружены термоэлектрическими элементами, которые со своей обращенной от проточного прохода стороны соединены теплопроводящим соединением с охлаждающим устройством, а также имеющему по меньшей мере один байпасный проход для ОГ, при этом с увеличением противодавления отработавшие газы по меньшей мере частично перенаправляются внутри по меньшей мере одного проточного прохода в соседний с ним байпасный проход. Подобное решение, поскольку оно даже индивидуально является усовершенствованием по сравнению с уровнем техники, можно также рассматривать как самостоятельное и независимое. Различные варианты осуществления этого решения можно найти в приведенных ниже пояснениях (прежде всего в двух последующих абзацах и в описании системы саморегулирующейся защиты от перегрузки).
В особенно предпочтительном варианте байпасный проход образован расположенным в проточном проходе элементом с открытым основанием, который сужается навстречу направлению потока ОГ внутри проточного прохода и имеет проточную для ОГ вторую стенку. Подобный элемент прежде всего может быть выполнен в виде конического или наклонного элемента. Такой элемент изготовлен прежде всего из того же материала, что и стенки, соответственно поверхность, ограничивающие/ограничивающая проточный проход, и при необходимости даже соединен с этим материалом в одно целое, т.е. с геометрическим или же с силовым замыканием. Образующая такой элемент вторая стенка, таким образом, прежде всего не находится в теплопроводящем контакте с термоэлектрическими элементами, т.е. по меньшей мере большей частью не контактирует с первыми стенками, и расположена внутри проточного прохода.
Вторая стенка указанного элемента выполнена далее газопроницаемой, и поэтому ОГ могут проходить сквозь нее из проточного прохода в этот элемент и затем по нему к своему выходу. С увеличением противодавления ОГ они в постоянно возрастающем количестве уже будут проходить в этот элемент через первые отверстия во второй стенке и тем самым не будут отдавать вовсе (или будет отдавать лишь в малом количестве) тепло первым стенкам, ограничивающим проточный проход и контактирующим с термоэлектрическими элементами. Указанный элемент, соответственно байпасный проход, следует при этом выполнять таким образом, чтобы отверстия располагались предпочтительно по всей длине проточного прохода и чтобы ОГ тем самым могли уже из его начальных частей поступать в этот байпасный проход, соответственно, в этот элемент во избежание таким путем перегрева главным образом тех термоэлектрических элементов, которые расположены в зоне входа для ОГ.
Помимо этого можно также предусмотреть систему дополнительного охлаждения для по меньшей мере части теплообменного участка. Сказанное означает, например, что по мере необходимости можно подключать второй охлаждающий контур. В особенно предпочтительном варианте дополнительное охлаждение реализуют путем изменения на обратный режим работы термоэлектрических элементов, которые вследствие этого начинают работать как элементы Пельтье. Благодаря этому они могут при прохождении слишком горячих ОГ через термоэлектрический генератор охлаждать теплообменный участок, соответственно сами себя.
В следующем варианте предлагаемое в изобретении устройство выполнено с по меньшей мере одним катализаторным участком, который по меньшей мере частично расположен по ходу потока ОГ перед теплообменным участком. При этом особенно предпочтительно, чтобы поток ОГ, отклоняемый на теплообменный участок, сначала проходил через катализаторный участок и лишь затем попадал на теплообменный участок. Наиболее предпочтительно пропускать ОГ через катализаторный участок и теплообменный участок во взаимно противоположных направлениях. На катализаторном участке предпочтительно предусматривать радиально-проточную сотовую структуру. Такая сотовая структура, образующая катализаторый участок, снабжена покрытием из пористого оксида и катализатора окисления (предпочтительно платины). На катализаторном участке вследствие каталитического превращения компонентов ОГ протекает экзотермическая реакция, повышающая тепловую энергию ОГ. Такие "подогретые" ОГ позволяют вырабатывать большее количество термоэлектрической энергии. Катализаторный участок можно при необходимости выполнять с разными покрытиями и/или катализаторами. Существует также возможность выполнения катализаторного участка изменяющимся в отношении зоны контакта и/или подводимых ОГ для целенаправленного регулирования таким путем скорости повышения температуры. По меньшей мере отдельные участки каналов и стенок последующих проходимых отработавшими газами участков генератора, прежде всего по меньшей мере отдельные участки каналов на теплообменном участке, также можно снабжать покрытием из пористого оксида и катализатора окисления. Подобное покрытие предпочтительно при этом не предусматривать на первых стенках, т.е. на тех участках каналов, которые непосредственно граничат с термоэлектрическим элементом, поскольку оно может ухудшать теплопроводность в направлении от проточных проходов для ОГ к термоэлектрическим элементам.
В еще одном предпочтительном варианте катализатор окисления выполнен нагреваемым. Благодаря выполнению катализатора окисления нагреваемым он очень быстро достигает своей начальной рабочей температуры, при которой на нем начинается процесс каталитического превращения соответствующих компонентов ОГ. В результате температура ОГ повышается быстрее, а тем самым и быстрее повышается коэффициент полезного действия генератора.
x
В дополнительном варианте по ходу потока ОГ за теплообменным участком предусмотрен по меньшей мере один накопитель оксидов азота (NO-накопитель). Подобная компоновка предпочтительна прежде всего постольку, поскольку из-за отвода значительного количества тепловой энергии от ОГ они по ходу их потока за предлагаемым в изобретении устройством имеют лишь (сравнительно) низкую температуру. Такая температура прежде всего длительно остается ниже температуры десорбции оксидов азота из их накопителя, и поэтому оксиды азота могут надежно удаляться из ОГ и претерпевать химическое превращение в системе выпуска ОГ, например, в ее компонентах для селективного каталитического восстановления.
Указанные выше задачи решаются также с помощью способа выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, в устройстве, имеющем генератор со входом для ОГ и выходом для ОГ, а также с расположенным между ними теплообменным участком со множеством проточных проходов для ОГ на нем, которые по меньшей мере частично окружены термоэлектрическими элементами, которые со своей обращенной от проточного прохода стороны соединены теплопроводящим соединением с охлаждающим устройством, заключающегося в том, что теплопроводящий контакт ОГ с термоэлектрическими элементами регулируют по меньшей мере в зависимости от общего массового расхода или от температуры ОГ.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа регулирование теплопроводящего контакта ОГ с термоэлектрическими элементами по меньшей мере в зависимости от общего массового расхода или от температуры ОГ происходит в режиме саморегулирования.
Функцию по регулированию теплопроводящего контакта реализует прежде всего защита от перегрузки, предусмотренная прежде всего для всех проточных проходов, которые через первые стенки непосредственно соединены теплопроводящим соединением с термоэлектрическими элементами. Такая саморегулирующаяся защита от перегрузки реализована прежде всего байпасным проходом, который расположен рядом с проточным проходом и прежде всего в основном параллельно ему и прежде всего предусмотрен внутри проточного прохода. При этом через по меньшей мере один проточный проход с защитой от перегрузки проходит лишь очень малая часть от всего потока ОГ, поступающего в предлагаемое в изобретении устройство через его вход.
Подобный проточный проход прежде всего выполнен таких размеров, что по нему проходит лишь максимум 5 об.%, предпочтительно максимум 1 об.%, особенно предпочтительно максимум 0,1 об.%, потока ОГ, поступающего в предлагаемое в изобретении устройство через его вход.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа защита от перегрузки в зависимости от противодавления ОГ в режиме саморегулирования обеспечивает аэродинамическое отделение непрерывно возрастающего количества ОГ от первых стенок, ограничивающих проточный проход. Саморегулирующаяся защита от перегрузки выполнена при этом таким образом, что с увеличением противодавления непрерывно возрастает количество ОГ, которое вместо контакта с первыми стенками, ограничивающими проточный проход, переходит прежде всего в соседний байпасный проход, не связанный теплопроводящим соединением непосредственно с термоэлектрическими элементами.
В следующем варианте саморегулирующаяся защита от перегрузки выполнена таким образом, что аэродинамическое отделение непрерывно возрастающего количества ОГ от первых стенок, ограничивающих проточный проход, начинается лишь по достижении противодавлением некоторого определенного уровня.
Способы защиты от перегрузки находят применение именно в устройстве, которое имеет байпасный проход для ОГ и которое может рассматриваться в качестве описанного выше самостоятельного объекта изобретения.
Настоящее изобретение наиболее предпочтительно использовать в автомобиле с ДВС, прежде всего легковом автомобиле.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию схематичные чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид автомобиля с интегрированным в него предлагаемым в изобретении устройством,
на фиг.2 - фрагмент теплообменного агрегата,
на фиг.3 - пример фольги для изготовления теплообменного участка,
на фиг.4 - поэлементный вид возможной конструкции теплообменного агрегата,
на фиг.5 - фрагмент предлагаемого в изобретении устройства с местным разрезом верхней части охлаждающего устройства с термоэлектрическим элементом,
на фиг.6 - вид сбоку в разрезе выполненного по одному из вариантов проточного прохода для ОГ,
на фиг.7 - вид сбоку в разрезе проточного прохода для ОГ с байпасным проходом для ОГ,
на фиг.8 - вид сбоку в разрезе проточного прохода для ОГ с выполненным по другому варианту проходом для ОГ и
на фиг.9 - графическое представление потоков ОГ, проходящих по проточному проходу и байпасному проходу.
На фиг.1 схематично показано предлагаемое в изобретении устройство 1 при его применении по предпочтительному назначению. На чертеже при этом схематично показан автомобиль 29 с ДВС 3. ОГ 2, образующиеся при работе ДВС 3, например, двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси или дизельного двигателя, поступают к компонентам 27, 28 для снижения их токсичности.
Предлагаемое в изобретении устройство 1 в предпочтительном варианте установлено непосредственно за ДВС 3 и напрямую соединено с ним либо может быть расположено в соответствующей системе снижения токсичности ОГ. Оно может также представлять собой часть системы рециркуляции ОГ, что позволяет использовать ее радиатор для реализации охлаждающего устройства, в чем состоит особое преимущество.
x
В одном из предпочтительных вариантов перед устройством 1 установлен катализатор 27 окисления (каталитический нейтрализатор окислительного типа), который может быть также по меньшей мере частично интегрирован в устройство 1. За устройством 1 в предпочтительном варианте предусмотрен NO-накопитель 28, который также может быть по меньшей мере частично интегрирован в устройство 1. Устройство 1 имеет вход 5 для ОГ 2, через который они поступают в устройство 1. У подобного устройства 1 его генератор 4 образован при этом теплообменным участком 7, который в свою очередь образован прежде всего множеством теплообменных агрегатов 44 с термоэлектрическими элементами 9 и по меньшей мере одним охлаждающим устройством 11, которые предусмотрены между проточными проходами 8, через ограничивающие которые поверхности 31 тепловая энергия ОГ 2 может тем самым передаваться к термоэлектрическим элементам 9, которые из-за наличия перепада температур между горячими ОГ 2 и охлаждающим устройством 11 способны вырабатывать электрический ток. Внутри проточных проходов 8 в предпочтительном варианте предусмотрены профильные структуры 19, которые прежде всего обеспечивают завихрение ОГ 2, улучшая тем самым теплопередачу от ОГ 2 к поверхностям 31 проточного прохода 8. ОГ 2 выходят из генератора 4 через его выход 6.
На фиг.2 схематично показана конструкция теплообменного агрегата 44. Теплообменный агрегат 44 расположен рядом с находящимися по обе стороны от него проточными проходами 9, через которые движется поток горячих ОГ 2. Теплообменный агрегат 44 имеет внутреннее охлаждающее устройство 11, между которым и каждым из соседних с ним проточных проходов 9 для ОГ предусмотрено по меньшей мере по одному термоэлектрическому элементу 9. Для пояснения вверху на фиг.2 показана, кроме того, диаграмма, иллюстрирующая изменение температуры 33 ОГ по длине 32 проточного прохода 8, соответственно по меньшей мере одного термоэлектрического элемента 9. С противоположной от проточного прохода 8 стороны 10 термоэлектрического элемента 9 температура из-за наличия охлаждающего устройства 11 явно ниже. В результате такого перепада температур проявляется так называемый эффект Зеебека, благодаря чему с термоэлектрического элемента 9 можно снимать электрический ток, подводимый к аккумулятору 34. Во избежание в этом месте прежде всего непосредственного контакта термоэлектрических элементов 9, соответственно полупроводниковых элементов с ОГ 2 предусмотрен защитный слой 43.
Помимо этого по меньшей мере в одном проточном проходе 8 для ОГ последовательно в направлении их потока расположено несколько термоэлектрических элементов 9 разных типов, подобранных по их коэффициентам полезного действия с учетом конкретно преобладающей в среднем в той или иной части температуры 33 ОГ. При этом в той части, где в среднем преобладают большие температуры ОГ (справа на фиг.2), предусмотрены термоэлектрические элементы 9, которые обладают высоким коэффициентом полезного действия при высоких температурах 33 ОГ. В левой части показанного на чертеже проточного прохода 8 предусмотрены термоэлектрические элементы 9, которые обладают соответственно высоким коэффициентом полезного действия при меньших температурах 33 ОГ. В соответствии с этим при данном количестве тепловой энергии ОГ 2 возможна выработка максимально возможного количества электроэнергии.
На фиг.3 в качестве примера показана фольга 35 для изготовления теплообменного участка 7. Тем самым теплообменный участок 7 образован листами фольги 35, которые набраны в пакет и в соответствии с этим образуют радиально-проточный сотовый элемент с проточными проходами 8 для ОГ, которые проходят радиально изнутри наружу и через которые в соответствии с этим могут проходить ОГ 2 радиально изнутри наружу или радиально снаружи внутрь. Подобную фольгу 35 можно использовать прежде всего для выполнения стенок, ограничивающих проточные проходы 8 для ОГ 2 и/или каналы в охлаждающем устройстве 11. Такая фольга 35 имеет по меньшей мере частично профилированную поверхность 31, образованную попеременно чередующимися в окружном направлении листа фольги 35 возвышениями и впадинами между ними с образованием в результате проходящих в направлении радиуса 45 каналов. Такие каналы могут также проходить по спирали, вследствие чего в направлении радиуса 45 будут попеременно чередоваться возвышения и впадины между ними. Набрав несколько таких листов фольги 35 в пакет, между ними можно образовать проточные проходы 8, соответственно охлаждающее устройство 11.
На фиг.4 схематично в поэлементном виде показана возможная конструкция теплообменного агрегата 44, выполненного в виде пластинчатого элемента 36. Такой пластинчатый элемент 36 имеет верхний диск 37, который на фиг.4 показан сверху. На этом диске расположена система из термоэлектрических элементов 9, которые ориентированы, например, радиально, прежде всего при такой же ориентации каналов 8. Помимо этого теплообменный агрегат 44 имеет центральный диск 37, в котором выполнено охлаждающее устройство 11. В такое охлаждающее устройство 11 втекает охладитель, который движется далее в окружном направлении диска 37 и затем вновь выходит из охлаждающего устройства. Вместе с тем возможна также реализация иных направлений и/или схем разделения потока охладителя. Под центральным диском 37 расположен еще один диск 37, на котором также расположены термоэлектрические элементы 9, которые в данном случае обозначены лишь штриховыми линиями, поскольку они находятся с нижней стороны показанного на чертеже диска 37.
На фиг.5 показан фрагмент предлагаемого в изобретении устройства с местным разрезом верхней части охлаждающего устройства 11 с термоэлектрическим элементом 9. Лишь для полноты описания необходимо отметить, что из расчета на одно охлаждающее устройство 11 (чаще всего) предусмотрено несколько термоэлектрических элементов 9, которые электрически соединены между собой по параллельной и/или последовательной схеме. В данном случае термоэлектрический элемент 9 герметично, без возможности доступа к нему ОГ и/или жидкостей расположен между защитным слоем 43 и диском 37 охлаждающего устройства 11 и присадочным материалом соединен с этим диском 37. Термоэлектрический элемент 9 имеет несколько попарно расположенных разных полупроводниковых параллелепипедов (полупроводниковых параллелепипедов 40, легированных примесями p-типа, и полупроводниковых параллелепипедов 39, легированных примесями n-типа), которые попеременно их верхней и нижней сторонами соединены с металлическими электропроводными перемычками 41. Такие перемычки 41 нанесены на керамические пластины 38, благодаря чему обеспечивается направленное прохождение тока через перемычки 41. При прохождении горячих ОГ 2 вдоль защитного слоя 43 термоэлектрический элемент нагревается со своей обращенной к ним стороны, тогда как его противоположная сторона охлаждается охладителем. Таким путем возможно основанное на эффекте Зеебека эффективное преобразование тепловой энергии в электрическую.
На фиг.6 схематично в виде сбоку показан фрагмент проточного прохода 8 для ОГ с теплообменным агрегатом 44. Горячие ОГ 2 входят при этом в проточный проход 8, в котором прежде всего профильными элементами 20 на первой стенке 21, которые теплопроводящим соединением непосредственно соединены с термоэлектрическими элементами 9, устраняются возможные ламинарные граничные струи. Помимо этого в проточном проходе могут быть также предусмотрены потоконаправляющие лопатки 15, которые равным образом предназначены для создания турбулентности в потоке ОГ и улучшения таким путем теплопередачи от ОГ 2 к первой стенке 21. Кроме того, прежде всего на первых стенках 21 могут быть предусмотрены теплопроводящие структуры 16, которые обладают дополнительной теплоемкостью и благодаря этому, во-первых, отводят максимально возможное количество тепловой энергии от ОГ 2 и отдают ее первым стенкам 21, а во-вторых, накапливают имеющуюся тепловую энергию, отбираемую от ОГ 2, и непрерывно и с незначительной временной задержкой отдают ее первым стенкам 21. Вдоль проточного прохода 8 предусмотрены первые участки 12 и по меньшей мере вторые участки 13, в пределах которых в пластинчатом элементе 36 предусмотрены термоэлектрические элементы 9 разных типов. При этом несколько термоэлектрических элементов 9 одного типа могут быть расположены последовательно.
На фиг.7 схематично в виде сбоку показан проточный проход 8 с байпасным проходом 23, соответственно с защитой 17 от перегрузки, предохраняющим/предохраняющей теплообменные агрегаты 44 и главным образом термоэлектрические элементы 9 от тепловой перегрузки под воздействием слишком высоких температур ОГ 2. ОГ 2 входят в проходы 8, при этом с увеличением противодавления 22 (скоростного напора) возрастает количество ОГ 2, проходящее сквозь вторую стенку 26, которая образована прежде всего фольгой 35, и попадающее в соседний проточный канал. Проточные проходы 8 могут быть также выполнены коническими по их протяженности (этот вариант на чертеже не показан), т.е. прежде всего сужающимися в направлении потока ОГ. Достигаемый благодаря этому эффект заключается прежде всего в том, что с увеличением противодавления 22 отработавшие газы 2 в постоянно возрастающем количестве перенаправляются через имеющиеся во второй стенке 26 поры в соседнюю защиту 17 от перегрузки, соответственно в байпасный проход 23. Байпасный проход 23 прежде всего расположен между несколькими проточными проходами 8, благодаря чему ОГ 2 могут из нескольких проточных проходов 8 проходить сквозь вторые стенки 26 в байпасный проход 23. Поэтому байпасный проход 23 прежде всего может также иметь иное, т.е. в том числе и большее, поперечное сечение по сравнению с поперечным сечением проточных проходов 8.
На фиг.8 схематично показана выполненная по другому предпочтительному варианту защита 17 от перегрузки, соответственно выполненный по другому предпочтительному варианту байпасный проход 23, предусмотренная/предусмотренный внутри проточного прохода 8. Внутри проточного прохода 8 при этом прежде всего предусмотрен элемент 24, сужающийся навстречу направлению потока ОГ внутри проточного прохода 8. В верхней части на фиг.8 такой элемент 24 показан в виде конического элемента. В нижней части на фиг.8 подобный элемент 24 выполнен в виде наклонного элемента, проходящего от первой стенки 21 навстречу направлению 14 потока ОГ 2. Элемент 24 образован второй стенкой 26, которая выполнена перфорированной и сквозь которую тем самым могут проходить ОГ 2. Основание 25 элемента 24 выполнено открытым, и поэтому ОГ 2 могут свободно выходить через это основание 25 из проточного прохода 8. С увеличением противодавления 22 отработавшие газы 2 внутри проточного прохода 8 прежде всего сквозь всю вторую стенку 26 входят в элемент 24, тогда как при малом противодавлении 22 отработавшие газы 2 движутся до конца проточного прохода 8 вдоль второй стенки 26, а их тепловая энергия отводится прежде всего через первую стенку 21 проточного прохода 8 и через термоэлектрические элементы 9 к охлаждающему устройству 11. Таким образом, при высоком противодавлении 22 отработавшие газы 2 прежде всего уже и на первом участке проточного прохода 8 проходят сквозь вторую стенку 26 в байпасный проход 23 и тем самым более не контактирует с первыми стенками 21. При низком же противодавлении 22 отработавшие газы 2 попадают в байпасный проход 23 лишь через прежде всего большие отверстия 46 второй стенки 26 на втором участке 13 проточного прохода 8, по всей длине которого тем самым преобладающее количество ОГ 2 контактирует с первыми стенками 21.
На фиг.9 условно представлены соответствующие потоки ОГ, проходящие по проточному проходу/каналу 8, с одной стороны, и по байпасному проходу 23 ОГ, соответственно по защите 17 от перегрузки, с другой стороны. При этом все поступающее в устройство 1 через вход 5 количество ОГ 2 проходит преимущественно в виде их основного потока 47 по проточному проходу 8 и лишь постепенно в зависимости от увеличивающегося противодавления 22 проходит сквозь вторую стенку 26, а затем частично выходит по защите 17 от перегрузки, соответственно по байпасному проходу 23 в виде байпасного потока 48.
При выполнении байпасного прохода 23 внутри проточного прохода 8, например, за счет размещения в нем элемента 24 согласно фиг.8, из приведенной на фиг.9 диаграммы следует, что к моменту достижения указанной на фиг.8 координаты 49 сквозь вторую стенку 26 уже прошло постоянно возраставшее с увеличением противодавления 22 количество ОГ 2, которое в виде байпасного потока 48 более не контактирует непосредственно с первой стенкой 21.
Настоящее изобретение охватывает по меньшей мере три следующих аспекта, следствием которых является значительное усовершенствование уровня техники:
1) решения, направленные на влияние на поток ОГ для целенаправленного регулирования теплопередачи от них к термоэлектрическим элементам,
2) решения, направленные на реализацию (саморегулирующегося) байпаса в качестве защиты от перегрузки, и
3) решения, направленные на целенаправленное конструктивное исполнение термоэлектрических элементов с учетом (неодинакового) характера потоков ОГ.
Даже несмотря на то, что указанные решения частично рассмотрены в настоящем описании во взаимосвязи между собой и фактически позволяют достичь синергетических преимуществ, реализация каждого из этих решений по отдельности также уже позволяет достичь значительных усовершенствований по сравнению с термоэлектрическими генераторами известных конструкций.
Перечень ссылочных обозначений
1 устройство
2 отработавшие газы (ОГ)
3 двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
4 генератор
5 вход для отработавших газов (ОГ)
6 выход для отработавших газов (ОГ)
7 теплообменный участок
8 проточный проход/канал
9 термоэлектрический элемент
10 сторона
11 охлаждающее устройство
12 первый участок
13 второй участок
14 направление потока
15 потоконаправляющие лопатки
16 теплопроводящие структуры
17 защита от перегрузки
18 граничная струя
19 структура
20 профильный элемент
21 первая стенка
22 противодавление
23 байпасный проход
24 элемент
25 основание
26 вторая стенка
27 катализатор окисления
x
28 NO-накопитель
29 автомобиль
30 элемент для влияния на поток отработавших газов (ОГ)
31 поверхность
32 длина
33 температура
34 аккумулятор
35 фольга
36 пластинчатый элемент
37 диск
38 керамическая пластина
39 полупроводниковый параллелепипед, легированный примесями n-типа
40 полупроводниковый параллелепипед, легированный примесями p-типа
41 перемычка
42 электропроводка
43 защитный слой
44 теплообменный агрегат
45 радиус
46 отверстие
47 основной поток отработавших газов (ОГ)
48 байпасный поток отработавших газов (ОГ)
49 координата.