DE102012210456A1

DE102012210456A1 - Abgassystem für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102012210456A1
Application number: DE201210210456
Authority: DE
Inventors: Ivo Daniel Weese; Achim Stampflmeier; Joachim März
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Ein Abgassystem (10) für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, mit einem Wärmetauschersystem (14) zum Kühlen und/oder zum Heizen eines Fluids, wenigstens einem Wärmetauscher (26), durch den das Fluid und Abgas strömen können, einem Abgas führenden Abgasrohr (12), von dem wenigstens eine Abzweigleitung (24) zu dem Wärmetauscher (26) führt, sowie einer Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnittes (30) des Abgasrohres (12) oder der Abzweigleitung (24), die die Strömung durch das Abgasrohr (12) und/oder die Abzweigleitung (24) steuert, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (24) wenigstens eine Öffnung (28) hat, durch die Umgebungsluft in die Abzweigleitung (24) eintreten kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs mit einem Wärmetauschersystem zum Kühlen und/oder zum Heizen eines Fluids, wenigstens einem Wärmetauscher, durch den das Fluid und Abgas strömen können, einem Abgas führenden Abgasrohr, von dem wenigstens eine Abzweigleitung zu dem Wärmetauscher führt, sowie einer Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnittes des Abgasrohres oder der Abzweigleitung, die die Strömung durch das Abgasrohr und/oder die Abzweigleitung steuert.
Abgassysteme für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs weisen üblicherweise neben einem Abgasrohr Wärmetauschersysteme auf, die zum Heizen eines Fluids, beispielsweise Kühlwasser oder Motoröl, verwendet werden. Diese Wärmetauschersysteme sind generell derart aufgebaut, dass sie die heißen Abgase des Motors zu einem Wärmetauscher lenken. In dem Wärmetauscher wird die Wärmeenergie des Abgases zur Erwärmung des Fluids ausgenutzt. Darüber hinaus sind Abgassysteme bekannt, die zusätzlich zu dem Wärmetauschersystem eine Klappe oder Ähnliches aufweisen, die zur Regulierung des Strömungsquerschnitts des Abgasrohrs dient. Durch die Veränderung des Strömungsquerschnitts des Abgases kann die Wärmemenge, die dem Wärmetauscher zugeführt wird, beeinflusst werden. Die Beeinflussung des dem Wärmetauscher zugeführten Abgasstroms reguliert die Wärmeübertragung auf das zu erwärmende Fluid, so dass die gewünschte Temperatur des Fluids erreicht werden kann.
All den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ist gemeinsam, dass das verwendete Wärmetauschersystem zum Heizen eines Fluids verwendet wird. Jedoch gibt es Betriebssituationen, in denen auch ein Kühlen des Fluids vorteilhaft wäre.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Abgassystem zu schaffen, das sowohl ein Heizen als auch ein Kühlen eines Fluids ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Abgassystem für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs mit einem Wärmetauschersystem zum Kühlen und/oder zum Heizen eines Fluids, wenigstens einem Wärmetauscher, durch den das Fluid und Abgas strömen können, einem Abgas führenden Abgasrohr, von dem wenigstens eine Abzweigleitung zu dem Wärmetauscher führt, sowie einer Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnittes des Abgasrohres oder der Abzweigleitung, die die Strömung durch das Abgasrohr und/oder die Abzweigleitung steuert, vorgesehen, dass die Abzweigleitung wenigstens eine Öffnung hat, durch die Umgebungsluft in die Abzweigleitung eintreten kann.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass kühlende Umgebungsluft durch die Öffnung der Abzweigleitung in das Wärmetauschersystem einströmen kann, wodurch das in dem Wärmetauscher befindliche Fluid mit der Umgebungsluft umströmt und gekühlt wird. Es wird somit ein Wärmetauschersystem bereitgestellt, das nicht nur zum Heizen eines Fluids, sondern auch zum Kühlen dieses Fluids geeignet ist. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Abgassystem Kühlwasser vorwärmen, sodass die Kaltstartphase des Motors verbessert wird und darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Abgassystem die Funktion des Kühlers im Fahrzeugbetrieb verbessern bzw. unterstützen, indem das Kühlwasser durch das selbe Wärmetauschersystem gekühlt wird.
Das Kühlen des Fluids erfordert gemäß einer bevorzugten Ausführungsform keine sonstigen, aufwendigen Einrichtungen wie beispielsweise eine Pumpe oder ähnliches, die die Umgebungsluft aktiv ansaugt und dem Wärmetauscher zuführt. Das erfindungsgemäße Abgassystem beruht auf einem selbsttätigen, passiven auf Druckunterschieden beruhendem Wärmetauschersystem, dass das Heizen und/oder Kühlen eines Fluids ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher in einem Endrohrbereich des Abgassystems, insbesondere nach einem Katalysator, angeordnet. Durch die Anordnung des Wärmetauschers hinter einem Katalysator ist gewährleistet, dass der Katalysator stets unter besten Arbeitsbedingungen arbeiten kann, da die Abgastemperatur konstant ist und nicht durch einen vorgeschalteten Wärmetauscher variiert. Eine Anordnung vor dem Katalysator ist auch denkbar, jedoch würde dies den Aufbau des gesamten Abgassystems komplizierter gestalten.
Insbesondere hat die Einrichtung eine erste, offene Stellung und eine zweite, zumindest teilweise offene Stellung, wobei in einer der Stellungen Abgas zur Öffnung und in der anderen Stellung Umgebungsluft in das Abgasrohr strömt. Das bedeutet, dass die zwei Stellungen der Einrichtung derart ausgebildet sind, dass sie zum einen das Heizen des Fluids und zum anderen das Kühlen des Fluids mit der Umgebungsluft ermöglichen. Dies wird über die Stellung der steuerbaren Einrichtung erreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmetauscher bei zumindest teilweise geschlossener Einrichtung abgasdurchströmt und erwärmt das Fluid. Durch das zumindest teilweise Schließen der Einrichtung gelangt das warme Abgas zu dem Wärmetauscher, wo es das Fluid erwärmt. Das Abgas kann in dieser Stellung der Einrichtung über die Öffnung der Abzweigleitung des Abgassystems entweichen.
Insbesondere wird das Fluid im Wärmetauscher bei geöffneter Einrichtung mit Umgebungsluft gekühlt. In dieser Ausführungsform strömt das Abgas bei geöffneter Einrichtung nicht über den Wärmetauscher, sondern direkt durch das Abgasrohr. Der Wärmetauscher wird dagegen mit Umgebungsluft durchströmt, die aufgrund des Unterdrucks in der Abzweigleitung angesaugt wird, wodurch das in dem Wärmetauscher befindliche Fluid gekühlt wird. Der Unterdruck in der Abzweigleitung entsteht aufgrund des mit hoher Geschwindigkeit durch das Abgasrohr strömende Abgas.
Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass dasselbe oder dieselben Abgasrohre heißes Abgas bei Ausströmen führen als auch beim Ansaugen kalte Umgebungsluft, abhängig von der Stellung der Einrichtung.
Vorzugsweise ist die Einrichtung eine Abgasklappe, insbesondere eine Soundklappe, und/oder die Einrichtung liegt im Abgasrohr stromabwärts der Mündung der Abzweigleitung. Die Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts des Abgasrohres hat somit nicht nur die Aufgabe, das Wärmetauschersystem zu steuern, indem es durch seine Stellung das Kühlen oder Heizen des Fluids beeinflusst. Die Einrichtung reguliert darüber hinaus die geforderte Abgabeleistung des Motors oder aber beeinflusst das Geräuschverhalten des Abgassystems bzw. Fahrzeugs. Der Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts kommt demnach eine Doppelfunktion zu.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Abgasrohr und die Abzweigleitung miteinander gekoppelt, um eine Strahl- oder Venturipumpe zu bilden, sodass wahlweise Umgebungsluft über die Abzweigleitung ins Abgasrohr gesaugt wird. Die Strahlpumpe funktioniert dabei derart, dass bei geöffneter Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts das Abgas durch das Abgasrohr mit einer hohen Geschwindigkeit strömt und dabei Umgebungsluft aus der Abzweigleitung mitreißt und ein Unterdruck entsteht, der ein Nachströmen von Umgebungsluft zur Folge hat. Durch das Nachströmen von Umgebungsluft durch die Öffnung der Abzweigleitung wird das Fluid in dem Wärmetauschersystem durch die strömende Umgebungsluft gekühlt. Das Heizen des Fluids wird bei geschlossener Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts erzielt, indem das warme Abgas aufgrund der geschlossenen Einrichtung nicht über das Abgasrohr austreten kann. Das Abgas strömt über die Abzweigleitung durch den Wärmetauscher hindurch und heizt somit das Fluid. Die Ausbildung als Venturipumpe sieht dabei vor, dass das Abgasrohr in dem Bereich der Abzweigleitung derart geformt ist, dass es dem Venturiprinzip entspricht. Dieses Prinzip stellt eine Weiterbildung der Strahlpumpe dar.
Insbesondere hat das Abgasrohr zwei voneinander beabstandete Rohrabschnitte, die zwischen sich eine Ringöffnung bilden, welche den Übergang zur Abzweigleitung bildet. Durch die Ausgestaltung des Übergangs zur Abzweigleitung als Ringöffnung ist gewährleistet, dass der Übergangsbereich einen konstanten, definierten Querschnitt aufweist. Zudem ist durch eine Ringöffnung die Steifigkeit des Abgasrohrs gegenüber einer Ausgestaltung mit zwei separaten Abschnitten vergrößert, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
Vorzugsweise weitet sich der stromabwärtige Rohrabschnitt am stromaufwärtigen freien Ende konisch auf und nimmt das stromabwärtige Ende des stromaufwärtigen Rohrabschnitts auf. Diese Ausgestaltung der Rohrabschnitte des Abgasrohres sowie der Abzweigleitung garantiert, dass das Abgas bei geöffneter Stellung durch das Abgasrohr strömt und nicht derart abgelenkt wird, dass das Abgas in die Abzweigleitung hineinströmt. Somit ist die Kühlfunktion des Wärmetauschersystems in der geöffneten Stellung sicher gestellt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Abzweigleitung eine im Querschnitt ringförmige, die Abgasleitung umfangsmäßig umgebende Leitung ist. Das bedeutet, die Abzweigleitung umschließt die Abgasleitung, wodurch ein Formschluss gebildet ist, der garantiert, dass das Abgas entweder durch das Abgasrohr bei geöffneter Stellung oder durch die Abzweigleitung bei geschlossener Stellung strömt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid um ein Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, oder um ein Getriebeöl, insbesondere für das Hinterachsgetriebe.
Das Abgassystem kann zwei Abzweigleitungen mit zwei Wärmetauschern haben, die mit dem Abgasrohr verbunden sind, um die Effizienz des Wärmetauschersystems zu vergrößern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Abgassystems mit einer geschlossenen Einrichtung, und
2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Abgassystems mit einer geöffneten Einrichtung.
In 1 ist ein hot-end Abgassystem 10 für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs gezeigt, das nach den Abgasreinigungssystemen angeordnet ist.
Das Abgassystem 10 besteht unter anderem aus einem Abgasrohr 12 und einem Wärmetauschersystem 14. Das Abgasrohr 12 ist dabei in zwei Abschnitte aufgeteilt, einen ersten Rohrabschnitt 16 und einen zweiten Rohrabschnitt 18.
Zwischen den beiden Rohrabschnitten 16, 18 bildet sich eine Ringöffnung 20, die einen Übergang 22 zu einer ringförmigen Abzweigleitung 24 definiert.
Die Abzweigleitung 24 ist Teil des Wärmetauschersystems 14, welches zudem wenigstens einen Wärmetauscher 26 aufweist, der in der Abzweigleitung 24 angeordnet ist. Darüber hinaus hat die Abzweigleitung 24 eine stromabwärtige Öffnung 28, durch die Umgebungsluft in die Abzweigleitung 24 eintreten kann oder Abgas austreten kann.
Zum Steuern des Wärmetauschersystems 14 ist weiterhin eine Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts 30 in dem zweiten Rohrabschnitt 18 des Abgasrohrs 12 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch eine Einrichtung in der Leitung 24 vorgesehen sein oder an der Öffnung 28.
In der in der 1 gezeigten Stellung des Abgassystems 10 befindet sich das Wärmetauschersystem 14 in einem das durch den Wärmetauscher 26 strömenden Fluid erwärmenden Zustand. Um dies zu erreichen, ist die Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts 30, hier in Form einer Klappe 30, in einer das Abgasrohr 12 verschließenden Stellung, wie dies in der Figur gezeigt ist.
Das von dem hier nicht dargestellten Motor kommende, heiße Abgas strömt durch den ersten Rohrabschnitt 16 des Abgasrohrs 12 in Richtung des Pfeils 32 und trifft auf die geschlossene Klappe 30, die sich in dem zweiten Rohrabschnitt 18 befindet.
Von der geschlossenen Klappe 30 wird das Abgas entlang des Pfeils 34 abgelenkt, tritt durch die Ringöffnung 20 und strömt durch den Übergang 22 in die Abzweigleitung 24.
Das in die Abzweigleitung 24 strömende Abgas strömt nun weiter zu dem Wärmetauscher 26 gemäß dem Pfeil 36 und erwärmt ein in dem Wärmetauscher 26 befindliches Fluid. Das Abgas tritt aus der Abzweigleitung 24 durch die Öffnung 28 der Abzweigleitung 24 aus. Das in dem Wärmetauscher 26 befindliche Fluid wurde somit durch das von dem Motor kommende Abgas erwärmt.
In 2 ist dasselbe Abgassystem 10 mit dem Wärmetauschersystem 14 gezeigt, wobei sich die Klappe 30 in einer geöffneten Stellung befindet. Anhand der 2 kann daher das Kühlen des Fluids in dem Wärmetauscher 26 beschrieben werden.
Das von dem Motor kommende, in den ersten Rohrabschnitt 16 des Abgasrohrs 12 entlang des Pfeils 32 strömende Abgas kann ungehindert des komplette Abgasrohr 12, also den ersten Rohrabschnitt 16 und den zweiten Rohrabschnitt 18, passieren, da sich die Klappe 30 in einem geöffneten Zustand befindet. Das Abgas strömt demnach entlang des Pfeils 32 durch das komplette Abgasrohr 12 und tritt am Ende des zweiten Rohrabschnitts 18 aus dem Abgasrohr 12 aus. Durch die konische Ausgestaltung des zweiten Rohrabschnitts 18 wird verhindert, dass das Abgas den Übergang 22 passiert und in die Abzweigleitung 24 strömt.
Das Kühlprinzip funktioniert dabei derart, dass das Abgas, welches in dem Abgasrohr 12 mit einer hohen Geschwindigkeit strömt, ähnlich einer Strahlpumpe Umgebungsluft aus der Abzweigleitung 24 über den Übergang 22 durch die Ringöffnung 20 in das Abgasrohr 12, genauer den zweiten Rohrabschnitt 18, ansaugt. Da aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Abgases und dem Mitreißen der in der Abzweigleitung 24 befindlichen Luft ein Unterdruck in der Abzweigleitung 24 entsteht, wird Umgebungsluft durch die Öffnung 28 der Abzweigleitung 24 in die Abzweigleitung 24 angesaugt.
Die in die Abzweigleitung 24 eintretende Umgebungsluft durchströmt den Wärmetauscher 26 und kühlt dabei das darin befindliche Fluid. Die angesaugte Umgebungsluft strömt weiter entlang der Pfeilrichtungen 38 und 40 durch die Abzweigleitung 24 und den Übergang 22 in das Abgasrohr 12. In dem Abgasrohr 12 vermischt es sich mit dem Abgas und tritt am Ende des Abgasrohrs 12 zusammen mit dem von dem Motor kommenden Abgas aus.
Gemäß der Erfindung ist demnach ein Abgassystem 10 mit einem Wärmetauschersystem 14 geschaffen, das in der Lage ist, in Abhängigkeit von der Position einer Einrichtung zur Veränderung des Strömungsquerschnitts 30 eines Abgasrohres 12 ein in einem Wärmetauscher 26 befindliches Fluid mit der Wärme des Abgases zu erwärmen und/oder mit Umgebungsluft zu kühlen.

Claims

Abgassystem (10) für den Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs, mit einem Wärmetauschersystem (14) zum Kühlen und/oder zum Heizen eines Fluids, wenigstens einem Wärmetauscher (26), durch den das Fluid und Abgas strömen können, einem Abgas führenden Abgasrohr (12), von dem wenigstens eine Abzweigleitung (24) zu dem Wärmetauscher (26) führt, sowie einer Einrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnittes (30) des Abgasrohres (12) oder der Abzweigleitung (24), die die Strömung durch das Abgasrohr (12) und/oder die Abzweigleitung (24) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (24) wenigstens eine Öffnung (28) hat, durch die Umgebungsluft in die Abzweigleitung (24) eintreten kann.
Abgassystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (26) in einem Endrohrbereich des Abgassystems, insbesondere nach einem Katalysator, angeordnet ist.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) eine erste, offene Stellung und eine zweite, zumindest teilweise offene Stellung hat und in einer der Stellungen Abgas zur Öffnung und in der anderen Stellung Umgebungsluft in das Abgasrohr (12) strömt.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (26) bei zumindest teilweise geschlossener Einrichtung (30) abgasdurchströmt ist und das Fluid erwärmt.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mit einer zur Umgebung führenden Leitung versehen ist und das Fluid im Wärmetauscher (26) bei geöffneter Einrichtung (30) mit Umgebungsluft gekühlt wird.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) eine Abgasklappe, insbesondere eine Soundklappe ist und/oder dass die Einrichtung (30) im Abgasrohr (12) stromabwärts der Mündung der Abzweigleitung (24) liegt.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (12) und die Abzweigleitung (24) zur Bildung einer Strahl- oder Venturipumpe miteinander gekoppelt sind, so dass wahlweise Umgebungsluft über die Abzweigleitung (24) ins Abgasrohr (12) gesaugt wird.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (12) zwei voneinander beabstandete Rohrabschnitte (16, 18) hat, die zwischen sich eine Ringöffnung (20) bilden, welche den Übergang (22) zur Abzweigleitung (24) bildet.
Abgassystem (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der strömabwärtige Rohrabschnitt (18) sich konisch am stromaufwärtigen freien Ende aufweitet und das stromabwärtige Ende des stromaufwärtigen Rohrabschnitts (16) aufnimmt.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (24) eine im Querschnitt ringförmige, die Abgasleitung (12) umfangsmäßig umgebende Leitung ist.
Abgassystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, oder das Getriebeöl, insbesondere für das Hinterachsgetriebe ist.