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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren, werden Verbrennungskraftstoffe benötigt. Aufgrund von limitieren Ölvorkommen ist es das Bestreben, den Nutzungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine und somit die Ausnutzung der im Verbrennungskraftstoff enthaltenen Energie zu maximieren. Bedingt durch den Carnot-Prozess ist jedoch der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine zur Umsetzung der im Verbrennungskraftstoff enthaltenen Energie in mechanische Energie auf circa 40% limitiert.
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Dies bedeutet, dass circa 2/3 der im Verbrennungskraftstoff gebundenen chemischen Energie nicht dem eigentlichen Zweck der Verbrennungskraftmaschine, also der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie zugeführt werden, sondern als Verlustenergie verloren geht. Um diese Energie dennoch auszunutzen, gibt es aktuell, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, vielfache Ansätze, beispielsweise die Wärmeenergie oder aber die im Abgas gebundene Energie zurückzugewinnen und einem jeweiligen Einsatzzweck zuzuführen.
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Beispielsweise wird die Wärmeenergie zum Heizen des Kraftfahrzeuginnenraums genutzt. Ebenfalls gibt es Ansätze, bei denen thermoelektrische Generatoren die im Abgas enthaltene Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln, welche wiederum zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden kann.
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Damit eine Verbrennungskraftmaschine zunächst in einem optimalen Wirkungsgradspektrum arbeiten kann, bedarf es der Einstellung von optimalen Betriebsbedingungen. Die überwiegend aus metallischen Werkstoffen gefertigte Verbrennungskraftmaschine ist derart ausgelegt, dass sie bei Betriebstemperatur in einem guten Wirkungsgradbereich arbeitet. Das heißt, die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Motorblock, Kolben, Kolbenringen, Zylinderkopf, Ventilen und weiteren Bauteilen sind derart aufeinander abgestimmt, dass sie bei einer durchschnittlichen Betriebstemperatur der Kernbauteile von circa 90° bis 100°C einen optimalen Wirkungsgrad erreichen und in dieser Betriebstemperatur die Motorleistung minimiert wird sowie der Ladungswechsel optimiert ist. Auch die Betriebsstoffe einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise das Motoröl oder aber in nachgeschalteten Getrieben, die mechanischen Bauteile sowie die Getriebeöle sind für den Einsatz bei der jeweiligen Betriebstemperatur optimiert.
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Gerade in den Kaltstartphasen, welche selbst bei einer Starttemperatur von 20°C stattfinden, aber auch bei Starttemperaturen von 0°C oder Minusgraden stattfinden, ist es daher notwendig, schnell auf Betriebstemperatur der einzelnen Bauteile zu kommen.
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Hierzu gibt es aus dem Stand der Technik Ansätze, durch Abgaswärmeenergierückgewinnung dem Abgas die darin enthaltene Wärme zu entziehen und diese einem Einsatzort zuzuführen. Hierzu sind jedoch Wärmetauscher im Bereich des Abgasstranges notwendig, die einen erhöhten Abgasgegendruck erzeugen und somit den Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine mindern.
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Aufgrund zunehmender Anforderungen an die Minimierung von Abgasemissionen und damit verbundenen eingesetzten Abgasnachbehandlungskomponenten, beispielsweise einem. Partikelfilter oder aber einem Katalysator, ist es jedoch gleichzeitig kontraproduktiv, in der Kaltstartphase dem Abgas Wärme zu entziehen, da die Abgasnachbehandlungssysteme ebenfalls Wärmeenergie benötigen, um ihre volle Wirkung entfalten zu können. Darüber hinaus wird oftmals ein Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Wasser, eingesetzt, welches jedoch selbst wiederum im Wirkungsgrad limitiert ist und nur eine suboptimale Lösung darstellt.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise durch die
DE 10 2009 049 196 A1 eine Wärmeübertragungseinrichtung bekannt, bei der Wärme zielgerichtet von einer Wärmequelle zu einer Wärmsenke über ein Wärmerohr transportiert wird. Zudem ist der Wärmetransport steuerbar.
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Aus der
EP 0 874 143 A2 ist ein Wärmetauscher für einen Abgaskanal bekannt, der ein poröses Material zur Oberflächenvergrößerung der zur Verfügung stehenden Wärmetauscherfläche verwendet. Das poröse Material ist jedoch flüssigkeitsundurchlässig, weshalb ausschließlich ein Fluid im dampfförmigen Zustand durch dieses geleitet wird.
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Aus der
EP 0 884 550 A2 ist ferner ein Wärmetauscher bekannt, bei dem in einem Niedrigtemperaturwärmetauscher in der Arbeitsmittelleitung ein poröser Körper angeordnet ist, um die Oberfläche der Wärmeübertragung zu vergrößern.
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Ferner ist aus der
DE 10 2008 008 682 A1 ein Wärmetauscher für ein Abgassystem bekannt, der als Plattenwarmetauscher ausgebildet ist, wobei zur Vergrößerung der Oberfläche zwischen den einzelnen Platten mäanderförmig gebogene Bleche angeordnet sind.
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Weitere Wärmetauschersysteme sind beispielsweise aus der
US 2006/0054381 A1 sowie aus der
DE 10 2009 042 584 A1 bekannt.
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Der zuvor genannte Stand der Technik löst jedoch nicht das Problem, in einem Abgassystem gerade in der Kaltstartphase den gewünschten Wärmesenken Wärmeenergie zuzuführen, ohne dem Abgas in dieser Phase zu viel Wärmeenergie zu entziehen und ohne den Abgasgegendruck zu erhöhen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Abgassystem zur Verfügung zu stellen, mit dem ein zielgerichteter Wärmetransport möglich ist, ohne dem Abgas in bestimmten Betriebssituationen zu viel Wärmeenergie zu entziehen.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Abgassystem für einen Verbrennungsmotor weist ein Abgasrohr, einen Kondensator, einen Verdampfer und den Kondensator und den Verdampfer verbindende Leitungen auf, wobei ein Wärmetransport der im Abgas enthaltenden Wärmeenergie in den Leitungen durch ein Arbeitsmedium erfolgt, auf, wobei der Verdampfer aus einem Abgasrohr, einer Kapillarstruktur und einem Hüllrohr ausgebildet ist. Das Abgassystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstruktur als poröser Körper zwischen dem Abgasrohr und dem Hüllrohr ausgebildet ist, wobei das Arbeitsmedium beim Durchtritt durch die Kapillarstruktur von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht.
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Bei einer Kapillarstruktur handelt es sich im Sinne der Erfindung um einen porösen Körper, z. B. aus Edelstahl oder einem keramischen Material, wobei es durch die Poren zu einer Kapillarwirkung zum Transport eines Arbeitsmediums kommt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Nutzung der im Abgas enthaltenen Wärme, anstatt über herkömmliche Wärmerohre über sogenannte Kreislaufwärmerohre oder aber auch Loop Heat Pipes genannt. Ein Kreislaufwärmerohr besteht dabei aus einem Verdampfer, einem Kondensator sowie den Leitungen zur Dampf- und Flüssigkeitsströmung, die zwischen Verdampfer und Kondensator entsteht. Zwischen den zuvor genannten Baukomponenten ergibt sich ein in sich geschlossener Kreislauf. Die übertragene Wärmemenge kann dabei aktiv, beispielsweise durch Regelventile oder aber auch passiv durch Abstimmung auf die jeweils zu erwartenden Betriebskerngrößen erfolgen. Die Zirkulation des Arbeitsmediums in dem Kreislaufwärmerohr selber wird in Folgeeiner Druckdifferenz im Verdampfer zwischen dem Bereich der Verdampfung und dem Bereich des Rückflusses des Arbeitsmediums im Aggregatzustand flüssig aufrecht erhalten. Erfindungsgemäß werden die beiden Bereiche gasförmig und flüssig durch die Kapillarstruktur im Verdampfer getrennt.
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Der Verdampfer wird dabei in dem erfindungsgemäßen Abgassystem auf der Seite der Wärmequelle, hier in Form des Abgas führenden Rohres angeordnet. Der Kondensator wird auf der Seite einer Wärmesenke angeordnet, in der es notwendig ist, beispielsweise in einer Kaltstartphase, eine zusätzliche Wärmeleistung einzubringen. Dies kann beispielsweise in einem Getriebe oder aber an einem separaten Wärmetauscher, der wiederum beispielsweise zur Kraftfahrzeuginnenraumheizung genutzt wird, stattfinden.
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Erfindungsgemäß besitzen die den Kondensator mit dem Verdampfer verbindenden Leitungen keine Kapillarstruktur, so dass große Freiräume für die Gestaltung bzw. Verlegung dieser die Wärme transportierenden Leitungen gegeben sind. Erfindungsgemäß ergibt sich somit insbesondere der Vorteil, dass gegenüber herkömmlichen I-förmigen Wärmerohren kleine Biegeradien oder ähnliches nicht zwingend eingehalten werden müssen. Insbesondere beim Wärmetransport im Unterflurbereich eines Kraftfahrzeuges entstehen somit erfindungsgemäße Vorteile, so dass bereits jetzt vorhandene Bauräume in Kraftfahrzeugen für die vorliegende Erfindung genutzt werden können, ohne weitere Modifikationen.
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Um die Wirkungsgradsteigerung des erfindungsgemäßen Abgassystems weiter zu erhöhen und die im Abgas befindliche Wärmeenergie optimal nutzen zu können, weist das Abgasrohr nach innen gerichtete Wärmetauscherflächen auf. Im Sinne der Erfindung bedeutet nach innen gerichtet, dass die Wärmetauscherflächen gegenüber einer im Wesentlichen glatten Rohrwand vorstehen, also Erhebungen sind, die zur Vergrößerung der am Wärmetauscher teilhabenden Flächen dienen. Es handelt sich beispielsweise um rippenartige Strukturen. Die Wärmetauscherflächen sind direkt mit dem Abgasrohr gekoppelt, so dass eine Innenrohrfläche, welche die Wärmeenergie aus dem Abgas durch Konvektion und Strahlung aufnimmt, durch die Wärmetauscherflächen entsprechend vergrößert wird. Die Wärmetauscherflächen sind vorzugsweise materialeinheitlich einstückig mit dem Abgasrohr ausgebildet, so dass von den Wärmetauscherflächen in das Abgasrohr und an die Außenmantelfläche des Abgasrohres eine verlustarme Wärmeleitung erfolgt.
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Insbesondere sind die Wärmetauscherflächen parallel zur Strömungsrichtung orientiert, vorzugsweise ragt jede zweite Wärmetauscherfläche radial in einen Zentrumsbereich des Abgasrohres und die jeweils benachbarten Wärmetauscherflächen sind in Relation hierzu kürzer ausgebildet. Durch die parallele Orientierung der Wärmetauscherfläche zur Abgasströmungsrichtung erfolgt eine nicht nennenswerte Abgasgegendruckerhöhung. Durch die Anordnung einer jeweils kurzen und einer dazu benachbarten langen Wärmetauscherfläche erfolgt eine optimale Innenraumausnutzung der im Abgasrohr zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung sieht vor, dass die Kapillarstruktur zwischen dem Abgasrohr und dem Hüllrohr als Zwischenschicht ausgebildet ist. Die Kapillarstruktur fördert das im Aggregatzustand flüssig vorhandende Arbeitsmedium innerhalb des Wärmerohres an die Außenmantelfläche des Abgasrohres, wo es durch Wärme bzw. Hitze in den Aggregatzustand gasförmig überführt wird. Durch die Kapillarstruktur wird somit ein zielgerichteter Transport des in dem Wärmerohr befindlichen Arbeitsmediums sichergestellt.
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Zur weiteren Effektivitätssteigerung weist die Kapillarstruktur im Bereich der Außenmantelfläche des Abgasrohres Dampfrillen auf. Die Dampfrillen sind insbesondere parallel zur Strömungsrichtung des in dem Abgasrohr strömenden Abgases orientiert verlaufend ausgebildet. Die Dampfrillen können jedoch im Rahmen der Erfindung auch quer zur Strömungsrichtung oder beispielsweise in Form eines Zick-Zack-Musters oder einer Schlangenlinie ausgebildet sein. In den Dampfrillen verdampft das in dem Kreislaufwärmerohr befindliche Arbeitsmedium, so dass es von dem Aggregatzustand flüssig in den Aggregatzustand gasförmig übergeht. Hierbei nimmt es entsprechend Wärmeenergie auf.
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Damit diese Wärmeenergie entsprechend einer Wärmesenke, respektive dem Kondensator zugeführt werden kann, sind die Dampfrillen insbesondere in direkter Verbindung mit einer Austrittsöffnung aus dem Verdampfer in Kontakt stehend.
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Durch die Austrittsöffnung ist bevorzugt eine Leitung zur Zuführung des Arbeitsmediums an den Kondensator angeschlossen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind an der Innenmantelfläche des Hüllrohres Flüssigkeitsrillen ausgebildet. Die Flüssigkeitsrillen können dabei ebenfalls bevorzugt parallel zur Abgasströmungsrichtung orientiert verlaufend ausgebildet sein. Durch die Flüssigkeitsrillen wird das von dem Kondensator kommende Arbeitsmedium im Aggregatzustand flüssig in dem Verdampfer verteilt und durch die Kapillarstruktur bevorzugt an die Dampfrillen geführt. Der Verdampfer kann somit ohne Rücksicht auf die Schwerkraft in beliebiger räumlicher Orientierung in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden, da immer aufgrund der Kapillarwirkung das Arbeitsmedium in flüssiger Form an die Außenmantelfläche des Abgasrohres, insbesondere in die Dampfrillen, geführt wird und dort in den Aggregatzustand gasförmig überführt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante stehen die Flüssigkeitsrillen in direkter Verbindung mit einer Flüssigkeitseintrittsöffnung in den Verdampfer. Das von dem Kondensator kommende Arbeitsmedium im Aggregatzustand flüssig kann somit über die Flüssigkeitsrillen direkt in die Kapillarstruktur geführt werden, ebenfalls über die gesamte Länge des Verdampfers.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung stellt ein Abgasrohr mit einer Bypassklappe dar. Insbesondere ist das Abgasrohr zweiflutig ausgebildet, wobei ein erster innenliegender Strömungskanal zur direkten Durchleitung des Abgases und ein zweiter außenliegender Strömungskanal mit Wärmetauscherrippen ausgebildet sind. Ein Abgasstrom wird vorzugsweise über das Bypassventil durch den ersten und/oder den zweiten Strömungskanal geleitet.
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Durch die zweiflutige Ausbildung des Abgasrohres wird ein Verdampfer zur Verfügung gestellt, der insbesondere bei Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine mit hohen Abgasdurchsatzraten durch einen innenliegenden ersten Strömungskanal das Abgas direkt an die nachgeschalteten Abgaskomponenten überführt. Der Abgasgegendruck wird hierdurch minimiert. In Betriebszuständen, in denen noch keine hohe Abgasdurchsatzrate vorhanden ist, beispielsweise während des Kaltstartverhaltens, kann das Abgas durch das Bypassventil derart umgeleitet werden, dass es zunächst einen das innere Abgasrohr umgebenden außenliegenden zweiten Strömungskanal durchströmt, wobei in dem zweiten Strömungskanal Wärmetauscherrippen angeordnet sind, die die Oberfläche vergrößern und somit dem Abgas entsprechend eine höhere Wärmemenge entziehen.
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Bevorzugt ist zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungskanal radial umlaufend in Strömungsrichtung des Abgases eine Wärmetauscherkammer ausgebildet. Die Wärmetauscherkammer übernimmt dabei die Verdampfungsfunktion, so dass ein Arbeitsmedium vom Aggregatzustand flüssig durch entsprechende Wärmeenergie, die zum einen durch den zweiten Strömungskanal zugeführt werden kann, aber auch durch den ersten Strömungskanal zugeführt werden kann oder aber auch durch beide Strömungskanäle zugeführt werden können, in den Aggregatzustand gasförmig überführt. Durch entsprechende Anschlussleitungen an der Wärmetauschkammer kann flüssiges Arbeitsmedium zugeführt und gasförmiges Arbeitsmedium abgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Wärmetauschkammer zumindest bereichsweise mit einer Kapillarstruktur ausgefüllt. Weiterhin bevorzugt befindet sich in der Wärmetauschkammer ein Flüssigkeitskanal. Der Flüssigkeitskanal ist wiederum bevorzugt innen- und außenliegend durch die Kapillarstruktur begrenzt. Ein Flüssigkeitsvolumen wird somit durch die Kapillarwirkung an die Mantelflächen des innenliegenden und/oder außenliegenden Strömungskanals geführt, wo es durch Einwirkung der aus dem Abgas entzogenen Wärme verdampfen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind in der Wärmetauschkammer an den jeweiligen Mantelflächen des ersten und/oder zweiten Strömungskanals Dampfrillen ausgebildet, wobei die Dampfrillen bevorzugt parallel zur Strömungsrichtung des Abgases orientiert verlaufen. Die bereits zuvor beschriebenen Vorteile für die Dampfrillen gelten analog in dieser Ausführungsvariante.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Wärmetransport zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator regelbar und steuerbar, vorzugsweise durch ein Ventil. Insbesondere ist in dem Kreislaufwärmerohr ein Thermosensor angeordnet, besonders bevorzugt vor dem Verdampfer. Hierdurch ist es möglich, dass durch eine vergleichsweise einfache Steuerung des Kreislaufwärmerohres, bei der ein Sensor auf Seiten des zu erwärmenden Fluides angeordnet ist, das entsprechende Fluid auf eine konstante Betriebstemperatur zu regeln und/oder das zu erwärmende Bauteil oder Medium auf einer konstanten Temperatur zu halten.
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Um die Regelungsmöglichkeiten zu erweitern, ist insbesondere zwischen Verdampfer und Kondensator ein Reservoir angeordnet, wobei das Reservoir das Arbeitsmedium der Leitungen zwischenspeichert. Hierdurch wird sichergestellt, dass insbesondere bei großen zu übertragenden Wärmemengen kein Austrocknen aufgrund eines vollständig verdampften und/oder gebundenen Arbeitsmediums erfolgt. Ein gezieltes Abgreifen des Arbeitsmediums in dem jeweils gewünschten Aggregatzustand ist aus dem Reservoir möglich.
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Im Rahmen der Erfindung stellt sich insbesondere mit dem Kreislaufwärmerohr eine besonders hohe Leistungsfähigkeit zur Übertragung der Wärmemenge ein. Das Alterungsverhalten der mit dem erfindungsgemäßen Wärmerohr aufgeheizten Wärmesenken, beispielsweise Betriebsstoffe in Form von Getriebe und Motorölen, verbessert sich durch die Möglichkeit der konstanten Temperaturregelung. Insbesondere besitzen die zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordneten Leitungen keine Kapillarstruktur, wodurch eine besonders gute Gestaltungsmöglichkeit bezüglich Krümmungen, Höhenunterschiede sowie Relativbewegungen zwischen Kondensator und Verdampfer gegeben werden.
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Das erfindungsgemäße Abgassystem weist nur geringe Leistungsverluste bei Vibrationen, Umlenkungen und Höhenunterschieden auf. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Abgassystem additiv anwendbar, so dass mehrere Verdampfer und/oder mehrere Kondensatoren über verschiedene Leitungen miteinander gekoppelt werden. Eine unterschiedliche Steuerung der einzelnen Verdampfer bzw. Kondensatoren ist über Bypass- oder Wegeventile möglich, so dass eine breite Auswahl an Betriebsmöglichkeiten eingestellt werden kann. Insbesondere der Aufbau eines Zweileitungssystems, wobei eine Leitung die Dampfströmung des Arbeitsmediums und die andere Leitung die Flüssigkeitsströmung des Arbeitsmediums leitet, ergibt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Kreislaufwärmerohres.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Die schematischen Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Abgassystem mit einem Verdampfer in perspektivischer Ansicht;
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2 einen Längsquerschnitt durch den Verdampfer;
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3 einen Querschnitt durch den Verdampfer;
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4 eine Detailansicht der Außenwand in Querschnittsansicht des Verdampfers;
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5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsvariante eines Verdampfers;
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6 eine Detailansicht im Querschnitt des Verdampfers aus 5 und
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7a bis c Regelungs- und Flussdiagramme verschiedener erfindungsgemäßer Abgassysteme.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus. Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein Abgassystem 1, wobei Abgas A in ein Abgasrohr 2 ein- und auf einer gegenüberliegenden Seite wieder ausströmt. Das Abgasrohr 2 ist in einem Abschnitt 3 in Längsrichtung 4 von einem Verdampfer 5 umgeben. Der Verdampfer 5 weist eine Eintrittsöffnung 6 zum Eintritt des Arbeitsmediums im Aggregatzustand flüssig 7 und eine Austrittsöffnung 8 zum Austritt des Arbeitsmediums im Aggregatzustand gasförmig 9 auf. Stirnseitig ist der Verdampfer 5 durch eine Deckelplatte 10 abgeschlossen. Auf der der Deckelplatte 10 gegenüberliegenden Seite weist der Verdampfer 5 einen Stopfen 11 auf. Hierdurch ergibt sich eine leichte Produzierbarkeit, da der Verdampfer 5 auf das Abgasrohr 2 aufschiebbar ist. Im Inneren des Abgasrohres 2 sind Wärmetauscherflächen 12 ausgebildet, die die Oberfläche 13, welche für den Wärmeaustausch mit dem heißen Abgas A genutzt wird, vergrößert.
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2 zeigt einen Längsquerschnitt durch das in 1 dargestellte Abgasrohr 2 mit aufgesetztem Verdampfer 5. Das innenliegende Abgasrohr 2 ist zum Durchfluss des Abgases A vorn auf die Bildebene bezogen rechts nach links ausgelegt. Im Inneren des Abgasrohres 2 befinden sich die Wärmetauscherflächen 12, welche die Oberfläche 13 zur Wärmaufnahme aus dem Abgas A, hauptsächlich durch erzwungene Konvektion, vergrößern.
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Auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite befindet sich die Eintrittsöffnung 6 mit einem umlaufenden Eintrittskanal 14 für das Arbeitsmedium im Aggregatzustand flüssig 7. Dieses strömt auf die Bildebene bezogen von links nach rechts in dem Verdampfer 5, wo es in den Aggregatzustand 9 gasförmig überführt wird. Damit der Verdampfer 5 unabhängig von der Schwerkraft und somit unabhängig des Einbauortes genutzt werden kann, ist eine Kapillarstruktur 15 zwischen einer Außenmantelfläche 16 des Abgasrohres 2 und einer Innenmantelfläche 17 eines Hüllrohres 18 angeordnet. Der Verdampfer 5 funktioniert analog einem Wärmetauscher im Gegenstromprinzip. Auf der rechten Seite auf die Bildebene bezogen, ist der Stopfen 11 mit der Austrittsöffnung 8 zum Abführen des Arbeitsmediums im Aggregatzustand gasförmig 9 angeordnet. Zwischen dem Stopfen 11 und der Außenmantelfläche 16 des Abgasrohres 2 ist ein umlaufender Austrittskanal 19 vorgesehen, welches in das Arbeitsmedium 9 im Aggregatzustand gasförmig sammelt und durch die Austrittsöffnung 8 abführt.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht durch ein erfindungsgemäßes Abgassystem 1, wobei die Oberfläche 13 des innenliegenden Abgasrohres 2 durch die Wärmetauscherflächen 12 stark vergrößert wird. Gut zu erkennen ist, dass jeweils eine längere Wärmetauscherfläche 12, welche in einen Zentrumsbereich des Abgasrohres 2 hineinragt, angeordnet ist, mit einer jeweils benachbarten hierzu kürzeren Wärmetauscherfläche 12. Hierdurch wird die Querschnittsfläche des Abgasrohres 2 optimal in Bezug auf die zur Wärmeübertragung zur vergrößernde Oberfläche 13 abgestimmt, ohne den dabei entstehenden Abgasgegendruck wesentlich zu vergrößern. Zwischen der Außenmantelfläche 16 des Abgasrohres 2 und der Innenmantelfläche 17 des Hüllrohres 18 ist die Kapillarstruktur 15 angeordnet. Im Bereich der Außenmantelfläche 16 des Abgasrohres 2 sind Dampfrillen 21 angeordnet und im Bereich der Innenmantelfläche 17 des Hüllrohres 18 sind Flüssigkeitsrillen 22 angeordnet. Die Querschnittsgeometrie des Abgasrohres 2 ist nicht auf die hier dargestellte kreisrunde Form beschränkt. Auch mehreckige, insbesondere quadratische oder auch dreieckige Formen sind möglich.
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Gut zu erkennen ist dieses in der Detailansicht gemäß 4. Die Flüssigkeitsrillen 22 sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsvariante direkt mit dem hier nicht näher dargestellten Eintrittskanal gekoppelt und die Dampfrillen 21 mit dem hier nicht näher dargestellten Austrittskanal. Folglich ist durch die Zuführung des Arbeitsmediums über die Rillen 21, 22 in dem jeweiligen geforderten Aggregatzustand stets auch über die Länge des nicht näher dargestellten Abschnitts ausreichend Arbeitsmedium vorhanden, um eine entsprechende Wärmetauscherleistung vorzunehmen. Durch die Kapillarstruktur 15 wird eine Beförderung des Arbeitsmediums unabhängig von Einbauort, Einbaulage und Schwerkraft, vorgenommen, so dass der erfindungsgemäße Verdampfer 5 stets mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Abgassystems 1, wobei das Abgasrohr 2 in 5 zweiflutig ausgebildet ist. Ein erster innenliegender Strömungskanal 23 ist zur direkten Durchleitung von Abgas A ausgebildet, so dass hier keine Strömungshindernisse angeordnet sind. Über eine Bypassklappe 24 ist der innenliegende Strömungskanal 23 ansteuerbar. Ein zweiter außenliegender Strömungskanal 25, der den ersten innenliegenden Strömungskanal 23 umgibt, weist Wärmetauscherrippen 26 auf, die die zur Verfügung stehende Oberfläche 13 des zweiten außenliegenden Strömungskanals 25 derart vergrößern, dass ein hoher Wärmeentzug des durchgeleiteten Abgases A vollzogen wird.
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Damit das Abgas A in den zweiten außenliegenden Strömungskanal 25 eintreten kann, weist das innenliegende Abgasrohr 2 Abgaseintrittsöffnungen 27 auf, die bei geschlossener oder aber zumindest teilgeschlossener Bypassklappe 24 eine Zwangsumleitung des Abgases durch den zweiten außenliegenden Strömungskanal 25 hervorrufen. Zwischen dem außenliegenden Strömungskanal 25 und dem innenliegenden Strömungskanal 23 ist eine Wärmetauschkammer 28 angeordnet.
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Eine Detailansicht des Aufbaus der Wärmetauschkammer 28 ist in 6 dargestellt. Die Wärmetauschkammer 28 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante mit einem innenliegenden Flüssigkeitskanal 29 ausgestattet, der wiederum ein Arbeitsmedium im Aggregatzustand flüssig beherbergt. Der Flüssigkeitskanal 29 ist benachbart von einer Kapillarstruktur 15, welches das Arbeitsmedium im Aggregatzustand flüssig an die Außenmantelfläche 30 des innenliegenden Strömungskanals 23 und an die Innenmantelfläche 31 des außenliegenden Strömungskanals 25 leitet.
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Die zuvor genannten Mantelflächen 30, 31 weisen wiederum besonders bevorzugte Dampfrillen 21 auf. Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, bei Durchleitung des Abgases A sowohl durch den innenliegenden Strömungskanal 23, als auch durch den außenliegenden Strömungskanal 25 entsprechend die entzogene Wärmemenge des Abgases A zu regeln. Bei besonders hohen Durchsatzraten im hohen Last- und/oder Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors ist durch vollständiges Öffnen der Bypassklappe 24 ein direktes Durchleiten des Abgases A durch den innenliegenden Strömungskanal 23 möglich, ohne dabei den Abgasgegendruck wesentlich zu erhöhen.
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Die 7a bis c zeigen drei verschiedene Anordnungsvarianten des erfindungsgemäßen Abgassystems 1 in einem schematischen Flussdiagramm.
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7a zeigt einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Abgassystems 1 bestehend aus einem Verdampfer 5 und einem Kondensator 32, wobei der Kondensator 32 und der Verdampfer 5 über Leitungen 33 miteinander gekoppelt sind. Die auf der Bildebene gezeigten rechten Leitung 33 leitet das Arbeitsmedium 9 im Zustand gasförmig die auf die Bildebene gezeigte linke Leitung leitet das Arbeitsmedium 7 im Zustand flüssig. In beiden Leitungen 33 ist eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung 34 angeordnet, die den erfindungsgemäßen Kreislauf kurzschließen kann. Weiterhin befindet sich in dem Kreislauf ein Reservoir 35, welches ein Flüssigkeitsvorrat beinhaltet, so dass ein Austrocknen des Kreislaufes durch den Verdampfer 5 verhindert wird.
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7b zeigt eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Abgassystems 1, welches wiederum aus einem Kondensator 32 und einem Verdampfer 5 ausgebildet ist, wobei eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung 34 in das Abgasrohr 2 integriert ist und direkt mit dem Kondensator 32 gekoppelt ist. Eine Steuerung erfolgt hierbei über das Abgas A und nicht über das Arbeitsmedium 7, 9. Beispielsweise kann eine solche Regelung zur Steuerungsvorrichtung durch die in 5 gezeigte Bypassklappe 24 ausgebildet sein. Weiterhin ist vor dem Verdampfer 5 ein Reservoir 35 vorgesehen, so dass wiederum ein Austrocknen des Kreislaufes verhindert wird.
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7c zeigt eine Parallelschaltung eines erfindungsgemäßen Abgassystems 1, wobei hier zwei Verdampfer 5 an einem Kondensator 32 angeschlossen sind und über eine Regelungs- und Steuerungsvorrichtung 34 wahlweise angesteuert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgassystem
- 2
- Abgasrohr
- 3
- Abschnitt
- 4
- Längsrichtung
- 5
- Verdampfer
- 6
- Eintrittsöffnung
- 7
- Arbeitsmedium flüssig
- 8
- Austrittsöffnung
- 9
- Arbeitsmedium gasförmig
- 10
- Deckelplatte
- 11
- Stopfen
- 12
- Wärmetauscherfläche
- 13
- Oberfläche
- 14
- Eintrittskanal
- 15
- Kapillarstruktur
- 16
- Außenmantelfläche zu 2
- 17
- Innenmantelfläche zu 18
- 18
- Hüllrohr
- 19
- Austrittskanal
- 20
- Zentrumsbereich
- 21
- Dampfrillen
- 22
- Flüssigkeitsrillen
- 23
- innenliegender Strömungskanal
- 24
- Bypassklappe
- 25
- außenliegender Strömungskanal
- 26
- Wärmetauscherrippen
- 27
- Abgaseintrittsöffnungen
- 28
- Wärmetauschkammer
- 29
- Flüssigkeitskanal
- 30
- Außenmantelfläche zu 23
- 31
- Innenmantelfläche zu 25
- 32
- Kondensator
- 33
- Leitungen
- 34
- Regelungs- und Steuerungsvorrichtung
- 35
- Reservoir
- A
- Abgas
