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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leitungsteil für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem Rohrsegment, welches zur Leitung eines von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgasstroms dient, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem seitlich an dem Rohrsegment angeordneten Abzweig zur Entnahme eines Abgasteilstroms und mit einem in dem Rohrsegment angeordneten, schlauchförmigen Filterelement, welches von dem Abgasstrom in einer Längsrichtung im Wesentlich ungefiltert durchströmbar ist, wobei die Enden des schlauchförmigen Filterelements an der Rohrinnenwandung des Rohrsegments anliegen.
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Die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors dient einerseits der Ableitung der Verbrennungsabgase und der Dämpfung von Druckstößen, die bei der explosionsartigen Verbrennung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors entstehen, um Schallemission zu reduzieren. Andererseits kommt der Abgasanlage eine wichtige Funktion für die Abgasfilterung bzw. Verminderung und Vermeidung von Schadstoffemissionen zu. Daher sind moderne Abgasanlagen mit Abgasreinigungsvorrichtungen wie etwa Katalysatoren und/oder Partikelfiltern ausgestattet.
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Bei modernen Verbrennungsmotoren wie Diesel- oder Ottomotoren wird zur Verminderung von Stickoxidemissionen eine Abgasrückführung, insbesondere Niederdruckabgasrückführung (ND-AGR) eingesetzt. Hierbei wird ein Teil der im Verbrennungsmotor entstehenden Abgase in der Abgasanlage abgezweigt, zu dem Verbrennungsmotor zurückgeführt und der Verbrennungsluft beigemischt.
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Stickoxide (NOX) entstehen vermehrt bei höheren Temperaturen im Verbrennungsmotor. Durch Zuführen eines inerten Gases kann die Verbrennungstemperaturen im Verbrennungsraum gesenkt und somit die Bildung von Stickoxiden reduziert werden.
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Als inertes Gas dient hierbei Abgas, das in den Ansaugraum des Verbrennungsmotors zurückgeführt wird. Um möglichst „sauberes“ Abgas zu erhalten, erfolgt die Entnahme des Abgases hinter einer Abgasreinigung, also hinter einem Katalysator oder im Falle eines Dieselmotors hinter einem Dieselpartikelfilter.
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Insbesondere bei Ottomotoren kann durch eine Abgasrückführung auch eine Kraftstoffeinsparung erzielt werden, da eine Drosselung des Motors im Teillastbetrieb über die Abgasrückführung erfolgen kann, anstelle durch eine Drosselklappe, so dass Ladungswechselverluste vermieden werden.
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Neben einer Absenkung der Abgastemperaturen und damit einhergehender Reduktion von Stickoxidemission, wird durch eine Abgasrückführung auch die Klopfneigung des Motors reduziert.
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Da eine Abgasentnahme hinter einem Katalysator oder Dieselpartikelfilter erfolgt, können sich mitgeschleppte metallische oder möglicherweise keramische Partikel im Abgas befinden. Gelangen solche Partikel in die Abgasrückführleitung, so können hierdurch Schäden an Abgaskühler, Verdichter und letztlich am Verbrennungsmotor selbst die Folge sein. Auch im Abgas möglicherweise verbliebene Rußpartikel, beispielsweise aufgrund von Mikrorissen im Dieselpartikelfilter, dürfen nicht in die Abgasrückführung gelangen.
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Es ist daher erforderlich, vor oder an der Entnahmestelle für eine Abgasrückführung einen Filter vorzusehen. Ein solcher Filter führt jedoch zu höheren Druckverlusten in der Abgasanlage, insbesondere wenn dieser um eine kontinuierliche Regeneration zu gewährleisten in den Abgashauptstrom hineinragt.
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Aus der
EP 2 326 823 B1 ist ein Leitungselement für eine Abgasanlage mit einem seitlichen Abzweig für eine Abgasrückführleitung bekannt, bei welchem in einem Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser ein als röhrenförmiger Hohlkörper ausgebildetes Filterelement mit Steckringverbindungen, die formschlüssig in die offenen Enden des Filterelements eingreifen, in dem Abgasrohr befestigt ist. Einerseits sind solche im Inneren eines Abgasrohres angeformte Steckringverbindungen in der Herstellung aufwendig, anderseits führen die mehrfachen Querschnittsänderungen entlang des Abgasstroms zu erhöhten Druckverlusten.
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Aus der
DE 38 33 957 A1 ist eine Einrichtung zur Abgasrückführung bei Diesel-Motoren bekannt, bei der in einer Erweiterung eines Abgasrohres ein rohrförmiger, gerader Filtereinsatz eingesetzt ist.
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Aus der
DE 10 2011 085 800 A1 ist ein Filter zum Einsetzen in eine fluidführende Rohrleitung bekannt, bei der ein Rohrstutzen an seiner stirnseitigen Rohröffnung mit einem sich senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids erstreckenden Metallgewebe verschlossen ist.
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Aus der
DE 10 2009 043 577 A1 ist ein Entkoppelelement die die Abgasanlage eines Kfz bekannt, bei dem ein tütenförmiges, einseitig geschlossenes Filterelement im Bereich seiner Spitze von einem Abgasstrom angeströmt wird, ohne dass eine Ausleitung für einen Teilabgasstrom vorgesehen wäre.
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Aus der
DE 10 2009 041 093 A1 ist ein Hohlkörper zum Abfangen von Partikeln in einer Abgasleitung bekannt, der in den lichten Querschnitt einer Abgasleitung eingesetzt und dort mittels eines aufwändigen Schweißprozesses befestigt wird. Dabei wird der lichte Querschnitt der Abgasleitung in nachteiliger Weise verkleinert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Leitungsteil für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors und eine entsprechende Abgasanlage anzugeben, durch die einerseits verhindert wird, dass schädliche Partikel aus dem Abgasstrom in eine Abgasrückführung gelangen können, und bei denen andererseits Druckverluste in der Abgasanlage reduziert sind, welches Leistungsteil auf eine einfache Weise eine Fixierung des Filterelements innerhalb des Rohrsegments ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist ein Leitungsteil für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, welches Leitungsteil ein Rohrsegment umfasst, welches Rohrsegment zur Leitung eines von dem Verbrennungsmotor kommenden Abgasstroms dient, mit einem seitlich an dem Rohrsegment angeordneten Abzweig zur Entnahme eines Abgasteilstroms und mit einem in dem Rohrsegment angeordneten, schlauchförmigen Filterelement, welches von dem Abgasstrom in einer Längsrichtung im Wesentlich ungefiltert durchströmbar ist, wobei die Enden des schlauchförmigen Filterelements an der Rohrinnenwandung des Rohrsegments anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Filterelements innerhalb des Rohrsegments gemeinsam mit Endabschnitten des Rohrsegments aufkalibriert sind, wobei das Leitungsteil im Bereich des Abzweigs zwischen einer Rohrinnenwand des Rohrsegments und dem Filterelement einen Hohlraum aufweist, der mit dem Abzweig strömungstechnisch in Kontakt steht, und wobei das Rohrsegment um einen mittleren Bereich des Filterelements im Bereich des seitlichen Abzweigs bauchig ausgeformt ist.
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Einerseits kann durch die erfindungsgemäße Anordnung das Filterelement sehr groß und somit mit entsprechend großer Oberfläche ausgeführt werden, so dass Druckverluste in der Abgasrückführstrecke vermindert werden. Andererseits entstehen keine oder kaum zusätzliche Druckverluste in der Abgasanlage, da der Abgashauptstrom durch die schlauchförmige Bauweise des Filters, der in Längsrichtung im Wesentlichen ungehindert durchströmt werden kann, nicht bzw. kaum beeinträchtigt wird. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine kontinuierliche Regeneration des Filterelements ermöglicht, da dieses im Abgashauptstrom liegt und dadurch sehr hohe Temperaturen erreicht werden.
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Da das Filterelement erfindungsgemäß innerhalb des Rohrsegments an seinen Enden aufkalibriert wird, so dass diese an der Rohrinnenwandung anliegen, kann auf sehr einfache Weise eine Fixierung des Filterelements innerhalb des Rohrsegments erreicht werden.
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Vorzugsweise liegen die Enden des Filterelements mit einer federelastischen, radial nach außen gerichteten Andruckkraft an der Rohrinnenwandung des Rohrsegments an und fixieren es in dem Rohrsegment. Bei geeigneter Wahl des Filterelements, beispielsweise in Form eines geeigneten Metallgeflechts oder -gestrickes, lässt sich dessen federnd elastische Materialeigenschaft auf einfache Weise ausnutzen, so dass ein solches Filterelement nur in das Rohrsegment eingeschoben werden braucht und dort durch Selbsthaltekräfte verbleibt.
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Besonders einfach lässt sich ein Rohrsegment realisieren, das an mindestens einem Ende einen Muffenabschnitt aufweist und das Filterelement bis zu diesem Muffenabschnitt reicht und vorzugsweise an bzw. gemeinsam mit diesem Muffenabschnitt aufkalibriert ist. Ein solches Leitungsteil kann dann auf übliche Weise in eine Abgasanlage eingebaut, z. B. eingeschweißt werden.
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Erfindungsgemäß weist das Leitungsteil im Bereich des Abzweigs zwischen einer Rohrinnenwand des Rohrsegments und dem Filterelement ein Hohlraum auf, der mit dem Abzweig strömungstechnisch in Kontakt steht. In diesem Hohlraum können sich gefilterte Abgasanteile, die radial durch das schlauchförmige Filterelement strömen, sammeln und über den Abzweig entnommen werden.
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Hierzu ist das Rohrsegment erfindungsgemäß um einen mittleren Bereich des Filterelements im Bereich des seitlichen Abzweigs bauchig ausgeformt ausgebildet. Die bauchige Ausformung erstreckt sich hierbei vorzugsweise über eine Länge, die mindestens der Breite des Rohrsegments in diesem Bereich entspricht.
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Der Abzweig wird vorzugsweise aus dem Rohrsegment ausgehalst. Hierdurch werden komplizierte und somit fehleranfällige Schweißnahtführungen vermieden.
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Das Filterelement kann mindestens einen filterwirksamen Bestandteil umfassen, der aus Metallgeflecht, Metalltressen oder Metallgestricke besteht. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln ein wirksamer und regenerationsfähiger Filter erhalten. Daneben können natürlich auch weitere filteraktive oder stützende, vorzugsweise metallische Bestandteile vorhanden sein.
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Vorzugsweise kann das Filterelement auch als Ringfilter ausgebildet sein. Das Rohrsegment kann durch Kaltverformung, vorzugsweise Innendruckverformung, aus einem zylindrischen Rohrabschnitt hergestellt sein.
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Der Abzweig ist, ohne dass die Erfindung auf eine derartige vorteilhafte Verwendung beschränkt wäre, als Anschluss für eine Abgasrückführleitung ausgebildet.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit einem Leitungsteil der vorstehend beschriebenen Art.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
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1 eine Prinzipzeichnung einer Abgasanlage mit Abgasrückführung und
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2 eine Schnittzeichnung durch ein erfindungsgemäßes Leitungsteil.
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Die in 1 gezeigte Prinzipskizze zeigt den Aufbau einer Abgasanlage mit Abgasrückführung für einen Verbrennungsmotor. Abgas aus dem Verbrennungsmotor gelangt über den Abgaskrümmer in einen Turbolader 1 und strömt von dort in einen Katalysator 2. Am Ausgang des Katalysators 2 befindet sich ein Leitungselement 3, welches den Katalysator mit einem Entkoppelelement 4 verbindet. Das Leitungselement 3 weist einen seitlich an einem Rohrsegment angeordneten Abzweig 5 auf, der zur Entnahme eines Abgasteilstroms 5‘ dient. Der Hauptabgasstrom 4‘ strömt durch das Entkoppelelement 4 in Richtung der Auspuffanlage (nicht gezeigt). Entkoppelelemente wie das Entkoppelelement 4 sind an sich bekannt. Sie umfassen einen Metallbalg, der dazu dient, Motorbewegungen und Vibrationen zu absorbieren und von der Karosserie fern zu halten.
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Der in dem Leitungselement 3 abgezweigte Abgasteilstrom 5‘ wird über eine Abgasrückführleitung zu einem Abgaskühler 6 geleitet und gelangt von dort in einen Verdichter 7, von wo er, mit frischer Verbrennungsluft vermischt, wieder dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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Vor dem Abzweig 5 befindet sich ein hier nur schematisch als Filter herkömmlicher Bauart dargestelltes Filterelement 8, welches zur Filterung von in dem Abgas möglicherweise mitgeschleppten Partikeln dient, wie etwa Ruß oder aus dem Katalysator stammende metallische oder keramische Partikel. Das Filterelement ist daher so ausgelegt, dass Partikel mit einer Größe von zumindest über 200 µm gefiltert werden.
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In 2 ist ein Verbindungselement 10 in einem Längsschnitt gezeigt, welches anstelle des Verbindungselements 3 in 1 in eine Abgasanlage eingesetzt werden kann. Es umfasst ein Rohrsegment 11 mit im Wesentlichen rundem Querschnitt, in welchen ein Filterelement 12 eingesetzt ist. Das Filterelement ist schlauch- oder rohrförmig, so dass es in Längsrichtung von einem Abgasstrom ungehindert durchströmt werden kann. In den Endbereichen 13 des Rohrsegments 11 liegt das Filterelement vorzugsweise über den gesamten Umfang an dessen Innenwandung an. In dem mittleren Bereich 14 ist das Rohrsegment 11 bauchig ausgeformt, so dass zwischen Rohrinnenwandung und Filterelement 12 ein Hohlraum 15 besteht, in dem sich Abgas, welches durch das diffusionsoffene Filtergewebe des Filterelements 12 hindurchtritt, sammeln kann.
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In der Mitte des bauchigen Rohrbereichs 14 befindet sich ein Abzweig 16 für eine Abgasrückführleitung. Ein gefilterter Abgasteilstrom 17 kann hier entnommen und über eine angeschlossene Niederdruck-Abgasrückführstrecke mit entsprechendem Abgaskühler und Verdichter zum Verbrennungsmotor zurückgeführt und über ein Abgasrückführventil der Verbrennungsluft des Motors zugemischt werden.
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Der Abzweig 16 ist im Ausführungsbeispiel – ohne dass die Erfindung jedoch hierauf beschränkt wäre – als Aushalsung ausgeführt. Unter einer Aushalsung versteht man einen T-Abgang einer Rohrleitung, der durch Verformung der ursprünglichen Rohrwandung aus dem Rohr ausgeformt wurde.
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Dazu wird zunächst ein elliptisches Vorloch in das Rohr eingebracht. Dann wird mit einem Aushalswerkzeug (Rohraushalser) die Rohröffnung nach außen gezogen, so dass die charakteristische Aushalsung entsteht. Abschließend wird die Aushalsung plan gedreht um Unebenheiten abzutragen. Nun kann ein weiteres Rohr an die Aushalsung angesetzt bzw. angeschweißt werden.
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Eine Aushalsung weist gegenüber geschweißten Ver- oder Abzweigungen eine Reihe von Vorteilen auf, u.a. bessere Strömungseigenschaften, geringeres Gewicht, weniger Fügestellen und dadurch eine geringere Fehler- und Defektwahrscheinlichkeit.
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Das Filterelement 12 hat einen im Wesentlichen runden, innen offenen Querschnitt und besteht aus einem vorzugsweise elastischen oder flexiblen, metallischen Filtermaterial, wie z.B. Metallgewebe, Metalltressen oder Metallgestrick, wobei die Maschenweite bzw. Filterdurchlässigkeit so gewählt ist, dass Partikel mit einer Größe von mindestens 200 µm zurückgehalten werden. Das Filterelement 12 kann auch mehrlagig und aus unterschiedlichen Filtermaterialien aufgebaut sein und darüber hinaus auch eine formgebende oder gerüstartige Komponente umfassen.
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Durch die Anordnung des Filterelements 12 im Hauptabgasstrom und den dort vorherrschenden hohen Abgastemperaturen ist eine kontinuierliche Regeneration des Filters, beispielsweise durch Abbrand von Rußpartikeln, gewährleistet.
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Das Filterelement 12 ist in das Rohrsegment 11 eingeschoben und liegt in den Endbereichen 13 mit einer federelastischen, radial nach außen gerichteten Andruckkraft an der Rohrinnenwandung an. Zusätzlich sind Filterelement 12 und die Rohrenden 18 endseitig aufkalibriert, also mittels eines geeigneten Werkzeugs (Kalibrierdorn) aufgeweitet. Dadurch ist das Filterelement 12 im Rohrsegment 11 fixiert und gegen Verschieben gesichert.
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Die aufgeweiteten Rohrenden 18 können auf ein Anschlussrohr aufgesteckt und mit diesem verschweißt werden. Zusätzlich kann auch das aufkalibrierte Filterende 18 in der Verbindungsstelle mit verklemmt und/oder stoffschlüssig verbunden werden. An dem stromabwärtigen Ende kann das Rohrsegment 11 mit einem Entkoppelelement wie in 1 gezeigt, bzw. mit einer strömungsführenden Innenkomponente (Liner) eines solchen Entkoppelelements, verbunden werden.
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Darüber hinaus kann das Filterelement 12 auch so ausgeformt sein, dass es sich in der Hauptströmungsrichtung 19 im Querschnitt geringfügig verjüngt. Der hierdurch bewirkte Staudruck kann genutzt werden, um Abgas durch das Filterelement in die Niederdruck-Abgasrückführstrecke zu drücken.
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Das Rohrsegment 11 ist im Ausführungsbeispiel als sogenanntes Hydroformteil, also durch Innendruckverformung aus einem zylindrischen Rohrabschnitt hergestelltes Rohrteil ausgeführt. Mittels Innendruckverformung lässt sich eine nahezu beliebige Formgebung erreichen, so dass das Rohrsegment 11 ideal an die am Einbauort vorgegebenen Einbauverhältnisse angepasst werden kann. Es können neben dem Abzweig für eine Abgasrückführung auch weitere Abzweige, An- und/oder Einbauten, wie Messsonden oder ähnliches an dem Rohrsegment 11 vorgesehen sein.
