从发动机排气中回收余热的包含相变材料的热电发电机制造技术

本发明专利技术涉及从发动机排气中回收余热的包含相变材料的热电发电机，具体涉及一种热电器件，该热电器件用来置于以碳氢化合物为燃料的燃烧装置的排气中并且特别适合用于驱动车辆的内燃发动机的排气流中。经过该器件的排气与热电模块的一侧热连通，而热电模块的另一侧与较低温度环境热连通。热电模块将从排气中提取的热量转换成电能。通过将热电模块的热接点和冷接点与相变材料热耦接而增强发电机的性能，相变材料在与热电模块的优选工作温度相容的温度下发生转变。在第二实施例中，各自具有优选工作温度并且各自具有唯一匹配相变材料的多个热电模块可用于补偿排气在穿过排气管长度时排气温度的逐步下降。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于高效地从内燃发动机排气流中提取至少一部分热能并将提取的能量转换成电能的装置和方法。
技术介绍
火花点火式和压燃式内燃发动机的效率的提高已显著促进了车辆燃料经济性的改善。尽管发动机效率取得了这些改善，但燃料中的可利用能量的相当可观部分仍以余热的形式排放，而余热的相当大的部分在高温下被排放到车辆排气中。如果可以高效地捕获排气流中所包含的至少一部分余热，则可以进一步提高车辆的燃料经济性。
技术实现思路
许多机动车在车辆前部具有以汽油或柴油为燃料的发动机并且具有燃烧气体排气管道，该排气管道连接到发动机的排气歧管并且在车辆下面通到排出排气的后部。这个排气管道包括耐高温合金钢管的部分，其通常将热的发动机排气运送入和运送出催化的排气处理容器；排气共振器；以及用于从排气中除去污染物且控制其噪声的消声器。钢排气管通常是圆形的，其内径为约70毫米至约100毫米。离开排气歧管的排气的温度在任何时候均为发动机运行时间和燃料消耗量的函数，排气的温度可以在约500°C的高温至 100°C或以下的范围内。催化转化器中的氧化反应经常提高在转化器下游的排气温度。根据本专利技术的实施例，排气管道系统还包括一个或多个热电模块，各热电模块包含适当封装的组件，该组件包含多个热电元件，热电元件具有用于提取电能的整体式电互连器和电连接器。热电元件(位于模块内)的指定高温侧被热排气加热而较低温度侧被冷却。这样，热电模块由排气产生电能并将电能传导至附近的蓄电池以用于车辆上的各部件。 例如，经常利用周围空气或发动机冷却剂来冷却热电模块的较低温度侧(冷侧)。热电器件包含一批热电模块，它们布置在排气路径(或者用于排气的管道构件)的圆周(或周边)的周围并沿排气的流动轴线，从而在模块高温侧与流动气体之间提供期望的传热接触区域。对热电组合物(composition)加以选择，使其在车辆发动机排气系统排气温度的典型预期上限内的温度(或者窄的温度范围)下有效运行。在本专利技术的实施例中，将一个或多个体积的相变材料同延地(coextensively)置于热的排气与热电模块高温侧之间。对相变材料的组合物加以选择，使其在热电元件的期望高温侧经历熔化-凝固循环。因此，相变材料的量、其熔化温度、及其比潜热起着稳定温度调节器的作用，用于热电材料与经常连续变化温度的排气之间的热传递。类似地，在热电材料的低温侧与用于与热电模块的指定低温侧进行热交换的介质之间可使用较低温度相变材料。取决于热电器件沿排气路径的长度和排气在该长度内的典型温降，可在下游模块的热侧和冷侧使用另外的不同相变材料和热电材料。这些下游模块可适用于更高效地从较低的下游温度发动机排气中提取能量。如果在不频繁的升高的排气温度持续期间(例如当汽车在爬长的坡道期间或者拖曳重负载时)全部体积的相变材料转变为其高温相，那么相变材料将不能够在恒定温度下存储额外的热，并且相变材料的温度及相应地热电模块的温度将升高。如果热电模块变得过热并超过其优选的工作温度，那么热电元件可能被氧化或分解或以其他方式退化。因此，可通过并入旁通(排气)管来改变排气系统，旁通(排气)管从在热电器件上游的排气管中分叉出来并重新接入在热电模块下游的排气管。借助于适当的阀，可引导排气经过热电模块或经过旁通管。当相变材料不再能够在温度不升高的情况下吸收热时， 可引导排气经过旁通管。可通过测量相变材料的温度来评价相变材料的能力，合适时可利用此信号来控制和致动所述阀以引导排气。此概念的变体是允许周围空气以适当比例进入排气流中，以维持空气-排气混合物的温度在优选的温度范围附近或之内。可以对此温度范围加以选择，使得相变材料的热吸收能力将不会被超过并且不会发生热电模块的过热。优选地，利用至少一个积分控制器来控制通风阀，并且利用包含传感器(用于报告致动器位置)的致动器来打开和关闭通风阀。更优选地，可采用比例-积分或者比例-积分-微分控制。 本专利技术还涉及以下技术方案。方案1. 一种用于内燃发动机的排气系统，所述内燃发动机用于驱动机动车且具有循环冷却剂，所述排气系统包括带排气歧管的发动机，利用发动机工作将燃烧气体的排气流从所述排气歧管中排出， 所述排气的温度在一温度范围内变化；排气管道系统，其用于将在被包含流道中的气体从所述排气歧管引导至气流终点，所述排气在所述气流终点处从车辆排放，所述被包含流道的位置具有用于从所述排气向热电器件进行热传递的周边；所述热电器件包括至少一个用于由排气的热能产生电能的热电模块，所述热电器件具有高温侧和低温侧并且被成形于和置于所述排气流道的一部分的周边的周围，所述热电器件的高温侧与流动的排气流传热接触；以及导热材料的主体，其被包含和介于所述排气流道周边的周围并且在所述排气与所述热电器件的高温侧之间，所包含的导热材料提供所述排气与所述热电器件的高温侧之间的热传递路径，导热材料的所述主体具有质量和熔点或熔化范围使得从所述排气传递的热熔化材料的所述主体的一部分，当其被所述排气加热时，材料的部分熔化的主体的潜热降低所述热电器件的高温侧的温度。方案2.如方案1所述的排气系统，还包括与所述热电器件的低温侧传热接触的、 被包含的导热材料的第二主体，导热材料的所述第二主体具有质量和熔点或熔化范围使得从所述排气传递且经过所述热电器件的热熔化材料的所述第二主体的一部分，当其被所述排气加热时，材料的部分熔化的第二主体的潜热降低所述热电器件的低温侧的温度。方案3.如方案2所述的排气系统，其中，导热材料的所述第二主体与循环的发动机冷却剂热接触。方案4.如方案1所述的排气系统，还包括与所述热电器件平行定位的旁通管、以及用于引导发动机排气经过所述热电器件或经过所述旁通管的阀。方案5.如方案4所述的排气系统，还包括温度传感器、控制器和阀致动器。方案6.如方案1所述的排气系统，还包括在所述热电器件上游的空气进口，所述空气进口通道具有由阀控制的开口，以便允许周围空气进入以冷却所述排气。方案7.如方案6所述的排气系统，还包括温度传感器、控制器、和带传感器的阀致动器。方案8.如方案1所述的排气系统，其中，所述热电模块包括基本上由填隙或部分填隙的方钴矿所构成的η型和ρ型半导体元件，所述方钴矿包括钴和锑并且具有一种或多种选自由Na、K、Ca、Sr、Ba、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、La和％组成的组的填充原子。方案9.如方案8所述的排气系统，其中，所述η型半导体热电元件具有组合物BaO. 08^ . 05^0. CnCo4Sb12. 05。方案10. —种适合并且将形状设计成放置于排气系统中的热电器件，用于暂时容纳和释放来自内燃发动机的热的、流动的排气流，所述内燃发动机用于推进机动车，所述热电器件包括至少一个热电模块，其用于由经加热排气的热能产生电能，所述热电器件具有高温侧和低温侧并被置于排气流道的一部分的周边的周围，所述热电器件的高温侧与流动的排气流传热接触；以及导热材料的主体，其与所述热电模块同延，并且被包含和介于所述排气的周边的周围与所述热电器件的高温侧，所包含的导热材料提供所述排气与所述热电器件的高温侧之间的热传递路径，导热材料的所述主体具有质量和熔点或者熔化范围使得从所述排气传递的热熔化材料的所述主体的一部分，当其被所述热排气加热时，材料的部分熔化的主体的潜热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GP梅斯纳，J杨，
申请(专利权)人：GP梅斯纳，J杨，
类型：发明
国别省市：