DE102011013129A1

DE102011013129A1 - Verlustwärmetauscher im Abgasstrang

Info

Publication number: DE102011013129A1
Application number: DE102011013129A
Authority: DE
Inventors: Thomas Jessberger
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-12-15

Abstract

System zur Nutzung der Wärmeenergie des Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, eine Mischkammer mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, wobei die Mischkammer an einem Teil oder um einen Teil des Abgasstranges herum angebracht ist, wobei das Fluid in der Mischkammer durch die Wärme des Abgasstranges erwärmt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Systeme zur Nutzung der Wärmeenergie des Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
Für die Steigerung der Energieeffizienz von Kraftfahrzeugen werden Lösungen im Bereich des Thermomanagements oder Wärmemanagements benötigt, die bedarfsgerechtes Kühlen und Heizen, die Vermeidung von Verlustleistung und Verlustwärme und die Nutzung von Verlustleistung und Verlustwärme betreffen.
Es ist z. B. bekannt, im Abgasstrang bzw. in der Abgasrückführung mit Hilfe eines thermoelektrischen Generators (TEG) aus der Wärmeenergie des Abgases Strom zu erzeugen. Bekannt ist ein TEG in der Abgasrückführung, der ca. 250 W an elektrischer Leistung erzeugt. Durch Betrieb im Hauptabgasstrang sollte hier eine erhebliche Steigerung möglich sein.
Allerdings wird selbst in einem sehr effizient arbeitenden Verbrennungsmotor nur ca. ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in Vortrieb umgesetzt. Etwa zwei Drittel gehen in Form von Wärme (z. B. Abgas, Kühler, Reibung) verloren. Es besteht daher noch erhebliches Rückgewinnungspotential.
Offenbarung der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Mischkammer um einen Teil des Abgasstranges, insbesondere des Abgasstrangs einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, angebracht, um damit die Verlustwärme aus dem Abgasstrang zu ziehen. Dies kann den Hauptabgasstrang oder einen anderen Strang, z. B. den einer Abgasrückführung betreffen. Als Transportmedium kann in der Mischkammer ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, eingesetzt werden. Eine Mischkammer kann in verschiedener Weise ausgeführt sein, z. B. kann ein Fluid in der Mischkammer direkt durch Kontakt mit Material, das durch den Abgasstrang erwärmt wird, erwärmt werden. Auch der Einsatz eines Wärmetauschers mit einem zweiten Fluid zur Erwärmung des Fluids der Mischkammer ist möglich.
Zwischen der Mischkammer und dem Abgasstrang kann eine Isolation vorhanden sein, damit bei warmgefahrenem Motor das Wasser nicht verdampft. Da die Isolation den Aufheizvorgang des Wassers verzögert, aber gerade in der Kaltstartphase eine schnelle Erwärmung sinnvoll ist, kann eine Temperatur- oder Wärmebrücke, aus z. B. Metall, integriert werden. Die Temperaturbrücke sollte so dimensioniert werden, dass auch beim heißgefahrenen Motor nur so viel Energie fließt, dass das Wasser nicht verdampft.
Es ist auch eine schaltbare Temperatur- oder Wärmebrücke möglich. Beispielsweise kann ein Kanal mit wärmeleitender Flüssigkeit gefüllt werden und dann die Flüssigkeit aus dem Kanal entfernt werden, um die Wärmeleitung zu verringern. Auch mechanische Schalter wie Bimetalle oder Wachs-Dehn-Elemente sind möglich.
Zur Zirkulation der Mischkammerflüssigkeit kann eine Pumpe eingesetzt werden. Sobald die Komponenten warmgefahren sind, kann die Pumpe ausgeschaltet werden. Die Pumpe kann auch über ein Kennfeld gesteuert werden, sodass die Komponenten immer im gleichen Temperaturbereich gefahren werden. Alternativ ist auch eine Konvektionsströmung der Mischkammerflüssigkeit denkbar.
Die Mischkammer kann am Endschalldämpfer angebracht sein. Da am Endschalldämpfer die Temperaturen nicht mehr all zu hoch sind, kann mit einer geringen Isolationsschicht gearbeitet werden. Wenn das Gehäuse des Endschalldämpfers in Kunststoff ausgeführt ist, kann die Isolation als Kunststoffwand, evtl. mit erhöhter Wanddicke, realisiert werden.
Da der Endschalldämpfer am Wagenende ist, bietet sich dieses Konzept insbesondere zur Erwärmung von Differential (bei Heckantrieb) oder Achsen, Achslager und/oder Radlager an.
Die Mischkammer kann auch im heißen Bereich des Abgasstranges, z. B. am Krümmer, vor, nach und/oder am Katalysator und/oder am Dieselpartikelfilter, angebracht sein. Deshalb sollte die Isolation aufwendiger gestaltet werden.
Als Isolation kann hier z. B. eine Keramikstruktur eingesetzt werden. Ceramic Coated Paper (CCP) kann z. B. als Struktur verwendet werden. Hierdurch wird eine leichte und effektive Isolation auf der Basis von Keramik und Luft erhalten. Insbesondere können Keramik-Wickelstrukturen umfassend eine Flach- und eine Welllage oder umfassend mehrere Weltlagen als Isolator eingesetzt werden.
Da Keramikstrukturen häufig spröde sind, kann der Einbau der Isolation und/oder der Mischkammer zusammen mit der Isolation in ein Metallgehäuse erfolgen.
Da das Temperaturniveau sehr viel höher ist als am Endschalldämpfer, sollte die Temperaturbrücke auch dementsprechend kleiner ausgeführt werden.
Durch die Nähe zum Motor kann auch der Wasserkreislauf des Motors genutzt werden. Dadurch ist z. B. keine zusätzliche Pumpe notwendig. Bei warmgefahrenem Motor kann der Wasserkreislauf zur Mischkammer abgeschalten werden.
Die Aufheizfunktion über den Motorwasserkreislauf, kann insbesondere auch für einzelne Komponenten, wie z. B. Öl in der Ölwanne oder den gesamtem Motor, einzeln oder in Kombination, genutzt werden, wie beispielsweise für die Erwärmung von Differential, Achsen, Achslager, Radlager, Ölwanne und/oder Wasserkreislauf.
Das Fluid der Mischkammer kann zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums oder zum Beheizung eines Kraftstofftanks eines Fahrzeuges mit Diesel-Brennkraftmaschine dienen. So können die bekannten PTC-Zusatzheizer speziell für Dieselmotoren in der Kaltstartphase ersetzt werden, die eine große elektrische Leistung benötigen.
Wenn die Mischkammer z. B. großflächig über den Krümmer gelegt wird, kann sie gleichzeitig als Hitzeschild für die darüber liegenden Komponenten eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1 Mischkammer am Endschalldämpfer
2 Fluidkreislauf zur Erwärmung eines Differenzials anhand einer Prinzipdarstellung des Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges
3 Isolation der Mischkammer durch keramisches Papier
4 Mischkammer mit Temperatur- oder Wärmebrücke
5 verschiedene mögliche Positionen für eine Mischkammer am Abgasstrang
6 Anbringung der Mischkammer am Krümmer einer Brennkraftmaschine
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt eine Mischkammer 2, wie sie an einem Endschalldämpfer 1 möglich ist. Die Mischkammer 2 ist durch eine Isolation 3 und durch den Schalldämpfer 4 vom Abgasrohr 5 getrennt. Die Isolation 3 ist teilweise durch Temperaturbrücken 6 unterbrochen, sodass die Temperaturerhöhung des Fluids, z. B. des Wassers, das durch die Mischkammer 2 strömt, begrenzt werden kann. Das Fluid strömt durch einen Einlass 7 in die Mischkammer 2 und verlässt diese durch den Auslass 8. So wird die Wärme in Richtung der Pfeile 9 aus dem Abgasrohr 5 durch den Schalldämpfer 4 durch die Temperaturbrücken 6 in das in der Mischkammer 2 strömende Fluid geleitet.
2 zeigt anhand einer Prinzipdarstellung des Abgasstranges 12 einer Brennkraftmaschine 14 wie die Fluidleitung 10 von der Position der Mischkammer 2 am Endschalldämpfer 1 zu einem Differenzial 11 einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Hierbei kann z. B. eine Pumpe 13 eingesetzt werden, um das Fluid in der Leitung 10 umzuwälzen.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine wellpappeähnliche Struktur aus Keramik als Isolation 3 eingesetzt werden kann. Diese kann z. B. aus keramisch beschichteter Papierstruktur gefertigt werden (CCP, ceramic coated paper Technologie). Dabei wird eine Struktur aus Papier, beispielsweise eine Welllage und eine Flachlage miteinander aufgewickelt und in flüssigen Keramikschlicker getränkt, ausgehärtet und das Papier ausgebrannt, so dass eine hochtemperaturbeständige Keramikstruktur bestehen bleibt.
4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung ähnlich 3 mit einer Temperaturbrücke 6, z. B. aus Metall. Die Temperaturbrücke 6 kann natürlich auch unabhängig von der Isolation 3 in CCP-Technologie erfolgen. Die Temperaturbrücke 3 kann schaltbar ausgeführt sein, so dass je nach Betriebszustand und gemäß den herrschenden Temperaturen ein Wärmeübergang zwischen Abgas und Fluid stattfindet oder unterbunden ist.
5 zeigt mögliche besonders vorteilhafte Positionen für die Mischkammer 2 am Abgasstrang 12 eines Kraftfahrzeugs. Der Abgasstrang erstreckt sich von dem Abgaskrümmer 15 über Katalysatoren 16, einen Vorschalldämpfer 17, einen Mittelschalldämpfer 19 zum Endschalldämpfer 1. Der Abgasstrang 12 kann dabei von einer oder mehreren Aufhängungen 18 am Fahrzeug gehalten sein. Vorteilhafte Positionen für die Mischkammer sind dabei eine Anordnung A direkt am Abgaskrümmer 15, eine Positionierung B zwischen Abgaskrümmer 15 und Katalysator 16, eine Anordnung C zwischen Katalysator 16 und Vorschalldämpfer 17 oder eine Anordnung D zwischen Vorschalldämpfer 17 und Mittelschalldämpfer 19. Ein System aus mehreren Mischkammern 2 an mehreren Positionen im Abgasstrang 12 kann abhängig von der vorgesehenen Anwendung vorteilhaft sein.
6 zeigt die motornahe Anbringung der Mischkammer 2 direkt am Abgaskrümmer, sodass die Mischkammer 2 als Hitzeschild zur Abschirmung hitzeempfindlicher Bauteile fungieren kann. Durch Integration der Mischkammer 2 in den Fluidkreislauf, schemenhaft dargestellt durch die eingezeichneten Leitungen 20, z. B. in Reihe schaltbar oder parallel schaltbar, kann auf eine separate Pumpe 13 verzichtet werden.

Claims

System zur Nutzung der Wärmeenergie des Abgases einer Brennkraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs umfassend – einen Abgasstrang (12) einer Brennkraftmaschine (14), – eine Mischkammer (2) mit einem Fluideinlass (7) und einem Fluidauslass (8), – wobei die Mischkammer (2) an einem Teil oder um einen Teil des Abgasstranges (12) herum angebracht ist, – wobei das Fluid in der Mischkammer (2) durch die Wärme des Abgasstranges (12) erwärmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei eine Isolation (3) zwischen Mischkammer (2) und Abgasstrang (12) vorhanden ist.
System nach Anspruch 2, wobei eine Wärmebrücke (6) den Abgasstrang (12) mit der Mischkammer (2) durch die Isolation (3) hindurch verbindet.
System nach Anspruch 3, wobei die Wärmebrücke (6) den Wärmefluss derart begrenzt, dass auch bei maximaler Temperatur des Abgasstranges (12) ein Sieden eines flüssigen Fluids in der Mischkammer (2) vermieden wird.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Wärmebrücke (6) schaltbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischkammer (2) am Endschalldämpfer (1) angebracht ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischkammer (2) am Abgaskrümmer (15) angebracht ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Isolation (3) eine Kunststoffwand oder ein keramisches Material, wie z. B. eine aus einem keramischen Papiermaterial gefertigte Struktur, umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid der Mischkammer (2) zur Erwärmung von Differential (11), Achsen, Achslager, Radlager, Ölwanne und/oder Wasserkreislauf dient.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Fluid der Mischkammer (2) zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums oder zum Beheizung eines Kraftstofftankes eines Fahrzeuges mit Diesel-Brennkraftmaschine dient.
Kraftfahrzeug mit einem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche.