DE102005062186A1

DE102005062186A1 - Vorrichtung zur Abgaskühlung

Info

Publication number: DE102005062186A1
Application number: DE102005062186A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr.-Ing. Liebsch
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: DE102005062186B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgaskühlung. Die Vorrichtung umfasst einen Abgaskrümmer (1), der zumindest teilweise über einen Luftspalt (11) isolierbar ist. Über den Luftspalt (11) ist Ladeluft über einen Kühlkanal (10) strömbar, wobei der Lufteintritt in den Luftspalt (11) mittels eines Steuerorgans (12) steuerbar ist. An den Abgaskrümmer (1) schließt sich eine Abgasleitung (3) an. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühlkanal (10) stromabwärts von einer Luftzuführleitung (7) eines Verdichters (8) abzweigt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgaskühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus der DE 102 06 066 B4 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem bekannt. Das Abgassystem umfasst einen Abgaskrümmer, welcher zumindest teilweise von einem durch einen Luftspalt zwischen der Außenschale und einem abgasführenden Innenrohr gebildeten, mit Kühlluft durchströmbaren Kühlkanal umgeben ist.

Der Abgaskrümmer weist einen Lufteintritt und einen Luftaustritt auf und umfasst ein Steuerorgan für den Kühlluftdurchfluss, wobei bei Bedarf Kühlluft einleitbar ist, um das Abgas zu kühlen.

In dem Abgassystem ist ein Temperaturfühler angeordnet, worüber die Abgastemperatur bestimmbar ist, und diese einer Steuereinheit zuführbar ist. Liegt die gemessene Abgastemperatur unter einem vordefinierten Mindestwert, so wird über die Steuereinheit mittels des Steuerorgans der Strömungsweg zum Kühlkanal geschlossen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Luft zur Kühlung des Abgaskrümmers ohne zusätzlichen Energieeinsatz zu erzeugen und bereitzustellen.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Sofern ein Abgassystem einen oder mehrere Abgasturbolader umfasst, wird in den Betriebspunkten, in denen ein hoher Abgasvolumenstrom vorliegt, ein hoher Anteil von Ladeluft über den Verdichter des Abgasturboladers bereitgestellt. In diesen Betriebspunkten ist der Abgaskrümmer hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass dieser zu kühlen ist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Kühlung des Abgaskrümmers Ladeluft heranziehbar ist, die in diesen Betriebspunkten – hoher Abgasvolumenstrom – in einem hohen Anteil vorliegt. Diese Ladeluft wird teilweise, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0% und 100%, von der Luftzuführleitung abgezweigt und über den Kühlkanal zu dem Abgaskrümmer geleitet. Bei der Bestimmung der Gemischbildungsparameter ist dies beispielsweise durch Bestimmung der durch den Kühlkanal geführten Ladeluftmenge zu berücksichtigen. Dazu kann auch die Schaltstellung des Steuerorgans für die zur Kühlung abgezweigte Ladeluft dienen.

Das Steuerorgan, welches die Zufuhr der Ladeluft in den Luftspalt des Abgaskrümmers steuert, ist ohne zusätzlichen Energieeinsatz betätigbar.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mündet der Kühlkanal stromabwärts des Luftspalts in die Luftzuführleitung wieder ein. Dies bietet den Vorteil, dass die Ladeluft, die über den Kühlkanal zu dem Abgaskrümmer strömt, sofern sie von einem Motorsteuergerät mittels eines Luftmassensensors erfasst wird, nicht in die Umgebung, sondern in den Ansaugtrakt zurückströmt, so dass keine verfälschten Lamda-Werte entstehen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mündet der Kühlkanal stromabwärts des Luftspalts in die Abgasleitung ein. Dies bietet den Vorteil, dass die erwärmte Ladeluft, die über den Kühlkanal zu dem Abgaskrümmer strömt und somit das Abgas abkühlt, zur Erwärmung des Abgases und somit zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Abgasanlage dient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerorgan abhängig von der Öffnung eines Bypassventils einer Bypassleitung, die stromaufwärts einer Turbine des Abgasturboladers von der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts in die Abgasleitung einmündet, steuerbar. In den Betriebspunkten, in denen ein hoher Abgasmassenstrom vorliegt, strömt dieser zumindest teilweise über die Bypassleitung, da die Turbine diesen nicht vollständig aufnehmen kann. Durch eine Kopplung zwischen dem Bypassventil und dem Steuerorgan wird das Steuerorgan dann geöffnet, wenn das Bypassventil ebenfalls geöffnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die Steuerung mittels der Kopplung rein mechanisch und ohne zusätzliche Elektronik realisierbar ist. Sofern die Turbine über keine Bypass-Leitung und Bypass-Ventil verfügt, beispielsweise aufgrund variabler Turbinengeometrie oder großvolumig dimensionierter Turbine, kann die Kopplung auch zwischen dem Steuerorgan und einem vom Abgasgegendruck – Staudruck des Abgasmassenstroms vor der Turbine – abhängigen Ventil erfolgen.

In einer besonders einfachen Ausführungsform kann die Bypassleitung, die stromaufwärts einer Turbine des Abgasturboladers von der Abgasleitung abzweigt und stromabwärts in die Abgasleitung einmündet, entfallen, wenn die Abgasturbine hinreichend groß dimensioniert ist und der für den motorischen Prozess gewünschte Ladedruck durch entsprechendes Ableiten überschüssiger Ladeluft in den Kühlkanal gesteuert oder geregelt wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerorgan abhängig vom Druck der Ladeluft steuerbar. In diesen Betriebspunkten, in denen ein hoher Abgasmassenstrom vorliegt, liegt ansaugseitig ein hoher Ladedruck vor. Da in diesen Betriebspunkten der Abgaskrümmer hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wird das Steuerorgan durch den hohen Ladedruck geöffnet, so dass zumindest die Ladeluft teilweise in den Luftspalt des Abgaskrümmers strömen kann. Diese Steuerungsart erfordert keinen zusätzlichen Energieeinsatz und kann beispielsweise über ein Ladedruckregelventil erfolgen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung regelt das Steuerorgan die Luftzufuhr über den Kühlkanal in den Luftspalt des Abgaskrümmers temperaturabhängig. Hierzu bedarf es keiner separaten Ansteuerung, da das Steuerorgan Elemente, beispielsweise einen Thermostaten, umfasst, die aufgrund einer Temperaturänderung ihre Form variieren, so dass die Ladeluft temperaturabhängig in den Luftspalt des Abgaskrümmers strömbar ist.

In einer darauf aufbauenden vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerorgan thermisch ausdehnbar. Dabei bietet es sich an, das Steuerorgan an das Ende des Kühlkanals anzuordnen, an das der Abgaskrümmer angrenzt. Durch die Erwärmung des Abgaskrümmers wird ebenfalls das Steuerorgan erwärmt, so dass dieses aufgrund der impliziten Ausdehnung den Kühlkanal für die Ladeluft öffnet.

In einer weiteren, darauf aufbauenden, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Steuerorgan mindestens zweiteilig ausgebildet, mit dem Vorteil einer kostengünstigen Realisierung. Beispielsweise kann bei einer zweiteiligen Ausführung das Steuerorgan aus zwei Blechen bestehen, die einander zumindest teilweise überlappen. Infolge einer Erwärmung bewegen sich diese Bleche derart zueinander, dass in den Blechen befindliche Öffnungen nicht durch das jeweilige andere Blech überdeckt werden, so dass die Ladeluft über den Kühlkanal in den Luftspalt des Abgaskrümmers strömbar ist.

Weitere Vorteile der Erfindung folgen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ansprüchen.

Zeichnungen

Es zeigen:

1: eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Steuerorgan mittels des Bypassventils angesteuert wird;

2a: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Steuerorgan druckabhängig steuert;

2b: eine erfindungsgemäße Abwandlung der Ausführungsform gemäß 2a;

3: eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Steuerorgan temperaturabhängig steuert;

4a: einen Ausschnitt des Steuerorgans aus 3;

4b, 4c: weitere Ausführungsformen des Steuerorgans gemäß 4a.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgaskühlung schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Abgaskrümmer 1 einer Brennkraftmaschine 2. An den Abgaskrümmer 1 schließt eine Abgasleitung 3 an, wobei der durch die Abgasleitung 3 in Richtung des Pfeils S1 strömbare Abgasmassenstrom eine Turbine 4 eines Abgasturboladers antreiben kann.
Stromaufwärts der Turbine 4 zweigt eine Bypassleitung 5 von der Abgasleitung 3 ab, die stromabwärts der Turbine 4 in die Abgasleitung 3 einmündet. Die Bypassleitung 5 umfasst ein regelbares Bypassventil 6, so dass der Abgasmassenstrom zumindest teilweise über die Bypassleitung 5 strömen kann.
In einer Luftzuführleitung 7 ist Ladeluft in Richtung des Pfeils S2 strömbar, wobei diese durch den Verdichter 8 des Abgasturboladers komprimiert wird. In der Luftzuführleitung 7 ist weiterhin ein Ladeluftkühler 9 angeordnet, der die komprimierte Ladeluft abkühlt. Von der Luftzuführleitung 7 zweigt ein Kühlkanal 10 stromabwärts des Verdichters 8 ab, über den die Ladeluft durch einen Luftspalt 11 des Abgaskrümmers 1 in Richtung des Pfeils S3 strömen kann, wobei der Kühlkanal 10 wieder in die Luftzuführleitung 7 einmündet.
Der Kühlkanal 10 umfasst ein Steuerorgan 12, welches beispielsweise als Klappe, Ventil oder Schieber ausgebildet ist. Das Steuerorgan 12 ist mit dem Bypassventil 6 derart gekoppelt, beispielsweise über ein nicht dargestelltes mechanisches Gestänge, dass die Öffnungsstellung des Bypassventils 6 mit der Öffnungsstellung des Steuerorgans 12 korreliert. Ist das Steuerorgan 12 zumindest teilweise geöffnet, strömt die Ladeluft in Richtung des Pfeils S3 durch den Luftspalt 11 des Abgaskrümmers 1, bevor sie über eine Öffnung 13 des Abgaskrümmers 1 wieder in den Kühlkanal 10 austritt. Die Öffnung 13 ist mittels eines Abdichtelements 14 derart verschließbar, dass dieses die Öffnung 13 nur freigibt, sofern das Steuerorgan 12 geöffnet ist. Beispielsweise kann das Abdichtelement 14 mit dem Steuerorgan 12 über ein mechanisches Gestänge verbunden sein. Sofern das Steuerorgan 12 und das Abdichtelement 14 geschlossen sind, ist der Abgaskrümmer 1 luftspaltisoliert.
In 2a ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Im Vergleich zu 1 erfolgt die Ansteuerung des Steuerorgans 12 nicht über das Bypassventil 6, sondern abhängig von dem Druck der Ladeluft. Das Steuerorgan 12 ist dabei beispielsweise ein Ladedruckregelventil. In den Betriebspunkten, in denen ein hoher Abgasmassenstrom vorliegt und daher der Abgaskrümmer 1 zu kühlen ist, wird durch den Verdichter 8 des Abgasturboladers Ladeluft mit einem hohen Druck bereitgestellt. Durch den hohen Druck öffnet das als Ladedruckregelventil ausgebildete Steuerorgan 12, so dass die Ladeluft zumindest teilweise über den Luftspalt 11 des Abgaskrümmers 1 zur Kühlung strömen kann. Damit das Steuerorgan 12 öffnen kann, ist in der Luftzuführleitung 7 stromabwärts der Einleitung zum Kühlkanal 10 eine Drosselklappe 17 oder dergleichen angeordnet. Sinkt der Druck der Ladeluft infolge eines geringeren Abgasmassenstroms, so schließt das als Ladedruckregelventil ausgebildete Steuerorgan 12.
2b unterscheidet sich zu 2a dadurch, dass der Kühlkanal 10 nicht in die Luftzuführleitung 7 wieder einmündet, sondern dass die Ladeluft in die Umgebung strömt. Hierbei bedarf es auch keiner Drosselklappe 17 oder dergleichen in der Luftzuführleitung 7. Die Bypassleitung 5, die stromaufwärts der Turbine 4 des Abgasturboladers von der Abgasleitung 3 abzweigt und stromabwärts in die Abgasleitung 3 einmündet, kann in dem in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel entfallen, wenn die Turbine 4 hinreichend groß dimensioniert ist, da der für den motorischen Prozess gewünschte Ladedruck durch entsprechendes Ableiten überschüssiger Ladeluft in den Kühlkanal 10 mittels dem Steuerorgan 12 gesteuert oder geregelt wird.
In 3 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Im Vergleich zu 2 erfolgt die Ansteuerung des Steuerorgans 12 temperaturabhängig. Das Steuerorgan 12 und das Abdichtelement 14 sind beispielsweise als zweiteiliges Blech ausgebildet, wobei in 4a ein vergrößerter Ausschnitt des Steuerorgans 12 dargestellt ist. Jedes Blech ist an einem Ende an dem Abgaskrümmer 1 fixiert. Die jeweiligen anderen Enden überlappen einander. Aufgrund der thermischen Ausdehnung der Bleche wird der Bereich 15, in dem sich die Bleche überlappen, geringer, so dass die Ladeluft über Öffnungen 16, die durch die Ausdehnung freigelegt werden, über den Kühlkanal 10 in den Luftspalt 11 strömen kann.
Sobald die Bleche wieder abkühlen, werden die Öffnungen 16 in den Blechen durch die gegenseitige Überlappung verschlossen. Die thermische Ausdehnung der Bleche korrespondiert mit der Erwärmung des Abgaskrümmers 1. Diese thermische Relation zwischen dem Abgaskrümmer 1 und dem Steuerorgan 12 bedarf keiner separaten Ansteuerung.
In den 4b1 und 4c1 sind die Steuerorgane 12 im kalten Zustand dargestellt, so dass die Öffnungen 16 verschlossen sind. Die 4b2 und 4c2 zeigen die Steuerorgane im heißen Zustand mit geöffneten Öffnungen 16.
Der Luftspalt 11 kann auch so ausgeführt werden, dass in diesem die Steuerorgane 12 angeordnet sind.

1: Abgaskrümmer
2: Brennkraftmaschine
3: Abgasleitung
4: Turbine
5: Bypassleitung
6: Bypassventil
7: Luftzuführleitung
8: Verdichter
9: Ladeluftkühler
10: Kühlkanal
11: Luftspalt
12: Steuerorgan
13: Öffnung
14: Abdichtelement
15: Bereich
16: Öffnung
17: Drosselklappe
S1: Pfeil
S2: Pfeil
S3: Pfeil

Claims

Vorrichtung zur Abgaskühlung, wobei die Vorrichtung einen Abgaskrümmer (1) umfasst, der zumindest teilweise über einen Luftspalt (11) isoliert ist und mittels dem Luftspalt (11) Ladeluft über einen Kühlkanal (10) strömbar ist, und an den Abgaskrümmer (1) eine Abgasleitung (3) sich anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) stromabwärts von einer Luftzuführleitung (7) eines Verdichters (8) abzweigt.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (8) ein Verdichter (8) eines Abgasturbolders ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) stromabwärts des Luftspalts (11) in die Luftzuführleitung (7) einmündet.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (10) stromabwärts des Luftspalts (11) in die Abgasleitung (3) einmündet.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über einen Kühlkanal (10) abhängig von der Öffnung eines Bypassventils (6) einer Bypassleitung (5), die stromaufwärts einer Turbine (4) des Abgasturboladers von der Abgasleitung (3) abzweigt und stromabwärts in die Abgasleitung (3) einmündet, über ein Steuerorgan (12) steuerbar ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über einen Kühlkanal (10) abhängig vom Abgasgegendruck über ein Steuerorgan (12) steuerbar ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über einen Kühlkanal (10) abhängig vom Druck der Ladeluft über ein Steuerorgan (12) steuerbar ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft über einen Kühlkanal (10) temperaturabhängig über ein Steuerorgan (12) steuerbar ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (12) thermisch ausdehnbar ist.
Vorrichtung zur Abgaskühlung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerorgan (12) mindestens zweiteilig ausgebildet ist.