WO2009030392A1 - The use of semiconductor block elements for preheating or heating internal combustion engines - Google Patents

The use of semiconductor block elements for preheating or heating internal combustion engines Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the use of semiconductor block elements for preheating or heating internal combustion engines, in particular by the preheating or heating of the fluids contained in these motors.
  • the object of the invention is to provide a solution by means of which the significant environmental impact of internal combustion engines can be minimized and which is applicable to conventional engine concepts.
  • the object is achieved by the use of known semiconductor block elements.
  • the semiconductor block element is formed from thermocouples, which are preferably arranged so that they form the largest possible aufströmbare surface.
  • thermocouples have the property that, when current flows through, thermoelectric effects are superimposed in them. These are the Seebeck and the Peltier effect.
  • QP ⁇ l2 * /, where ⁇ i / 2 is referred to as the Peltier coefficient of the conductor combination.
  • the Peltier coefficient is positive if the current flow from conductor 1 to conductor 2 causes heat to develop at the contact point.
  • the inverse of the Peltier effect is the sea bass effect.
  • thermoelectric voltage is proportional to the temperature difference between the contact points. It applies
  • the proportionality factor ⁇ i, 2 is referred to as the thermo-power or Seebeck coefficient of the ladder combination.
  • ⁇ i, 2 1,2 is positive when, in the closed loop, the (conventional) thermo-current flows from the conductor 1 to the conductor 2 at the colder contact point.
  • Figure 1 shows a variant of a semiconductor block element 1 with an array of thermocouples 2 in the composite.
  • the arrangement of the elements 2 to each other is shown only by way of example.
  • the known semiconductor block elements are known to be equipped depending on the task to be solved primarily either for temperature generation with Peltier elements or for power generation with Seebeck electroden.
  • both types of element For the preheating or heating of motors according to the invention, the use of both types of element is conceivable. Both types of elements can be used both for heat generation and for energy production
  • Peltier elements used primarily for heat generation have the advantage of better heat generation, but have disadvantages in "reverse" use for energy production, contrary results are expected from the Seebeck electroden.
  • Peltier elements would be preferred, or the point of view of the use of the elements in the operation for energy production, here Seebeck electrode should be used.
  • the semiconductor block element used according to the invention is arranged in such a way that it flows through the respective medium, which may be motor oil, cooling water or preheating fuel, and electrical energy is applied to the thermocouples forming the semiconductor block, thereby generating heat the medium flowing through the semiconductor block element is discharged.
  • the respective medium which may be motor oil, cooling water or preheating fuel
  • Control the semiconductor block element for generating electrical Energy are used and thus the vehicle battery to be charged or the electrical system to be powered.
  • the stabilization of the known semiconductor block elements 1 is achieved by the use of a direct contact, which is preferably made possible by the execution of an internal encapsulation of the thermocouples 2. At the same time an electrical insulation of the contacts is realized.
  • Figure 2 shows a possible embodiment in the form of a possible connection of semiconductor block elements 1 to a power generation system 5 in section.
  • This power generation system 5 is surrounded by an outer shell 6, which is preferably flowed through by the temperature-carrying media.
  • the power generation system 5 in the illustrated variant is formed from internally coupled semiconductor block elements I 1 . These form an inner flow region K1, which is flowed through by a low-temperature-carrying medium.
  • a middle flow region H1 is bounded by an outer further ring of coupled semiconductor block elements 1a and is flowed through by a high-temperature-carrying medium.
  • Between the outer shell 6 and the semiconductor block elements 1a flows a low-temperature-carrying medium K2.
  • semiconductor block elements or systems is that in the flow areas (Kl, Hl, K2, H2 ...) elements are arranged, which are suitable to trigger a conversion of laminar flow into turbulent flow.
  • This embodiment has the advantage that a reduction of the flow velocity is achieved, which allows an optimization of the heat transfer in closed systems at a defined predetermined pressure.
  • Figures 3 and 4 show a further variant of an embodiment of the semiconductor block elements or systems, wherein Figure 3 shows a vertical section and Figure 4 shows a horizontal section.
  • This proposed variant 5 is surrounded by an outer shell 6, which receives or forms the supply of the flow areas K and H.
  • the energy or heat generation system 5 in the illustrated variant is formed from mutually coupled semiconductor block elements I 1 . These form parallel flow areas K, which are flowed through by a low-temperature-carrying medium and flow areas H, which are flowed through by a high-temperature-carrying medium, so that a preferably a meander-like flow takes place.
  • the structure of this type of block element is designed so that the largest possible number of semiconductor elements is combined in different levels.
  • thermocouples 2 Space utilization also given optimal utilization of the thermocouples 2.

Abstract

The invention relates to the use of semiconductor block elements for preheating or heating internal combustion engines, especially by the preheating or heating of liquids in these engines. The semiconductor block element, used according to the invention, is disposed so that the respective medium, which may, for example, be an engine oil or also a fuel, which is to be preheated, can flow through and that electrical energy is supplied to the thermal elements forming the semiconductor block and heat is produced thereby, which is emitted to the medium flowing through the semiconductor block element.

Description

Verwendung von Halbleiterblockelementen zur Vorbeziehungsweise Erwärmung von Verbrennungsmotoren Use of semiconductor block elements for preventing or heating internal combustion engines
Die Erfindung betrifft die Verwendung von Halbleiterblockelementen zur Vor- beziehungsweise Erwärmung von Verbrennungsmotoren, insbesondere durch die Vor- beziehungsweise Erwärmung der sich in diesen Motoren befindlichen Flüssigkeiten.The invention relates to the use of semiconductor block elements for preheating or heating internal combustion engines, in particular by the preheating or heating of the fluids contained in these motors.
Es ist bekannt, dass zur Einsparung von beispielsweise Dieselkraftstoff und mit dessen Verbrennung einher gehender Umweltbelastung, insbesondere bei verbrauchsintensiven Verbrennungsmotoren, welche vorwiegend zum Einsatz in LKW oder Landwirtschaftsmaschinen gelangen, viele Versuche durchgeführt wurden, mit dem Ziel, Dieselkraftstoff durch weniger belastende Kraftstoffe wie beispielsweise Pflanzenöle zu ersetzen.It is known that many attempts have been made to save, for example, diesel fuel and environmental pollution associated with its combustion, especially in high-consumption internal combustion engines, which are predominantly used in trucks or agricultural machinery, with the aim of reducing diesel fuel by less polluting fuels such as vegetable oils to replace.
Auch wurden umfangreiche Bestrebungen durchgeführt, die Umweltbelastung durch Verbrennungsmotoren überhaupt zu senken.Extensive efforts have been made to reduce the environmental impact of internal combustion engines.
Eine besondere Belastung mit die Umwelt belastenden Gasen und anderen Verbrennungsrückständen ist regelmäßig bei kalten Verbrennungsmotoren festzustellen.A special burden with the environment polluting gases and other combustion residues is regularly observed in cold combustion engines.
In der Phase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur treten bei allen Verbrennungsmotoren unabhängig vom zu verbrennenden Kraftstoff erhöhte Belastungen auf.In the phase until reaching the operating temperature occur in all internal combustion engines, regardless of the fuel to be burned increased loads.
Es ist bekannt, dass bei so genannten Hybridfahrzeugen eine Vorwärmung des Verbrennungsmotors mittels der in diesen Fahrzeugen zur Verfügung stehenden Elektroenergie erfolgt.It is known that in so-called hybrid vehicles preheating of the internal combustion engine takes place by means of the electric energy available in these vehicles.
BESTÄTIGUNGSKOPlt Nachteilig ist es hierbei, dass sich die Motorenkonzepte dieser Fahrzeuge noch nicht am Markt durchgesetzt haben und bei weitem nicht von allen Fahrzeugherstellern angeboten werden.BESTÄTIGUNGSKOPlt The disadvantage here is that the engine concepts of these vehicles have not yet prevailed in the market and are far from being offered by all vehicle manufacturers.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzubieten, mittels welcher die erheblichen Umweltbelastungen durch Verbrennungsmotoren minimiert werden kann und welche bei herkömmlichen Motorkonzepten anwendbar ist.The object of the invention is to provide a solution by means of which the significant environmental impact of internal combustion engines can be minimized and which is applicable to conventional engine concepts.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von bekannten Halbleiterblockelementen gelöst.The object is achieved by the use of known semiconductor block elements.
Diese bekannten Halbleiterblockelemente werden regelmäßig zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt.These known semiconductor block elements are regularly used for generating electrical energy.
Dabei wird das Halbleiterblockelement aus Thermoelementen gebildet, welche vorzugsweise so angeordnet sind, dass sie eine möglichst große anströmbare Oberfläche bilden.In this case, the semiconductor block element is formed from thermocouples, which are preferably arranged so that they form the largest possible aufströmbare surface.
Bekannte Thermoelemente haben die Eigenschaft, dass, wenn sie stromdurchflossen sind, sich thermoelektrische Effekte in ihnen überlagern. Dies sind der Seebeck- und der Peltiereffekt.Known thermocouples have the property that, when current flows through, thermoelectric effects are superimposed in them. These are the Seebeck and the Peltier effect.
Wenn ein elektrischer Strom einen Zweileiterkreis durchfließt, wird je nach Stromrichtung an der einen Kontaktstelle Wärme erzeugt, wogegen an der anderen Kontaktstelle Wärme absorbiert wird. Hierbei wird vom Peltiereffekt gesprochen. Die dabei je Zeiteinheit erzeugte bzw. absorbierte Wärmemenge QP ist proportional zur elektrischen Stromstärke /. Dabei giltWhen an electric current flows through a two-wire circuit, heat is generated at one pad depending on the current direction, while heat is absorbed at the other pad. This is spoken by the Peltier effect. The amount of heat Q P generated or absorbed per unit time is proportional to the electric current. It applies
QP = πlι2 */ , wobei πi/2 als Peltierkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet wird. Der Peltierkoeffizient ist positiv, wenn der Stromfluss von Leiter 1 nach Leiter 2 Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle bewirkt.QP = π l2 * /, where πi / 2 is referred to as the Peltier coefficient of the conductor combination. The Peltier coefficient is positive if the current flow from conductor 1 to conductor 2 causes heat to develop at the contact point.
Die Umkehrung des Peltiereffekts ist der Seebeckeffekt.The inverse of the Peltier effect is the sea bass effect.
Werden in einem offenen Zweileiterkreis, bestehend aus den Leitern 1 und 2, die Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturen Tw und Tκ gebracht, so wird an den freien Leiterenden eine elektrische Spannung Us erzeugt. Diese Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den Kontaktstellen. Dabei giltIf, in an open two-wire circuit, consisting of the conductors 1 and 2, the contact points are brought to different temperatures T w and T k , an electrical voltage Us is generated at the free conductor ends. This thermoelectric voltage is proportional to the temperature difference between the contact points. It applies
Us = αi#2 (Tw und Tκ)Us = αi # 2 (Tw and T κ )
Der Proportionalitätsfaktor αi,2 wird als Thermokraft oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Definitionsgemäß ist ααi,2 1,2 positiv, wenn im geschlossenen Kreis der (konventionelle) Thermostrom an der kälteren Kontaktstelle vom Leiter 1 zum Leiter 2 fließt.The proportionality factor αi, 2 is referred to as the thermo-power or Seebeck coefficient of the ladder combination. By definition, ααi, 2 1,2 is positive when, in the closed loop, the (conventional) thermo-current flows from the conductor 1 to the conductor 2 at the colder contact point.
Abbildung 1 zeigt eine Variante eines Halbleiterblockelementes 1 mit einer Anordnung von Thermoelementen 2 im Verbund. Die Anordnung der Elemente 2 zueinander ist dabei lediglich beispielhaft dargestellt.Figure 1 shows a variant of a semiconductor block element 1 with an array of thermocouples 2 in the composite. The arrangement of the elements 2 to each other is shown only by way of example.
Die bekannten Halbleiterblockelemente werden bekanntermaßen in Abhängig der vorrangig zu lösenden Aufgabe entweder zur Temperaturerzeugung mit Peltierelementen oder aber zur Energieerzeugung mit Seebeckelementen ausgestattet.The known semiconductor block elements are known to be equipped depending on the task to be solved primarily either for temperature generation with Peltier elements or for power generation with Seebeckelementen.
Zur erfindungsgemäßen Vor- beziehungsweise Erwärmung von Motoren ist der Einsatz beider Elementearten denkbar. Beide Elementearten sind sowohl zur Wärmeerzeugung als auch zur Energieerzeugung einsetzbarFor the preheating or heating of motors according to the invention, the use of both types of element is conceivable. Both types of elements can be used both for heat generation and for energy production
Die vorrangig zur Wärmeerzeugung eingesetzten Peltierelemente weisen den Vorteil einer besseren Wärmeerzeugung auf, haben jedoch Nachteile bei „umgekehrter" Nutzung zur Energieerzeugung, gegenteilige Ergebnisse sind von den Seebeckelementen zu erwarten.The Peltier elements used primarily for heat generation have the advantage of better heat generation, but have disadvantages in "reverse" use for energy production, contrary results are expected from the Seebeckelementen.
So kann eine Auswahl der Elemente erfolgen unter den Gesichtspunkten der schnelleren Erwärmung, hier wäre Peltierelementen der Vorzug zu geben, oder dem Gesichtspunkt der Nutzung der Elemente im Betrieb zur Energieerzeugung, hier sollten Seebeckelemente zum Einsatz kommen.Thus, a selection of the elements can be made from the viewpoint of faster heating, here Peltier elements would be preferred, or the point of view of the use of the elements in the operation for energy production, here Seebeckelemente should be used.
Da jedoch mittels der im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugten Temperaturen durch das erfindungsgemäß eingesetzte Halbleiterblockelement ausreichend elektrische Energie zur Versorgung des Bordnetzes erzeugt werden kann, ist auch eine entsprechende Kombination dieser Elemente denkbar.However, since sufficient electrical energy can be generated to supply the vehicle electrical system by means of the temperatures generated during operation of the internal combustion engine by the semiconductor block element used according to the invention, a corresponding combination of these elements is also conceivable.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Halbleiterblockelement wird dabei so angeordnet, dass es von dem jeweiligen Medium, welches beispielsweise Motoröl, Kühlwasser, aber auch vorzuwärmender Kraftstoff sein kann, durchströmt wird und dass auf die den Halbleiterblock bildenden Thermoelemente elektrische Energie aufgegeben und dadurch Wärme erzeugt wird, welche an das das Halbleiterblockelement durchströmende Medium abgegeben wird.The semiconductor block element used according to the invention is arranged in such a way that it flows through the respective medium, which may be motor oil, cooling water or preheating fuel, and electrical energy is applied to the thermocouples forming the semiconductor block, thereby generating heat the medium flowing through the semiconductor block element is discharged.
Sind der Motor und die betreffenden Medien ausreichend erwärmt und haben ihre Betriebstemperatur erreicht, so kann durch entsprechendeIf the engine and the relevant media are sufficiently warmed up and have reached their operating temperature, so can by appropriate
Steuerung das Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden und damit die Fahrzeugbatterie geladen werden beziehungsweise das Bordnetz versorgt werden.Control the semiconductor block element for generating electrical Energy are used and thus the vehicle battery to be charged or the electrical system to be powered.
Nachfolgend soll der Aufbau der Halbleiterblockelemente noch näher erläutert werden.Hereinafter, the structure of the semiconductor block elements will be explained in more detail.
Die Stabilisierung der bekannten Halbleiterblockelemente 1 wird erreicht durch die Anwendung einer direkten Kontaktierung, welche vorzugsweise durch die Ausführung eines Innenvergusses der Thermoelemente 2 ermöglicht wird. Gleichzeitig wird dadurch eine elektrische Isolierung der Kontakte realisiert.The stabilization of the known semiconductor block elements 1 is achieved by the use of a direct contact, which is preferably made possible by the execution of an internal encapsulation of the thermocouples 2. At the same time an electrical insulation of the contacts is realized.
Abbildung 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform in Form einer möglichen Verbindung von Halbleiterblockelementen 1 zu einem Energieerzeugungssystem 5 im Schnitt.Figure 2 shows a possible embodiment in the form of a possible connection of semiconductor block elements 1 to a power generation system 5 in section.
Dieses Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche vorzugsweise von den temperaturführenden Medien durchströmt wird. Beispielhaft wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus innenliegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen I1. Diese bilden einen inneren Strömungsbereich Kl, welcher von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt wird. Ein mittlerer Strömungsbereich Hl wird von einem äußeren weiteren Ring gekoppelter Halbleiterblockelementen la begrenzt und wird von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt. Zwischen der äußeren Hülle 6 und den Halbleiterblockelementen la strömt wiederum ein niedrig- temperaturführendes Medium K2. Mittels dieser Anwendungsform 5 ist unter optimaler Raumnutzung eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben. Eine paarweise Erweiterung dieses Systems um weitere Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich.This power generation system 5 is surrounded by an outer shell 6, which is preferably flowed through by the temperature-carrying media. By way of example, the power generation system 5 in the illustrated variant is formed from internally coupled semiconductor block elements I 1 . These form an inner flow region K1, which is flowed through by a low-temperature-carrying medium. A middle flow region H1 is bounded by an outer further ring of coupled semiconductor block elements 1a and is flowed through by a high-temperature-carrying medium. Between the outer shell 6 and the semiconductor block elements 1a, in turn , flows a low-temperature-carrying medium K2. By means of this application form 5 optimal utilization of the thermocouples 2 is given under optimum use of space. A pairwise expansion of this system by further flow ranges K and H is readily possible.
Weitere Ausgestaltungen der Halbleiterblockelemente beziehungsweise -syteme besteht darin, dass in den Strömungsbereichen (Kl, Hl, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine Umwandlung von laminarer Strömung in turbulente Strömung auszulösen.Further embodiments of the semiconductor block elements or systems is that in the flow areas (Kl, Hl, K2, H2 ...) elements are arranged, which are suitable to trigger a conversion of laminar flow into turbulent flow.
Diese Ausgestaltung bewirkt den Vorteil, dass dadurch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche eine Optimierung des Wärmeübergangs in geschlossenen Systemen bei definiertem vorgegebenem Druck ermöglicht.This embodiment has the advantage that a reduction of the flow velocity is achieved, which allows an optimization of the heat transfer in closed systems at a defined predetermined pressure.
Abbildung 3 und 4 zeigen eine weitere Variante einer Ausgestaltung der Halbleiterblockelemente beziehungsweise -syteme, wobei Abbildung 3 einen Vertikalschnitt und Abbildung 4 einen Horizontalschnitt zeigen.Figures 3 and 4 show a further variant of an embodiment of the semiconductor block elements or systems, wherein Figure 3 shows a vertical section and Figure 4 shows a horizontal section.
Diese hier vorgeschlagene Variante 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben, welche die Zuführung der Strömungsbereiche K und H aufnimmt beziehungsweise bildet. Beispielhaft wird das Energie- bzw. Wärmeerzeugungssystem 5 in der dargestellten Variante gebildet aus aufeinander liegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen I1. Diese bilden parallel abwechselnd angeordnete Strömungsbereiche K, welche von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt werden und Strömungsbereiche H, welche von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt werden, so dass eine vorzugsweise einem Mäander ähnelnde Durchströmung stattfindet. Der Aufbau dieser Art Blockelement ist dabei so ausgeführt, dass eine möglichst große Anzahl von Halbleiterelementen in verschiedenen Ebenen zusammengefasst ist.This proposed variant 5 is surrounded by an outer shell 6, which receives or forms the supply of the flow areas K and H. By way of example, the energy or heat generation system 5 in the illustrated variant is formed from mutually coupled semiconductor block elements I 1 . These form parallel flow areas K, which are flowed through by a low-temperature-carrying medium and flow areas H, which are flowed through by a high-temperature-carrying medium, so that a preferably a meander-like flow takes place. The structure of this type of block element is designed so that the largest possible number of semiconductor elements is combined in different levels.
Mittels dieser weiteren Anwendungsform ist unter optimalerBy means of this further application form is under optimal
Raumnutzung ebenfalls eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben.Space utilization also given optimal utilization of the thermocouples 2.
Eine ebenenweise Erweiterung dieses Systems um weitere Halbleiterblockelemente 1 und dementsprechende Strömungsbereiche K und H ist ohne weiteres möglich. A planar expansion of this system by further semiconductor block elements 1 and corresponding flow areas K and H is readily possible.

Claims

Patentansprüche:claims:
Anspruch 1 :Claim 1:
Verwendung von Halbleiterblockelementen, bestehend aus einer Anordnung von Thermoelementen (2) im Verbund, zur Vorbeziehungsweise Erwärmung von Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Halbleiterblockelement, so angeordnet ist, dass es von dem jeweiligen zu erwärmenden Medium durchströmt wird und dass auf die den Halbleiterblock bildenden Thermoelemente elektrische Energie aufgegeben und dadurch Wärme erzeugt wird, welche an das das Halbleiterblockelement durchströmende Medium durch direkte Kontaktierung mit selbigem abgegeben wird.Use of semiconductor block elements, consisting of an arrangement of thermocouples (2) in the composite, for Vorbeziehungsweise heating of internal combustion engines, characterized in that at least one semiconductor block element, is arranged so that it is flowed through by the respective medium to be heated and that on the semiconductor block forming thermocouples electrical energy and thus heat is generated, which is delivered to the medium flowing through the semiconductor block element medium by direct contact with selbigem.
Anspruch 2: Verwendung von Halbleiterblockelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sind der Motor und die betreffenden Medien ausreichend erwärmt und haben ihre Betriebstemperatur erreicht, mittels einer entsprechende Steuerung das Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen ist und damit die Fahrzeugbatterie zu laden beziehungsweise das Bordnetz zu versorgen ist.Claim 2: Use of semiconductor block elements according to claim 1, characterized in that, the motor and the respective media are sufficiently heated and have reached their operating temperature to use by means of a corresponding control the semiconductor block element for generating electrical energy and thus to charge the vehicle battery or the on-board network is to be supplied.
Anspruch 3:Claim 3:
Verwendung von Halbleiterblockelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Kombination mehrerer Halbleiterblockelemente (1) Energie- beziehungsweise Wärmeerzeugungssysteme gebildet und verwendet werden. Use of semiconductor block elements according to claim 1, characterized in that by means of combination of a plurality of semiconductor block elements (1) energy or heat generation systems are formed and used.
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