DE10038796A1 - Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung. Das Modul umfasst einen Speicherkatalysator (10) mit Eingangskonus (11) und einen Abgaskühler (20) vor dem Speicherkatalysator (10). Der Abgaskühler (20) wird durch eine Mehrzahl paralleler Rohre (21.1, 21.2, 21.3) gebildet. Um eine gasdichte Verbindung zwischen den parallelen Rohren (21.1, 21.2, 21.3) und den anschließenden Modulelementen (11, 13) herstellen zu können, sind die Enden der Rohre (21.1. 21.2. 21.3) beidseitig zu einem Rohrvielfach (22.1, 22.2) zusammengeführt und so verformt, dass sie sich hier flächig berühren. Dadurch können sie untereinander und mit den anschließenden Modulelementen (11, 13) gasdicht verschweißt werden.
Description
Die Erfindung betrifft Module für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-
Direkteinspritzung (GDI-Motoren) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
GDI-Motoren werden soweit möglich mit einem großen Luftüberschuss betrieben. In
dieser Betriebsart entsteht NOx, das durch den üblichen Dreiwege-Katalysator nicht
beseitigt werden kann. Aus diesem Grunde sind den GDI-Motoren zur Abgas-
Nachbehandlung spezielle Speicherkatalysatoren nachgeschaltet. Diese haben die
Eigenschaft, das im Magerbetrieb gebildete NOx für eine gewisse Zeitspanne, typisch
1-2 Minuten, zu speichern. Anschließend muss der Katalysator regeneriert werden.
Während dieser Zeitspanne, typisch 1-3 Sekunden, schaltet die Motorelektronik den
Motor in den fetten Motorbetrieb.
Die handelsüblichen Speicherkatalysatoren speichern und regenerieren sich in einem
Temperaturfenster zwischen 250°C und 450°C. Bei Temperaturen oberhalb 800°C
wird die Beschichtung deaktiviert. Ein GDI-Motor erzeugt jedoch je nach
Betriebszustand Abgastemperaturen bis zu 950°C nach Vorkatalysator. Aus diesem
Grund muss das Abgas zwischen Motor und Speicherkatalysator unter 800°C bei
hohen Lasten und Drehzahlen als Temperaturschutz und zwischen 250°C und 450°C
bei Magerbetrieb für die Speicherfunktion abgekühlt werden. Das geschieht in
speziellen Abgaskühlern.
Es ist bekannt, dass die Automobilhersteller jedes Fahrzeugmodell mit einer ganzen
Motorenpalette anzubieten pflegen. Dabei sollen die für den Betrieb des jeweiligen
Motors erforderlichen Komponenten gegen die der anderen Motoren ausgetauscht
werden können. Dabei sind die mechanischen Rahmenbedingungen des jeweiligen
Fahrzeugtyps, insbesondere die Abmessungen der Bodengruppe, zu beachten.
Aus der DE-U 299 03 382 ist ein derartiger modulartig herzustellender Abgaskühler
bekannt. Er besteht aus einem Bündel von parallelen Rohren kleinen Querschnitts, die
eingangs- und ausgangsseitig von einem Konus gehalten sind. Der Konus ist so
gesorgt, dass die ankommende Abgasströmung möglichst verlustarm aus dem
Zuführungsrohr kommend auf die Rohre des Rohrbündels aufgeteilt bzw. aus den
Rohren des Rohrbündels austretend in das weiterführende Rohr geführt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass diese Konstruktion zwar sehr gut funktioniert, aber
einen relativ großen Raumbedarf hat und daher den oben geschilderten beengten
Platzverhältnissen der Bodengruppe der Kraftfahrzeuge nicht genügt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Modul für
Abgaskühler vor Speicherkatalysatoren anzugeben, welches einen minimalen
Platzbedarf hat, leicht an die räumlichen Gegebenheiten angepasst werden kann und
sich erheblich schneller und preiswerter herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Modul verzichtet völlig auf Eingangs- und Ausgangskonus.
Statt dessen werden die Enden der Rohre des Rohrbündels zu einem Rohrvielfach
zusammengeführt und so verformt, dass sie sich flächig berühren und gasdicht
verschweißen lassen. Die Außenkontur des Rohrvielfachs wird so geformt, dass sich
eine gasdichte Verbindung zu den anschließenden Elementen der Abgasanlage
herstellen lässt. Zur Verlängerung der Schweißnahtlänge können die Rohre
parabelförmig beschnitten und geschweißt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die mehrflutige
Geometrie des Rohrbündels das Widerstandsmoment bei gleicher Wandstärke deutlich
gegenüber einer einflutigen Anlage erhöht wird. Für gleiches Widerstandsmoment kann
die Wandstärke des mehrflutigen Systems reduziert werden. Somit ist es in diesem Fall
möglich, die Wandstärke der einzelnen Rohre des Bündels auf ähnliches Gewicht im
Vergleich zur einflutigen Anlage zu reduzieren. Gleichzeitig wird die Oberfläche um den
Faktor 2 vergrößert. Hierbei wird der Einfluss zusätzlicher thermisch inerter Masse des
Wärmetauschers im Kaltstart vermieden und der Vorteil zusätzlicher Oberfläche zur
Wärmeabgabe im Betrieb genutzt.
Vorzugsweise ist die Außenkontur des Rohrvielfachs kreisringförmig.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Kühlmodul dem
Speicherkatalysator unmittelbar vorgesetzt, so dass sich das freie Ende des
Eingangskonus des Katalysators direkt mit dem Rohrvielfach gasdicht verbinden lässt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung haben die Rohre unterschiedliche Längen
und unterschiedliche Querschnitte. Die Verwendung von Rohren unterschiedlicher
Länge kann zum einen bedingt sein durch die räumlichen Verhältnisse des jeweiligen
Kraftfahrzeugs. Unterschiedliche Längen der Rohre des Rohrbündels können aber
auch durch akustische Anforderungen nötig werden. Richtige Dimensionierung
vorausgesetzt kommt es am Ausgang des Rohrbündels zur Interferenzbildung und
damit zur Eliminierung störender Frequenzbereiche.
Das Gleiche gilt auch für das Merkmal, dass die Rohre unterschiedliche Querschnitte
haben können. Die Schallwellen breiten sich in Rohren mit unterschiedlichen
Querschnitten unterschiedlich schnell aus.
Ein weiterer Effekt lässt sich durch die unterschiedliche Aufteilung der heißen Abgase
auf die einzelnen Rohre des Rohrbündels erreichen. Sind die Rohre unterschiedlich
lang, so ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen, die die Schweißnähte
belasten und das Modul verbiegen. Durch die unterschiedliche Aufteilung der
Gasströme lässt sich erreichen, dass die kürzeren Rohre sich stärker erwärmen als die
langen Rohre, wodurch die Wärmedehnungen egalisiert werden.
Unterschiedliche Erwärmungen der Rohre des Rohrbündels lassen sich auch dadurch
erreichen, dass die kürzeren Rohre teilweise wärmeisoliert oder durch geschickte
Führung des Kühlmittels weniger gekühlt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Oberflächen der Rohre profiliert.
Vorzugsweise können die Rohre als Drallrohre, Rippenrohre auch mit unterschiedlicher
Profilierung oder als Wellrohre ausgebildet werden. Diese Profilierung hat die Aufgabe,
die laminare Grenzschicht der Gasströmung aufzureißen und durch Wirbelbildung den
Wärmeübergang auf die Rohrwand zu verbessern sowie die Oberfläche zu vergrößern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Gehäuse vorgesehen,
welches die Rohre umgibt. Das Gehäuse besitzt Zu- und Ableitungsanschlüsse für ein
Kühlmittel (Luft oder Wasser). In die Anschlüsse ist ein Stellglied zur Regulierung des
Kühlmittels eingesetzt. Auf diese Weise lässt sich die Kühlwirkung des Rohrbündels im
Hinblick auf das optimale Temperaturfenster des Speicherkatalysators gezielt steuern
bzw. regeln. Das Stellglied, beispielsweise eine Klappe, ist im Kühlmittelstrom
positioniert und somit thermisch nicht belastet und muss nicht gasdicht ausgeführt
werden. Durch das Gehäuse kann der Kühlluftstrom im Kreuz,- Gegen- oder im
Parallelstrom ausgeführt werden.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher
erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Teil einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit Benzin-
Direkteinspritzung,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein weiteres Kühlmodul und
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem zur Herstellung des Kühlmoduls verwendbaren
Rohr.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit Benzin-
Direkteinspritzung. Da diese Motoren sehr viel NOx produzieren, ist ein
Speicherkatalysator 10 erforderlich, untergebracht in einem herkömmlichen Gehäuse
mit Gehäusemantel, Ausgangskonus und Eingangskonus 11. Speicherkatalysatoren
speichern und regenerieren sich nur in einem Temperaturfenster zwischen 250°C und
450°C. Bei Temperaturen oberhalb 800°C wird die Beschichtung deaktiviert. Da
Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung je nach Betriebszustand Abgastemperaturen bis
950°C nach Vorkatalysator erzeugen, muss das Abgas vor dem Speicherkatalysator
10 abgekühlt werden.
Die Abkühlung der Abgase erfolgt in einem Kühlmodul 20, welches im einfachsten Fall
vom Fahrtwind des Kraftfahrzeuges gekühlt wird. Das Kühlmodul 20 besteht im
vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Bündel von drei Rohren 21.1, 21.2, 21.3,
deren Durchmesser und Länge so ausgesucht sind, dass die Summe der Oberflächen
ausreicht, um die erforderliche Kühlwirkung zu erzielen.
Die beiderseitigen Enden des Rohrbündels sind zu einem Rohrvielfach 22.1, 22.2
zusammengefasst. Die Rohre sind so geformt, dass sie sich flächig berühren, und
anschließend gasdicht verschweißt. Der Außenumfang des Rohrvielfachs 22.1, 22.2 ist
kreisringförmig gestaltet, so dass sich eine gasdichte Verbindung direkt mit dem
Eingangskonus 11 des Speicherkatalysators 10 herstellen lässt.
Auf der Eingangsseite ist das Rohrvielfach 22.1 gasdicht mit einem vom Motor
kommenden Krümmerrohr 12 verbunden, wobei ein integriertes Flexelement 13 die
Elemente entkoppelt.
Die Konstruktion des Kühlmoduls 20 hat sich als sehr stabil herausgestellt. Dadurch ist
es möglich, die Rohrwandstärken deutlich zu reduzieren, was Gewicht und Kosten
spart. Wesentlich wichtiger ist jedoch, dass dadurch auch die Wärmekapazität des
Kühlmoduls 20 reduziert ist, so dass speziell in der Startphase des Motors die Abgase
weniger abgekühlt werden und der Speicherkatalysator 10 seine Betriebstemperatur
schneller erreicht.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Kühlmoduls 20'. Das
Rohrbündel besteht aus vier Rohren 21.1, . . . 21.4, deren Enden zu je einem
Rohrvielfach 22.1, 22.2 zusammengeführt sind. Das ausgangsseitige Rohrvielfach 22.2
ist in der Zeichnung gut zu erkennen.
Zusätzlich ist das Rohrbündel von einem Gehäuse 1 umgeben, welches einen
Zuleitungsanschluss 2 und einen Ableitungsanschluss 3 für ein Kühlmittel (Luft,
Wasser, Öl oder ähnliches) aufweist. Die Menge des das Gehäuse 1 durchströmenden
Kühlmittels lässt sich mit Hilfe eines Stellelementes 4, beispielsweise einer Luftklappe,
regulieren.
Fig. 3 zeigt teilweise aufgebrochen ein Stück eines Rohrs 21', welches als Drallrohr
ausgebildet ist. Die Rohrwand ist gewindeartig profiliert, so dass die das Rohr 21'
durchströmenden Abgase in einen Drall versetzt werden, durch den die den
Wärmeübergang störende laminare Grenzschicht aufgelöst wird.
Claims (12)
1. Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung,
im wesentlichen umfassend:
- - einen Speicherkatalysator (10) mit Eingangskonus (11)
- - und einen Abgaskühler (20) vor dem Speicherkatalysator (10),
- - der Abgaskühler (20) umfasst eine Mehrzahl paralleler Rohre (21.1, 21.2, 21.3),
- - die Enden der Rohre (21.1, 21.2, 21.3) sind beidseitig
- - zu einem Rohrvielfach (22.1, 22.2) zusammengeführt,
- - so verformt, dass sie sich flächig berühren
- - und gasdicht verschweißt,
- - die Außenkontur des Rohrvielfachs (22.1, 22.2) ist so geformt, dass eine gasdichte Verbindung zu den anschließenden Elementen (11, 13) herstellbar ist.
2. Modul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die sich berührenden Rohrflächen sind zur Verlängerung der Schweißnaht parabelförmig ausgeführt.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- - die Rohre (21.1, 21.2, 21.3) besitzen
- - unterschiedliche Längen
- - und/oder unterschiedliche Querschnitte.
4. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die kürzeren Rohre (21.1) besitzen einen größeren Querschnitt.
5. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die kürzeren Rohre (21.1) sind teilweise wärmeisoliert.
6. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die kürzeren Rohre (21.1) sind weniger gekühlt.
7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die Oberfläche der Rohre (21.1, 21.2, 21.3) ist profiliert.
8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die Rohre (21.1, 21.2, 21.3) sind als Drallrohre mit unterschiedlichem Profil ausgebildet.
9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die Rohre (21.1, 21.2. 21.3) sind als Wellrohre ausgebildet.
10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - die Außenkontur des Rohrvielfachs (22.1, 22.2) ist kreisringförmig.
11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Merkmal:
- - das freie Ende des Eingangskonus (11) umschließt das Rohrvielfach (22.2) gasdicht.
12. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Merkmale:
- - ein Gehäuse (1) umgibt die Rohre (21.1, 21.2, 21.3),
- - das Gehäuse (1) besitzt Zu- und Ableitungsanschlüsse (2, 3) für ein Kühlmittel,
- - in die Anschlüsse (2, 3) ist ein Stellglied (4) zur Regulierung des Kühlmittels eingesetzt.
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