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Die
Erfindung betrifft einerseits eine Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer,
welche einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet
ist. Andererseits betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, bei welchem Abgase
der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasanlage in die Umgebung
geleitet werden und den Abgasen zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel
Wärmeenergie entzogen wird.
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Eine
Wärmeenergierückgewinnung aus Abgasen einer Brennkraftmaschine
erlangt auch im Bereich des Kraftfahrzeugwesens eine stetig steigende Bedeutung.
Insbesondere rückt hierbei die Wärmeenergierückgewinnung
mittels Abgasverdampfer immer weiter in den Fokus, um hierbei eine
Effizienzsteigerung hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine
zu erzielen. Ei ne dem Abgas entzogene Wärmeenergie kann
etwa für einen nachgeschalteten Clausius-Rankine-Prozess
verwendet werden.
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Beispielsweise
beschäftigt sich mit dieser Thematik die Druckschrift
DE 601 23 987 T2 ,
in welcher ein Rankine-Zyklussystem im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine
beschrieben ist, bei welchem unter Verwendung eines Verdampfers
mittels Wärmeenergie eines Abgases der Brennkraftmaschine
ein Hochtemperatur- und Hochdruckdampf erzeugt werden kann.
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Es
ist Aufgabe vorliegender Erfindung einen Abgasverdampfer einer Abgasanlage
einer Brennkraftmaschine besonders kompakt und effizient zu bauen,
insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird von einer Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer,
welche einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet
ist, gelöst, wobei der Abgasverdampfer eine Sandwichbauweise
aufweist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen
abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
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Dadurch,
dass der vorliegende Abgasverdampfer in einer Sandwichbauweise ausgestaltet
ist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen abwechselnd
unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, können die Abgasebenen
mit den Kühlmittelebenen großflächig
in Kontakt treten, so dass ein Wärmeenergieübergang
von den Abgasen zu dem Kühlmittel besonders schnell und
effektiv erfolgen kann. Auf Grund der großen zur Verfügung
stehenden Kontaktflächen zwischen einer Abgasseite und
einer Verdampferseite des Abgasverdampfers kann dieser zudem sehr
kompakt gebaut werden. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugwesen
besonders von Vorteil, da hier Komponenten eines Kraftfahrzeuges
möglichst wenig Bauraum einnehmen und zugleich sehr leicht
ausgebildet sein sollen. So liegt mittels der Sandwichbauweise vorteilhafter
Weise eine sehr leistungsstarke Konstruktion hin sichtlich dem Zusammenspiel
der Abgasseite und der Verdampferseite des Abgasverdampfers vor.
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Unter
dem Begriff „Abgasanlage" versteht man vorliegend jegliche
Komponenten, durch welche Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem
Verlassen der Brennkraftmaschine geleitet werden. So erfasst der
Begriff "Abgasanlage" auch Komponenten einer Abgasrückführung.
Insbesondere in einer solchen Abgasrückführung
kann der hier beschriebene Abgasverdampfer vorteilhaft integriert
sein.
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Mit
dem Begriff „Kühlmittel" wird jedes verdampfbare
Arbeitsmedium beschrieben, mittels welchem Wärmeenergie
in ausreichender Menge aufgenommen und transportiert werden kann.
Insbesondere Wasser, welches auch als Wasserdampf vorliegen kann,
eignet sich hierzu besonders gut.
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Der
Begriff „Sandwichbauweise" ist im Wesentlichen selbsterklärend,
wobei insbesondere im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Abgasverdampfer
klar ist, dass die Abgasebenen mit den Kühlmittelebenen
alternierend im bzw. am Abgasverdampfer angeordnet sind. Oftmals
wird für den Begriff „Sandwichbauweise" auch die
Bezeichnung „Scheibenbauweise" verwendet.
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Somit
ist es auch vorteilhaft, wenn abgasseitig mehr als eine Abgasebene
und/oder kühlmittelseitig mehr als eine Kühlmittelebene
vorgesehen sind, da ein Wärmeübertrag zwischen
den Abgasen und dem Kühlmittel insbesondere mit mehreren
Abgas- bzw. Kühlmittelebenen deutlich effektiver realisiert werden
kann. Insbesondere die Kühlmittelebenen können
parallel geschaltet sein, so dass gewährleistet ist, dass
alle Kühlmittelebenen unabhängig voneinander mit
Kühlmittel versorgbar sind. Möglich ist aber auch,
dass eine oder mehrere Kühlmittelebenen in Reihe zueinander
geschaltet sind.
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Hierbei
stoßen die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen
vorteilhafter Weise mit ihren jeweiligen Breitseiten unmittelbar
aneinander bzw. die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen
sind lediglich durch eine gut wärmeleitende Trenneinrichtung
voneinander abgegrenzt angeordnet. Vorzugsweise ist jede der Kühlmittelebenen
beidseits von jeweils einer Abgasebene eingeschlossen, so dass die
Kühlmittelebenen immer von zwei Seiten erwärmt
bzw. erhitzt werden.
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Damit
die Abgase einerseits in der Abgasebene und das Kühlmittel
andererseits in der Kühlmittelebene vorteilhaft durch den
Abgasverdampfer geleitet werden können, sieht eine vorteilhafte
Ausführungsvariante vor, dass der Abgasverdampfer abgasseitig
eine Abgasleiteinrichtung und verdampferseitig eine Kühlmittelleiteinrichtung
aufweist, welche räumlich voneinander getrennt sind.
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Die
Kühlmittel können hierbei besonders vorteilhaft
entlang und in der Kühlmittelebene geleitet werden, wenn
in jeder der Kühlmittelebenen mehrere parallel zueinander
verlaufende Kühlmittelkanäle angeordnet sind.
Hierbei können insbesondere lange, enge Kühlmittelkanäle
vorteilhaft vorgesehen werden, in welchen sich das Kühlmittel
schnell erhitzen kann.
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Allein
schon durch die beschriebene Sandwichbauweise, bei welcher Abgasebenen
und Kühlmittelebenen direkt nebeneinander angeordnet sein können,
kann eine hohe Leistung hinsichtlich des Abgasverdampfers bei einem
nur gering benötigten Bauraum erzielt werden. Dadurch,
dass vorliegend zusätzlich Abgaskanäle bzw. Kühlmittelkanäle
in den einzelnen Ebenen des Abgasverdampfers vorgesehen werden können,
kann selbst bei sehr knapp vorgegebenen Bauraumrandbedingungen eine
hohe Leistung bzw. eine Leistungssteigerung erzielt werden.
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Entsprechend
vorteilhaft ist es, wenn zum Leiten die Abgase auch in der Abgasebene
mehrere parallel zueinander verlaufende Abgaskanäle angeordnet
sind. Beispielsweise können diese Abgaskanäle
hinsichtlich ihrer Stirnseiten von einer Abgasverdampfereingangsseite
zu einer Abgasverdampferausgangsseite linear durch den Abgasverdampfer verlaufen.
Die Abgaskanäle sind an ihren Stirnseiten jeweils geöffnet,
so dass die Abgase über Öffnungen in den Stirnseiten
in die Abgaskanäle einströmen und wieder herausströmen
können. Hierbei ist vorzugsweise eine Vielzahl an Abgaskanäle
in der Abgasebene nebeneinander angeordnet, so dass mehrere Abgaskanäle
zwischen einem ersten Seitenbereich und einem zweiten Seitenbereich
angeordnet sind. So können die Abgase breitflächig
in der Vielzahl der Abgaskanäle in eine erste Hauptströmungsrichtung durch
den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden.
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Der
Abgasverdampfer kann hierbei besonders einfach konstruiert werden,
wenn die Kühlmittelkanäle auf der Verdampferseite ähnlich
oder sogar identisch ausgerichtet angerordnet sind, wie die Abgaskanäle
auf der Abgasseite.
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Damit
jedoch das Kühlmittel Wärmeenergie aus den Abgasen
besonders effektiv aufnehmen kann, ist es vorteilhaft, wenn das
Kühlmittel ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen
kann. Dies kann beispielsweise einerseits realisiert werden, indem
das Kühlmittel mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit
den Abgasverdampfer passiert. Andererseits kann der Abgasverdampfer
länger ausgebildet werden. Eine bevorzugte Ausführungsvariante
sieht vor, dass das Kühlmittel in dem Abgasverdampfer in
einer Kühlmittelebene eine besonders lange Wegstrecke durch
den Abgasverdampfer zurück legen kann. Baulich besonders
einfach kann eine solch lange Wegstrecke in einer Kühlmittelebene
realisiert werden, wenn die Kühlmittelkanäle räumlich
untereinander verbunden sind. Durch die räumliche Verbindung
kann das Kühlmittel von einem Kühlmittelkanal
zu einem weiteren Kühlmittelkanal strömen und
somit zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verweilen.
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Insbesondere
in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle
an ihren Stirnseiten verschlossen sind. Hierdurch ist es nicht erforderlich,
dass Öffnungen an Stirnseiten beispielsweise zweier unmittelbar
nebeneinander und/oder miteinander korrespondierender Kühlmittelkanäle durch
eine geeignete Verrohrung miteinander verbunden werden müssen.
Vielmehr können geeignete Verbindungsöffnungen
zwischen zwei Kühlmittelkanälen in einer gemeinsamen
Trennwand vorgesehen sein.
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So
sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante auch vor, dass
an einer ersten Trennwand eines ersten Kühlmittelkanals
an der ersten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine
erste Verbindungsöffnung zu einem zweiten Kühlmittelkanal
und an einer zweiten Trennwand des ersten Kühlmittelkanals
an einer zweiten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine
zweite Verbindungsöffnung zu einem weiteren Kühlmittelkanal
angeordnet sind. Hierdurch können alle Kühlmittelkanäle
einer Kühlmittelebene zu einer mäandrierenden
Kühlmittelwegstrecke zusammengefasst werden. Grundsätzlich
können solche Verbindungsöffnungen an jeder Trennwand
vorgesehen sein. Auch können Kühlkanäle
parallel geschaltet werden, in dem die Verbindungsöffnungen
in geeigneter Weise an den Trennwänden und/oder an den Stirnseiten
vorgesehen werden.
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Um
eine möglichst lange Kühlmittelwegstrecke in einer
der Kühlmittelebenen bereitstellen zu können,
ist es deshalb vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle
gemeinsam eine einzige mäandrierende Kühlmittelwegstrecke
durch den Abgasverdampfer bilden.
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Weiter
ist es vorteilhaft, wenn der Abgasverdampfer eine Kühlmittelwegstrecke
und eine Abgaswegstrecke aufweist, wobei die Kühlmittelwegstrecke anders
orientiert in dem Abgasverdampfer angeordnet ist als die Abgaswegstrecke.
Hierdurch können die Abgase und das Kühlmittel
beispielsweise im Kreuzstrom den Abgasverdampfer durchströmen.
Es ist klar, dass die Abgase und die Kühlmittel bei entsprechend
gewählten Kanälen auch im Gegenstrom zueinander
strömen könnten.
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Gerade
in diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem
Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
gelöst, bei welchem Abgase der Brennkraftmaschine mittels
einer Abgasanlage in die Umgebung geleitet werden und den Abgasen
zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel Wärmeenergie
entzogen wird, und bei welchem die Abgase innerhalb eines Abgasverdampfers
in eine erste Hauptströmungsrichtung und die Kühlmittel
in eine der ersten Hauptströmungsrichtung entgegen gesetzte
Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdampfer hindurch
geleitet werden, wobei die Kühlmittel streckenweise quer
zu den Hauptströmungsrichtungen durch den Abgasverdampfer
hindurch geleitet werden.
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Vorteilhafter
Weise werden die Abgase und das Kühlmittel hierbei nicht
nur im Gegenstrom zueinander durch den Abgasverdampfer hindurch
bewegt, sondern auch im Kreuzstrom, wodurch insbesondere das Kühlmittel
zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verbleiben und sich
hierbei besonders gut erwärmen bzw. erhitzen kann.
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Es
versteht sich, dass sowohl die Abgaskanäle als auch die
Kühlmittelkanäle unterschiedlich in dem Abgasverdampfer
angeordnet sein können. Um insbesondere die Gefahr zu verringern,
dass es in einem der Kühlmittelkanäle zu einer
kritischen Ansammlung von Flüssigkeit, insbesondere von
Wasser, kommen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle
im Wesentlichen vertikal ausgerichtet innerhalb des Abgasverdampfers,
insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Fahrbahnoberfläche, angeordnet
sind. Mittels der Verbindungsöffnungen, welche idealerweise
sehr nahe an den Stirnseitenwandungen angeordnet sind, kann zudem
vermieden werden, dass an der Unterseite einer Kühlmittelebene
Sammelbecken für etwa noch nicht verdampftes Wasser entstehen.
Hierdurch kann die Gefahr einer Leistungsverminderung des Abgasverdampfers
auf Grund solcher Wassersammelstellen vermieden werden. Bei einer
diesbezüglich besonders vorteilhaften Ausführungsvariante
kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Verbindungsöffnungen
auch insbesondere eine Einlassöffnung der Kühlmittelebenen an
der Unterseite platziert ist, so dass betriebssicher gewährleistet
werden kann, dass die Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene
anfänglich mit Kühlmittel, insbesondere mit Wasser,
versorgt sein können. Das heißt, an allen Kühlmittelkanälen
des Abgasverdampfers steht vor einer Inbetriebnahme einer Brennkraftmaschine
idealerweise Kühlmittel zur Verfügung, so dass
eine gleichmäße Verdampfung des Kühlmittels
in den Kühlmittelebenen gewährleistet werden kann.
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Solange
eine kritische Wasseransammlung in einem der Kühlmittelkanäle
bzw. einer der Kühlmittelebenen vermieden werden kann,
ist es möglich, die Kühlmittelkanäle
bzw. die Kühlmittelebenen auch aus einer vertikalen Ausrichtung
heraus ausgelenkt in dem Abgasverdampfer vorzusehen. Ein entsprechend
einzustellender unkritischer Neigungswinkel des Abgasverdampfers,
bei welchem noch vermieden ist, dass etwa ein Randkühlmittelkanal
und/oder eine Randkühlmittelebene mit Wasser kritisch geflutet
ist, aber ein gegenüberliegender Randkühlmittelkanal
und/oder eine gegenüberliegende Randkühlmittelebene
nicht, kann ein solcher noch erlaubter und unkritischer Neigungswinkel
vorsorglich um mehr als 5°, idealerweise um ca. 10°,
reduziert werden, so dass ungünstigen Schräglagen,
beispielsweise auf Grund eines geneigten Einbaus einer Brennkraftmaschine,
einer Abgasanlage in einem Kraftfahrzeug und/oder einer ungünstigen
Schräglage des Fahrzeuges an sich, vorgebeugt werden kann.
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Mit
der Begriffsergänzung „Rand" können Kühlmittelkanäle
und/oder Kühlmittelebenen zusätzlich gekennzeichnet
werden, welche gegenüber den übrigen Kühlmittelkanälen
bzw. Kühlmittelebenen außen am Abgasverdampfer
angeordnet sind.
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Der
vorstehend erwähnte Neigungswinkel kann idealerweise von
einer Vertikalebene aus gemessen werden.
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Somit
kann besonders sichergestellt werden, dass anfänglich alle
Kühlmittelkanäle mit einem flüssigen
Kühlmittel bzw. mit Wasser versorgt sind. Hierdurch wird
die Gefahr verringert, dass beispielsweise ein anfänglich
nicht mit Wasser versorgter Kühlmittelkanal das verdampfende
Wasser alleine fördert.
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Die
Kanäle des Abgasverdampfers können vielfältig
gebildet und ausgestaltet sein. Beispielsweise können insbesondere
die Kühlmittelkanäle als Rohrbündel oder
in Plattenbauweise mit Trennstegen ausgebildet sein. Baulich besonders
einfach ist der Abgasverdampfer herstellbar, wenn Kühlmittelkanäle einer
Kühlmittelebene mittels eines in der Ebene mehrfach gefalteten
Wellblechs gebildet sind. Ein solches Wellblech kann beispielsweise
im Verbund mit parallel zu den vorliegenden Ebenen angeordneten
Trennblechen vorteilhaft die hier beschriebenen Kanäle
bilden, wobei die Abgaskanäle auch besonders einfach mittels
an einem solchen Trennblech angeordneten Trennstegen realisiert
werden können.
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Um
möglichst wenig Strömungsverluste innerhalb der
Kanäle zu haben, können bei einer anderen vorteilhaften
Ausführungsvariante glatte Kanalwandungen vorgesehen sein.
Insbesondere können durch unterschiedlich gewählte
Dimensionierungen der Kanalseitenwandungen bzw. Kanalbodenwandungen
die Abmessungen der Kühlkanäle nahezu beliebig
beeinflusst werden.
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Beispielsweise
kann eine Änderung der Kanalbreite einen Druckverlust und/oder
eine Veränderung der Wärmeenergieübertragungsfläche
mit sich bringen. Auch kann die Breite der Kanäle die Kanalanzahl
in einem Abgasverdampfer und/oder die Gesamtwegstrecke einer Kühlmittelwegstrecke
einer Kühlmittelebene beeinflussen.
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Auch
die Abgasleiteinrichtung und die Kühlmittelleiteinrichtung
können baulich vielfältig gestaltet sein. Aus
den heißen Abgasen kann Wärmeenergie besonders
gut in das Kühlmittel übergehen, wenn die Abgasleiteinrichtung
in einer Abgasebene mehrflutig und die Kühlmittelleiteinrichtung
in einer Kühlmittelebene einflutig ausgebildet sind. Dadurch,
dass die Abgasleiteinrichtung mehrflutig ist, können die
Abgase den Abgasverdampfer beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit
und unkritischem Staudruck passieren, während das Kühlmittel
ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen kann, so dass
es die Wärmeenergie besonders effektiv aufnehmen kann.
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Es
versteht sich, dass je nach Anwendungsfall noch weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen an dem vorliegenden Abgasverdampfer vorgenommen werden
können. Insbesondere die Strömungsführung
in Abgasverdampfern kann ein ausschlaggebendes Kriterium für
eine besonders gute Leistungsfähigkeit sein. Darüber
hinaus kann mit entsprechend steif ausbildeten Kanälen
die Festigkeit eines Abgasverdampfers wesentlich beeinflusst werden.
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Die
Leistungsfähigkeit kann hierbei in zwei Optimierungsrichtungen
verlaufen. Zum einen will man einen minimalen Druckverlust erzielen,
indem möglichst keine Umlenkungen noch innere Strukturen
innerhalb einer Wegstrecke vorhanden sind. Zum anderen soll eine
möglichst große Fläche für eine Wärmeenergieübertragung
zur Verfügung stehen. Für den Druckverlust sollte
zusätzlich beachtet werden, dass das Arbeitsmedium seine
Dichte mit der Änderung des Aggregatzustandes, insbesondere von
flüssig zu gasförmig, sehr verringert und dies
die Strömungsgeschwindigkeit vervielfachen kann. Es muss
daher ein spezifisches Optimum zwischen Druckverlust und Wärmeleistung
gefunden werden.
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Insbesondere
bei Abgasverdampfern ist die Festigkeit, wie vorstehend bereits
erwähnt, ein weiteres wichtiges Thema, da das Arbeitsmedium,
insbesondere ein Kühlmittel, meist bei Arbeitsdrücken über
dem Umgebungsdruck betrieben werden muss, um eine ausreichend gute
Effektivität im Zusammenhang mit dem Abgasverdampfer erzielen
zu können. Somit müssen auch die gewählten
Geometrien der verwendeten Bauteile etwa die durch die auftretenden
Arbeitsdrücke entstehenden Drückkräfte
problemlos aufnehmen können. Thermische Spannungen, etwa
hervorgerufen durch Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Arbeitsmedien,
also den Abgase einerseits und dem Kühlmittel andererseits, müssen
ebenfalls aufgenommen werden können. Auch die gewählte
Blechdicke eines Wellbleches hat einen direkten Einfluss auf die
Festigkeit, insbesondere wenn einzelne Blechbereiche des Abgasverdampfers
als Zuganker verwendet werden. Weiter kann sich die Blechdicke auf
die Wärmeleitfähigkeit auswirken.
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Eine
weitere Möglichkeit, die Effektivität zu Steigern
kann darin liegen, dass in den Kanälen turbulenzerzeugende
Gebilde vorgesehen werden. Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau
des vorliegenden Abgasverdampfers, insbesondere im Hinblick auf
ein in einer Ebene mehrfach gefaltetes Wellblech, kann dies problemlos
gewährleistet werden.
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Der
hier beschriebene Abgasverdampfer kann in nahezu allen Kraftfahrzeugen
vorteilhaft eingesetzte werden, insbesondere auch in Nutzkraftwagen.
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Weitere
Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden
anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert,
in welcher beispielhaft ein Abgasverdampfer dargestellt ist.
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Es
zeigen
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1 schematisch
eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine
und einer Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer,
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2 schematisch
eine perspektivische Ansicht des Abgasverdampfers aus der 1,
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3 schematisch
eine teilweise geschnittene Ansicht des Abgasverdampfers aus den 1 und 2,
und
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4 schematisch
eine perspektivische Ansicht eines Wellbleches des Abgasverdampfers
aus den 1 bis 3 zum Realisieren
einer ersten Kühlmittelebene.
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Das
in der 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 umfasst eine
Brennkraftmaschine 2 mit einer nachgeschalteten Abgasanlage 3,
bei welcher in diesem Ausführungsbeispiel in einem Abgasstrang 4 ein
Abgasverdampfer 5, ein Katalysator 6, ein Mittelschalldämpfer 7 und
ein Endschalldämpfer 8 angeordnet sind. Das Kraftfahrzeug 1 steht
mit vier Rädern 9 (hier nur exemplarisch beziffert)
auf einem Fahrbahnuntergrund 10, welcher nach der Darstellung
der 1 in der Papierebene liegt.
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Der
Abgasverdampfer 5 ist in den 2 bis 4 schematisch
detailierter dargestellt, wobei insbesondere in der 2 die
Sandwichbauweise 11 des Abgasverdampfers 5 deutlich
mit seinen vielen Abgasebenen 12 (hier nur exemplarisch
beziffert) und mit seinen vielen Kühlmittelebenen 13 (hier ebenfalls
nur exemplarisch beziffert) zu erkennen ist. Die Abgasebenen 12 sind
hierbei hinsichtlich ihrer Dicke 14 etwas stärker
ausgebildet als die schmaleren Kühlmittelebenen 13,
so dass Abgase die Abgasebenen 12 schnell passieren können.
Vorteilhafter Weise sind in der hier gewählten Sandwichbauweise 11 die beiden äußeren
Ebenen Abgasebenen 12, so dass gewährleistet ist,
dass alle Kühlmittelebenen 13 beidseitig von Abgasebenen 12 umschlossen
sind. Hierdurch kann das Kühlmittel in den Kühlmittelebenen 13 besonders
schnell erhitzt werden.
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Sowohl
die Kühlmittelebenen 13 als auch die Abgasebenen 12 sind
in dem Abgasverdampfer 5 in vertikaler Ausrichtung 15 angeordnet,
wobei die Unterseite 16 des Abgasverdampfers 5 dem
Fahrbahnuntergrund 10 zugewandt ist. Gemäß der
Sandwichbauweise 11 des vorliegenden Abgasverdampfers 5 folgt
auf eine Abgasebene 12 eine Kühlmittelebene 13.
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Das
Kühlmittel, welches in diesem Ausführungsbeispiel
Wasser bzw. im erhitzten Zustand Wasserdampf 17 (siehe 3)
ist, gelangt über eine Einlassöffnung 18 (siehe 4)
in einen Kühlmittelkanal 19 gemäß einer
Hauptströmungsrichtung 20. Das Kühlmittel
mäandriert in den Kühlmittelebenen 13 durch
den Abgasverdampfer 5 und nimmt hierbei mehr und mehr Wärmeenergie
aus den Abgasen auf, welche die Abgasebenen 12 gemäß der
Hauptströmungsrichtung 21 im Wesentlichen linear
durchströmen.
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Während
das Kühlmittel entlang einer Kühlmittelwegstrecke 22 mäandrierend
durch die Kühlmittelebene 13 strömt,
gelangt es über Verbindungsöffnungen 23 (hier
nur exemplarisch beziffert) durch einzelne Trennwände 24 (hier
nur exemplarisch beziffert) jeweils in weitere Kühlmittelkanäle 25 (hier
nur exemplarisch beziffert) der Kühlmittelebenen 13 und schlängelt
sich so entlang der Hauptströmungsrichtung 20.
Alle Kühlmittelkanäle 19 und 25 sind
im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen in vertikaler
Ausrichtung 15 in der jeweiligen Kühlmittelebene 13 angeordnet.
Hierbei werden die Kühlkanäle 19 bzw. 25 entweder
in einer ersten Nebenströmungsrichtung 26 oder
in einer zweiten Nebenströmungsrichtung 27 durch strömt,
welche quer zu den beiden Hauptströmungsrichtungen 20 und 21 verlaufen.
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Eine
Kühlmittelleiteinrichtung 28, wie sie in einer
der Kühlmittelebenen 13 des Abgasverdampfers 5 mehrere
Kühlkanäle 19 bzw. 25 bereit
stellen kann, besteht hier aus einem Wellblech 29 mit einer Glattrippengeometrie 30.
Mittels des Wellblechs 29 ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 baulich
besonders einfach bereit gestellt. Es versteht sich, dass je nach dem
wie die Glattrippengeometrie 30 hinsichtlich einer Rippenbreite 31 und/oder
einer Rippenhöhe 32 gewählt wird, die
Gesamtlänge der Kühlmittelwegstrecke 22 und
die Anzahl der Kühlmittelkanäle 19, 25 variiert
werden können. Hierbei bestimmen die Rippenhöhe 32 insbesondere
eine Kühlmittelkanalhöhe und die Rippenbreite 31 die
Kühlmittelkanalbreite, welche beide nicht explizit eingezeichnet sind,
da sie sich im Wesentlichen aus der Rippenhöhe 32 bzw.
der Rippenbreite 31 ergeben.
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Die
Kühlmittelkanäle 19, 25 sind
an ihren Stirnseiten 33, 33A verschlossen (hier
nicht dargestellt, aber exemplarisch beziffert), so dass das Kühlmittel
nur über die Verbindungsöffnungen 23 von
einem Kühlmittelkanal 19 in die weiteren Kühlmittelkanäle 25 strömen
kann, bis das Kühlmittel die Kühlmittelebene 13 über
eine Auslassöffnung 34 der Kühlmittelleiteinrichtung 28 wieder
verlässt. Somit wird mittels der Verbindungsöffnungen 23 eine
Umlenkung des Kühlmittels entlang der Kühlmittelwegstrecke 22 innerhalb
der Kühlmittelebene 13 erzielt.
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In
dem konkreten Ausführungsbeispiel nach der 4 sind
somit an einer ersten Trennwand 24A eines ersten Kühlmittelkanals 19A an
der ersten Stirnseite 33 des ersten Kühlmittelkanals 19A eine erste
Verbindungsöffnung 23A zu einem zweiten Kühlmittelkanal 19B und
an einer zweiten Trennwand 2413 des ersten Kühlmittelkanals 19A an
einer zweiten Stirnseite 33A des ersten Kühlmittelkanals 19A eine
zweite Verbindungsöffnung 23B zu einem weiteren
Kühlmittelkanal 19C angeordnet.
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Eine
Abgasleiteinrichtung ist vorliegend nicht dargestellt, da sie konstruktiv
einfach im Wesentlichen aus geradlinig ausgebildeten Abgaskanälen
besteht, deren Stirnseiten nicht verschlossen sind, so dass hierüber
die Abgase in die Abgaskanäle einströmen und auch
wieder aus den Abgaskanälen ausströmen können.
Die Abgasleiteinrichtung kann auch aus einem Wellblech hergestellt
sein, jedoch ohne die vorstehend beschriebenen Verbindungsöffnungen 23.
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Dadurch,
dass an der Abgasleiteinrichtung mehrere Abgaskanäle parallel
geschaltet sind, ist die Abgasleiteinrichtung in diesem Ausführungsbeispiel mehrflutig
ausgelegt. Im Gegensatz hierzu sind die Kühlmittelkanäle 19, 25 an
der Kühlmittelleiteinrichtung 28 in Reihe geschaltet,
da das Kühlmittel alle Kühlmittelkanäle 19, 25 nacheinander
durchströmt. Somit ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 in
diesem Ausführungsbeispiel einflutig konstruiert.
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Zwischen
der Abgasleiteinrichtung und der Kühlmittelleiteinrichtung 28 ist
ein Trennboden (hier nicht gezeigt) angeordnet, um so die jeweilige
Abgasebenen 12 und Kühlmittelebene 13,
insbesondere die Abgaskanäle und die Kühlmittelkanäle 19, 25 räumlich
voneinander zu trennen. Insbesondere auf Grund der hier gewählten
Kombination aus dem vorliegenden Wellblech 29, dem Trennboden
und den verschlossenen Stirnseiten 33, 33A erfährt
der Abgasverdampfer 5 im Zusammenhang mit der Sandwichbauweise 11 in
besonders vorteilhafter Weise eine sehr hohe Festigkeit.
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Es
versteht sich, dass der beschriebene Abgasverdampfer 5 nur
ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, jedoch nicht
einschränkend hinsichtlich der Erfindung zu verstehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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