Устройство для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов - RU2519529C2
Код документа: RU2519529C2
Чертежи
Описание
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 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 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.
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 с входным патрубком для ОГ и выходным патрубком для ОГ, а также по меньшей мере один расположенный между ними теплообменный участок с по меньшей мере одним теплообменным агрегатом, который выполнен с по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом и по меньшей мере одним охлаждающим устройством, с которым по меньшей мере один термоэлектрический элемент при этом соединен неподвижным или жестким соединением (по типу невыпадающего элемента).
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства между входным патрубком и теплообменным участком предусмотрено по меньшей мере одно место изменения направления потока ОГ.
В еще одном варианте между входным патрубком и теплообменным участком предусмотрено по меньшей мере одно место разделения потока ОГ.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства теплообменный участок выполнен со множеством проходов для ОГ, ориентированных поперечно входному патрубку и функционально связываемых с несколькими теплообменными агрегатами, по меньшей мере часть которых от всего их количества выполнена с по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом и по меньшей мере одним охлаждающим устройством.
Под подобным предлагаемым в изобретении устройством подразумевается прежде всего так называемый термоэлектрический генератор. Входной патрубок и выходной патрубок могут быть выполнены прежде всего как часть системы выпуска ОГ или выпускного трубопровода. Однако можно также предусматривать несколько входных патрубков и/или несколько выходных патрубков. 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.
Помимо этого согласно изобретению поток ОГ предлагается перед его входом на теплообменный участок прежде всего отклонять с изменением его направления и разделять. Сказанное означает, например, что поток ОГ движется по выпускному трубопроводу, соответственно по входному патрубку и/или выходному патрубку в своем основном направлении, однако для прохождения через теплообменный участок требуется (полное) изменение направление потока ОГ. При этом направление потока ОГ предпочтительно изменять на направление, ориентированное наклонно, соответственно поперечно указанному основному направлению потока ОГ, вследствие чего весь поток ОГ распределяется в окружном направлении. При этом образуются отдельные или частичные потоки ОГ, движущиеся прежде всего в разных, а отчасти даже во взаимно противоположных направлениях. С целью обеспечить для теплообмена наличие максимально больших по своей площади поверхностей контакта с ОГ их поток разделяют и распределяют по отдельным проходам и прежде всего по отдельным малым каналам. 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. Подобные проходы для ОГ могут быть образованы прежде всего размещаемыми в щели перегородками, бугорками или иными аналогичными элементами. Каналы же в предпочтительном варианте четко отделены друг от друга (например, непрерывной или сплошной стенкой). Однако в отношении проходов для ОГ и/или каналов следует отметить, что в особых случаях отдельные проходы для ОГ, соответственно каналы, могут также сообщаться между собой через соединительные каналы и/или отверстия. Количество 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 каналы имеют проходное сечение, которое существенно меньше проходного сечения входного патрубка, благодаря чему значительно увеличивается площадь поверхности теплообмена, образуемой стенками каналов.
Рядом с 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 по меньшей мере по одному термоэлектрическому элементу по длине прохода для ОГ на теплообменном участке. Охлаждающее устройство расположено с той стороны термоэлектрических элементов, которая обращена от проходов для ОГ. Термоэлектрические элементы при этом 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 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.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства входной патрубок и выходной патрубок расположены друг против друга, а теплообменные агрегаты расположены радиально относительно них. Этот вариант позволяет встраивать входной патрубок и выходной патрубок, 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 одно- и/или многократно отклонять для выхода через выходной патрубок 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 обеспечивается 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 расположен по меньшей мере один термоэлектрический элемент. Использование пластинчатых элементов позволяет при наложении одна на другую двух пластин образовать между ними охлаждающие каналы, через которые пропускается, например, охлаждающая жидкость. Тем самым охлаждающему устройству, соответственно теплообменным агрегатам, удается придать сравнительно 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 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 размещен по меньшей мере один термоэлектрический элемент 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 термоэлектрического элемента с фольгой обеспечивает, кроме того, защитный слой, который прежде всего предотвращает контакт ОГ с покрытым им термоэлектрическим элементом, поскольку ОГ контактируют не непосредственно с термоэлектрическим элементом, 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.
В другом варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства теплообменный агрегат выполнен в виде трубчатого элемента. Такой трубчатый элемент выполнен проточным внутри. Внутреннее пространство трубчатого элемента при этом используется прежде всего в качестве охлаждающего устройства, для чего через это внутреннее пространство пропускают жидкий или газообразный охладитель. На или у стенки трубчатого элемента выполнен по меньшей мере один термоэлектрический элемент, неподвижно соединенный с трубчатым элементом. Тем самым образованный трубчатым элементом теплообменный агрегат позволяет пропускать внутри него охлаждающую среду, а снаружи обтекать его потоком ОГ.
Трубчатый элемент может при этом иметь круглое или же многоугольное поперечное сечение. Множество скомпонованных вместе трубчатых элементов образует уже рассмотренные выше при описании пластинчатых элементов каналы между теплообменными агрегатами.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается также предусматривать на теплообменном участке компенсаторы для возможности относительного перемещения между теплообменными агрегатами. Сказанное означает, в частности, что на теплообменном участке предусмотрены средства, которые при необходимости допускают также возможность относительного перемещения между компонентами теплообменного участка, т.е., например, (минимальное) перемещение каналов с проходящими по ним ОГ относительно теплообменных агрегатов, прежде всего в направлении, совпадающем с основным направлением потока ОГ. Компенсаторы не обязательно следует предусматривать для всех теплообменных агрегатов, а обычно вполне достаточно использовать один компенсатор для всех теплообменных агрегатов. Подобный компенсатор может быть образован, например, упругодеформируемыми, при необходимости предварительно сжатыми листовыми деталями. В качестве компенсаторов прежде всего используют детали, которые (частично) ограничивают проходы для ОГ, например гофрированные листы фольги. Помимо этого на торцевых сторонах теплообменного участка могут быть предусмотрены, например, дополнительные компенсаторы, также образованные, например, (гофрированными) листами фольги, расположенными параллельно пластинчатым элементам и не контактирующими с ОГ.
В следующем варианте генератор выполнен с катализаторным участком, который по меньшей мере частично расположен 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 радиальную сотовую структуру, покрытую пористым оксидом и катализатором окисления (предпочтительно платиной). 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, можно также снабжать покрытием из пористого оксида и катализатора окисления. Подобное покрытие предпочтительно при этом не предусматривать на тех участках каналов, которые непосредственно граничат с термоэлектрическим элементом, поскольку оно может ухудшать теплопроводность в направлении от проходов для ОГ к термоэлектрическим элементам.
Предпочтителен, кроме того, вариант, в котором место изменения направления потока ОГ образовано расположенной во входном патрубке потоконаправляющей структурой. Речь при этом идет преимущественно о потоконаправляющей структуре, расположенной по центру во входном патрубке. Такую потоконаправляющую структуру можно выполнять, например, в виде конуса. Помимо этого можно также использовать статические смесители и иные аналогичные элементы. При определенных условиях может оказаться предпочтительным предусмотреть возможность изменения или регулирования угла наклона и/или осевого положения потоконаправляющей структуры во входном патрубке.
Альтернативно этому и/или дополнительно к этому можно также предусмотреть саморегулирующуюся потоконаправляющую структуру, например потоконаправляющую структуру, которая при разных температурах занимает во входном патрубке разные положения, соответственно устанавливается в разные положения. Для применения в этих целях пригоден прежде всего биметалл, по меньшей мере частично обтекаемый отработавшими газами. Биметалл (также термобиметалл) представляет собой прежде всего металлическую полосу, состоящую из двух слоев разных материалов, которые соединены между собой сплошным соединением (соединением, осуществляемым силами молекулярного сцепления) и/или с геометрическим замыканием. Характерной особенностью биметаллической полосы является изменение ею своей формы при изменении температуры. Изменение формы биметаллической полосы проявляется в виде ее изгиба. Подобное изменение формы биметаллической полосы заключается в разных коэффициентах теплового расширения применяемых металлов.
Помимо этого подобный биметалл, по меньшей мере частично обтекаемый отработавшими газами, можно также использовать для управления работой предлагаемого в изобретении устройства и/или его отдельных компонентов. Так, например, биметалл можно использовать в качестве датчика температуры, благодаря чему в зависимости от степени деформации биметалла по мере необходимости задействуется, например, потоконаправляющая структура.
В еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства предусмотрено по меньшей мере одно регулируемое проточное соединение, ведущее из входного патрубка в выходной патрубок и обеспечивающее возможность прохождения ОГ в обход по меньшей мере части теплообменного участка. Особенно предпочтительно регулируемое проточное соединение, так называемый байпас, которое непосредственно соединяет между собой входной патрубок и выходной патрубок и которое прежде всего имеет одинаковое с ними проходное сечение. В наиболее предпочтительном варианте такое проточное соединение позволяет пропускать весь поток ОГ в обход всего теплообменного участка. Благодаря наличию такого проточного соединения существует, например, возможность пропускать ОГ через теплообменный участок и вырабатывать термоэлектрическую энергию только при определенных нагрузках двигателя и/или в определенных режимах его работы. При необходимости, например, использовать тепловую энергию в расположенных далее по ходу потока ОГ компонентах для снижения токсичности ОГ регулируемое проточное соединение позволяет таким образом предотвращать преждевременный отбор необходимого в последующем тепла от ОГ. Определение "регулируемое" должно трактоваться как означающее возможность изменения расхода ОГ через проточное соединение. В этих целях в принципе можно использовать известные дроссельные заслонки, устанавливаемые в каналах перепуска ОГ, клапаны или иные аналогичные устройства.
В особенно предпочтительном варианте в по меньшей мере одном регулируемом проточном соединении предусмотрена расположенная на его входе подпружиненная поворотная заслонка. Сказанное означает, в частности, что заслонка обычно удерживается пружиной или иным механизмом в положении, в котором она перекрывает проточное соединение, через которое поэтому ОГ не могут проходить вовсе, соответственно могут проходить лишь в очень малом количестве. В конкретно же заданных ситуациях заслонка может активно поворачиваться исполнительным механизмом в положение, в котором ОГ могут проходить через вход проточного соединения и тем самым попадать непосредственно в выходной патрубок. Однако существует также возможность подпружинивать заслонку таким образом, чтобы она поворачивалась автоматически в зависимости от противодавления ОГ. Сказанное означает также, что при особо высоком расходе ОГ степень открытия заслонки увеличивается автоматически. Таким путем удается, например, избежать перегрева термоэлектрического генератора и/или слишком высокой потери давления для необходимой в этих фазах мощности двигателя. Подобный саморегулирующийся механизм имеет особо простую конструкцию и обеспечивает надежную работу предлагаемого в изобретении устройства в течение длительного времени.
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 режима 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.
Настоящее изобретение наиболее предпочтительно использовать в автомобиле, 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 - предлагаемое в изобретении устройство, выполненное по первому варианту,
на фиг.2 - предлагаемое в изобретении устройство, выполненное по другому варианту,
на фиг.3 - фрагмент теплообменного агрегата согласно еще одному варианту осуществления изобретения,
на фиг.4 - пример фольги для изготовления теплообменного участка,
на фиг.5 - поэлементный вид возможной конструкции теплообменного агрегата,
на фиг.6 - схематичный вид автомобиля с интегрированным в него предлагаемым в изобретении устройством,
на фиг.7 - фрагмент выполненного еще по одному варианту предлагаемого в изобретении устройства с местным разрезом верхней части охлаждающего устройства с термоэлектрическим элементом и
на фиг.8 - фрагмент выполненного по одному из вариантов теплообменного агрегата с трубчатым элементом.
На фиг.1 показано выполненное по первому варианту предлагаемое в изобретении устройство 1 для выработки электрической энергии с использованием тепла ОГ, образующихся при работе не показанного на чертеже ДВС 2. Такое устройство 1 в своей нижней части имеет при этом своего рода кольцевой канал, образующий входной патрубок 4 для ОГ. Через этот входной патрубок все ОГ проходят, как указано стрелками, в генератор 3 в соответствующем направлении 24 своего потока. Далее ОГ сначала попадают на катализаторный участок 17, который образован, например, так называемым сотовым элементом, в котором предусмотрено каталитически активное покрытие. После прохождения этого катализаторного участка 17 ОГ попадают на теплообменный участок 6, на котором направление их потока из-за наличия множества предусмотренных во входном патрубке 4 потоконаправляющих структур 18 изменяется на 90° радиально внутрь. При этом ОГ направляются во множество проходов 9, в результате чего обеспечивается разделение 8 потока ОГ у радиально наружной боковой поверхности. Затем ОГ проходят радиально внутрь к расположенному в центре выходному патрубку 5, который в данном случае открыт только с одной стороны (а именно: сверху). В соответствии с этим ОГ вновь выходят из отдельных проходов 9 и движутся вверх к выходу вдоль центральной оси 25.
Вокруг оси 25 соответственно выходного патрубка 5 в радиальном направлении 26 расположено несколько теплообменных агрегатов 10. Такие теплообменные агрегаты 10 охватывают расположенное по центру охлаждающее устройство 12, через которое проходит предпочтительно жидкий охладитель для обеспечения максимально возможной разности температур между охлаждающим устройством 12, с одной стороны, и проходами 9, с другой стороны. В предпочтительном варианте каждый теплообменный агрегат выполнен с отдельным подводом 27 и отдельным отводом 28 для охладителя, что, однако, не является строго обязательным. Между проходами 9 для ОГ и охлаждающим устройством 12 предусмотрены термоэлектрические элементы 11, а в данном случае предусмотрено несколько расположенных последовательно термоэлектрических элементов, что, однако, не является строго обязательным. При прохождении ОГ через проходы 9 создается разность температур, вследствие которой в термоэлектрических элементах 11, которые в данном случае схематично обозначенной на чертеже электропроводкой 29 соединены с аккумулятором 30, вырабатывается термоэлектрическая энергия.
На фиг.2 показано предлагаемое в изобретении устройство 1, выполненное по несколько отличному от рассмотренного выше варианта. В данном случае направление 24 потока ОГ ориентировано в основном сверху вниз. В соответствии с этим все ОГ сначала входят в генератор 3 через расположенный сверху входной патрубок 4. Вблизи входа в генератор 3 по центру во входном патрубке 4 предусмотрена коническая потоконаправляющая структура, которая уже принудительно направляет часть потока ОГ радиально наружу. Далее по ходу потока ОГ предусмотрена заслонка 20, которая для заданного режима работы генератора 3 в основном перекрывает входной патрубок 4, и поэтому (практически) все ОГ принудительно направляются радиально наружу. При этом ОГ затем попадают на катализаторный участок 17, который выполнен, например, по типу радиального сотового элемента также со множеством проходов 9 для ОГ. Стенки таких образующих проточные каналы проходов по меньшей мере частично снабжены покрытием, способствующим протеканию экзотермической реакции в ОГ, которые вследствие этого на выходе из катализаторного участка 17 имеют более высокую тепловую энергию. Затем ОГ проходят далее вниз в плоскости чертежа по фиг.2 в кольцевой канал и из-за его выполнения глухим вновь изменяют направление своего движения, на этот раз радиально внутрь в проходы 9. С целью обеспечить высокую степень отдачи тепловой энергии теплообменным агрегатам 10 генератор 3 снабжен теплоизоляцией 33.
По обе стороны от проходов 9 для ОГ на теплообменном участке 6 предусмотрено по теплообменному агрегату 10. Обычно в таких теплообменных агрегатах внутри них расположено охлаждающее устройство 12, а непосредственно рядом с проходами 9 для ОГ расположены термоэлектрические элементы. Термоэлектрические элементы 11 при этом неподвижно соединены с теплообменными агрегатами 10, прежде всего зафиксированы на них присадочным материалом. После прохождения через эти теплообменные агрегаты 10 ОГ вновь попадают в выходной патрубок 5 и по нему выходят из генератора 3 (вниз в плоскости чертежа по фиг.2).
Сверху слева на фиг.2 показан также особый контур 22 дополнительного охлаждения. Для такого дополнительного охлаждения, например, с помощью расположенного во входном патрубке 4 датчика 32 определяется состав и/или измеряется температура ОГ, и результаты измерений передаются в блок 31 управления. Блок 31 управления в том случае, когда он определяет, что работа генератора 3 более невозможна, например, из-за слишком высокой температуры и что поэтому возникла опасность повреждения термоэлектрических элементов 11, может также инициировать подвод энергии от аккумулятора 30 к термоэлектрическим элементам 11, которые по типу элементов Пельтье обеспечивают охлаждение и таким путем сами себя защищают от повреждения. Подобный контур 22 дополнительного охлаждения способен очень быстро включаться в работу. Для этого при необходимости можно предусмотреть также другие датчики 32 прежде всего на теплообменных агрегатах 10.
Помимо этого с наличием заслонки 20 связана еще одна особенность. Заслонка 20 расположена на входе 21 в проточное соединение 19 между входным патрубком 4 и расположенным напротив него выходным патрубком 5. Заслонка 20 выполнена поворотной, что обозначено соответствующей черной стрелкой. В особенно предпочтительном варианте заслонка 20 усилием пружины удерживается в основном в перпендикулярном направлению 24 потока ОГ положении. Однако при повышении давления ОГ до определенного уровня заслонка 20 (самостоятельно) поворачивается и открывает проточное соединение 19. Таким путем реализуется байпас в обход теплообменного участка 6. Благодаря этому прежде всего обеспечивается защита от перегрузки.
Внизу справа на чертеже показана дополнительная деталь, наличие которой способствует дальнейшему упрощению конструкции устройства 1. Так, например, для реализации охлаждающего устройства 12 можно также использовать радиатор 34 системы рециркуляции ОГ. В данном случае, таким образом, прежде всего предлагается комбинированная система, состоящая из радиатора 34 системы рециркуляции ОГ в составе не показанной на чертеже системы 39 выпуска ОГ и из термоэлектрического генератора 3.
На фиг.3 схематично показана конструкция теплообменного агрегата 10. Теплообменный агрегат 10 расположен рядом с находящимися по обе стороны от него проходами 9, через которые движется поток горячих ОГ. Теплообменный агрегат 10 также имеет внутреннее охлаждающее устройство 12, между которым и каждым из соседних с ним проходов 9 для ОГ предусмотрено по термоэлектрическому элементу 11. Для неподвижного соединения термоэлектрического элемента 11 с охлаждающим устройством 12 в данном случае предусмотрено покрытие, которое тем не менее обладает высокой теплопроводностью. Для пояснения вверху на фиг.3 показана, кроме того, диаграмма, иллюстрирующая изменение температуры 36 ОГ по длине 37 прохода 9 соответственно термоэлектрического элемента 11. С противоположной стороны термоэлектрического элемента 11 температура из-за охлаждения охладителем явно ниже. В результате такого перепада температур проявляется так называемый эффект Зеебека, благодаря чему с термоэлектрического элемента 11 можно снимать электрический ток, подводимый к аккумулятору 30. Во избежание в этом месте прежде всего непосредственного контакта термоэлектрических элементов 11 (соответственно полупроводниковых элементов) с ОГ предусмотрен покрывающий их защитный слой 35.
При наличии у образующих проходы 9 компонентов характеристики теплового расширения, отличной от характеристики теплового расширения теплообменного агрегата 10, соответственно охлаждающего устройства 12, можно предусматривать компенсаторы 16, компенсирующие подобные различия в характеристиках теплового расширения. Наличие таких компенсаторов прежде всего позволяет предотвратить деформацию проходов 9 и/или серьезное ухудшение контакта между прилегающими друг к другу стенками проходов 9 и термоэлектрическими элементами 11.
На фиг.4 показана фольга 15, которую можно использовать прежде всего для выполнения стенок, ограничивающих проходы 9 для ОГ и/или проходы в охлаждающем устройстве 12. Такая фольга 15 имеет профильную структуру 38, образованную попеременно чередующимися в окружном направлении листа фольги возвышениями и впадинами между ними с образованием в результате проходящих в направлении радиуса 26 проходов или каналов. Такие каналы могут также проходить по спирали, вследствие чего в направлении радиуса 26 будут попеременно чередоваться возвышения и впадины между ними. При наборе нескольких таких листов фольги 15 в пакет между ними могут образовываться проходы или каналы 9, соответственно охлаждающее устройство 12.
На фиг.5 схематично в поэлементном виде показана возможная конструкция теплообменного агрегата 10. Такой теплообменный агрегат имеет верхнюю сторону 14, которая на фиг.5 также показана сверху. На этой верхней стороне теплообменного агрегата расположена система из термоэлектрических элементов 11, которые ориентированы, например, радиально, прежде всего при такой же ориентации проходов 9. Помимо этого теплообменный агрегат 10 имеет центральный пластинчатый элемент 13, в котором выполнено охлаждающее устройство 12. В него втекает охладитель, который движется далее в окружном направлении пластинчатого элемента 13 и затем вновь выходит из охлаждающего устройства. Вместе с тем возможна также реализация иных направлений и/или схем разделения потока охладителя. На противолежащей нижней стороне 14 теплообменного агрегата также расположены термоэлектрические элементы 11, которые в данном случае обозначены лишь штриховыми линиями, поскольку они расположены снизу.
На фиг.6 схематично показано предлагаемое в изобретении устройство 1 при его применении по предпочтительному назначению. На чертеже при этом схематично показан автомобиль 23 с ДВС 2. ОГ, образующиеся при работе ДВС 2, например двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси или дизельного двигателя, попадают затем в систему 39 их выпуска. Предлагаемое в изобретении устройство 1 предпочтительно устанавливать при этом непосредственно за ДВС 2. Оно может представлять собой часть самой системы 39 выпуска ОГ, но при необходимости может также представлять собой часть системы 41 рециркуляции ОГ, что позволяет использовать ее радиатор 34 для реализации охлаждающего устройства, в чем состоит особое преимущество. После прохождения через термоэлектрический генератор 3 ОГ можно подавать также в устройство 40 для снижения их токсичности и лишь после нейтрализации в нем выбрасывать в атмосферу.
На фиг.7 показан фрагмент выполненного еще по одному варианту предлагаемого в изобретении устройства с местным разрезом верхней части охлаждающего устройства с термоэлектрическим элементом 11. Лишь для полноты описания необходимо отметить, что из расчета на одно охлаждающее устройство 12 (чаще всего) предусмотрено несколько термоэлектрических элементов 11, которые электрически соединены между собой по параллельной и/или последовательной схеме. В данном случае термоэлектрический элемент 11 герметично расположен между защитным слоем 35 и пластинчатым элементом 13 охлаждающего устройства 12 и присадочным материалом соединен с пластинчатым элементом 13. Термоэлектрический элемент 11 имеет несколько попарно расположенных разных полупроводниковых параллелепипедов (полупроводниковых параллелепипедов 44, легированных примесями p-типа, и полупроводниковых параллелепипедов 43, легированных примесями n-типа), которые попеременно их верхней и нижней сторонами соединены с металлическими электропроводными перемычками 45. Такие перемычки 45 нанесены на керамические пластины 42, благодаря чему обеспечивается направленное прохождение тока через перемычки 45. При прохождении горячих ОГ вдоль защитного слоя 35 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.8 показан еще один фрагмент выполненного по одному из вариантов теплообменного агрегата, для реализации которого используется несколько трубчатых элементов 46. При этом на каждом трубчатом элементе 46 расположено по несколько распределенных в его окружном направлении и ориентированных в его осевом направлении термоэлектрических элементов 11, которые расположены на стенке 47 трубчатого элемента и неподвижно соединены с ней. Снаружи термоэлектрические элементы 11 закрыты охватывающим их защитным слоем 48, который прежде всего предотвращает контакт термоэлектрических элементов 11 с ОГ. В остальном в отношении конструкции, схем электрических соединений, направления потоков, материалов и иных особенностей можно соответственно сослаться на приведенные выше пояснения, относящиеся к другим вариантам выполнения теплообменного агрегата.
Перечень ссылочных обозначений
1 устройство
2 двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
3 генератор
4 входной патрубок для отработавших газов (ОГ)
5 выходной патрубок для отработавших газов (ОГ)
6 теплообменный участок
7 место изменения направления потока отработавших газов (ОГ)
8 место разделения потока отработавших газов (ОГ)
9 проход для отработавших газов (ОГ)
10 теплообменный агрегат
11 термоэлектрический элемент
12 охлаждающее устройство
13 пластинчатый элемент
14 сторона
15 фольга
16 компенсатор
17 катализаторный участок
18 потоконаправляющая структура
19 проточное соединение
20 заслонка
21 вход
22 система дополнительного охлаждения
23 автомобиль
24 направление потока
25 ось
26 радиус
27 подвод
28 отвод
29 электропроводка
30 аккумулятор
31 блок управления
32 датчик
33 теплоизоляция
34 радиатор системы рециркуляции отработавших газов (ОГ)
35 защитный слой
36 температура
37 длина
38 профильная структура
39 система выпуска отработавших газов (ОГ)
40 устройство для снижения токсичности отработавших газов (ОГ)
41 система рециркуляции отработавших газов (ОГ)
42 керамическая пластина
43 полупроводниковый параллелепипед, легированный примесями n-типа
44 полупроводниковый параллелепипед, легированный примесями p-типа
45 перемычка
46 трубчатый элемент
47 стенка трубчатого элемента
48 защитный слой
Реферат
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство (1) для выработки электрической энергии с использованием тепла отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, имеет генератор (3) с входным патрубком (4) для ОГ и выходным патрубком (5) для ОГ. Устройство имеет расположенный между патрубками теплообменный участок (6) с теплообменным агрегатом (10), который выполнен с термоэлектрическим элементом (11) и охлаждающим устройством (12), с которым термоэлектрический элемент (11) соединен неподвижным соединением. Теплообменный участок (6) выполнен со множеством проходов (9) для ОГ, ориентированных поперечно входному патрубку (4) и функционально связанных с несколькими теплообменными агрегатами (10), по меньшей мере часть которых от всего их количества выполнена с по меньшей мере одним термоэлектрическим элементом (11) и по меньшей мере одним охлаждающим устройством (12). Проходы (9) для ОГ и термоэлектрические элементы (11) ориентированы радиально. Раскрыт автомобиль, в котором используется устройство для выработки электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. 2 н. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
