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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.
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Die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors dient einerseits der Ableitung der Verbrennungsabgase und der Dämpfung von Druckstößen, die bei der explosionsartigen Verbrennungen 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-AGA) 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 eifern 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 der 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 Leitungsteil für eine Abgasanlage mit einem seitlichen Abzweig für eine Abgasrückführleitung bekannt, bei welchem in einem Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser ein als röhrenförmiger Hohlkörper mit sternförmigem Querschnitt ausgebildetes Filterelement vorgesehen ist, das über seine gesamte Länge von Abgas durchströmt wird. Der beschriebene Filter benötigt jedoch viel Filtermaterial, welches zudem in eine radial umlaufende Sternform gebracht werden muss, und ist daher in der Herstellung aufwändig und teuer.
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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.
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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 bei einem Leitungsteil der eingangs genannten Art ein Rohrsegment mit einem seitlich angeordneten Abzweig vorgesehen, der zur Entnahme eines Abgasteilstroms dient, wobei in dem Rohrsegment ein inneres Leitrohr angeordnet ist, welches von dem Abgasstrom in einer Längsrichtung durchströmbar ist. Zwischen dem inneren Leitrohr und der Rohrinnenwandung des Rohrsegments befindet sich ein Ringspalt, der einen Überströmraum bildet, in welchen der Abzweig mündet. Außerdem ist ein Filterelement vorgesehen, welches zwischen dem vom Abgasstrom durchströmten Innenraum des Rohrsegments und dem Überströmraum angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion mit einem Außenrohr und einem inneren Leitrohr kleineren Durchmessers ist es möglich, eine Filteranordnung zu konstruieren, die mit relativ wenig Filtermaterial auskommt. Aufgrund des radialen Abstands zwischen innerem Leitrohr und Außenrohr entsteht dort ein Ringspalt, der als Abgasreservoir dient, welches mit dem Abzweig in strömungstechnischer Verbindung steht. Durch das Filterelement kann gefilterte Abgas in das Reservoir und von dort über den Abzweig in eine Abgasrückführstrecke gelangen.
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Durch das Verhältnis des Außen- und Innenrohrdurchmessers ist es möglich, den Staudruck für die Abgasentnahme zwecks Abgasrückführung gezielt einzustellen. Druckverluste in der Abgasanlage können so minimiert werden. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Anordnung eine kontinuierliche Regeneration des Filterelements bzw. Abbrand von Rußpartikeln ermöglicht, da das Filterelement im Abgashauptstrom liegt und dadurch sehr hohe Temperaturen erreicht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Filterelement als Ringfilter ausgebildet, der an einem ersten, vorzugsweise stromaufwärtigen Ende des Rohrsegments innerhalb oder vor dem Ringspalt angeordnet ist.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein ringförmiges Abschlussteil vorgesehen ist, welches den Ringspalt an seinem ersten Ende abschließt. In dem ringförmigen Abschlussteil ist mindestens eine Öffnung vorgesehen, die von dem Filterelement überdeckt ist.
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An seinem zweiten, vorzugsweise stromabwärtigen Ende kann der Ringspalt verschlossen sein. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das innere Leitrohr in Richtung des zweiten Endes hin aufgeweitet und dort form- und/oder stoffschlüssig mit dem Außenrohr verbunden ist. Alternativ kann auch ein ringförmiges Verschlussteil vorgesehen sein, welches den Ringspalt an dem zweiten Ende des Rohrsegments verschließt.
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Das erfindungsgemäße Leitungsteil kann als separates Bauteil zwischen zwei Abgasrohren oder als Verbinder zwischen einem Entkoppelelement und einem Abgasrohr positioniert werden.
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Der Abzweig wird vorzugsweise aus dem Rohrsegment ausgehalst. Hierdurch werden komplizierte und somit fehleranfällige Schweißnahtführungen vermieden. Um den Überströmbereich, der als Reservoir für gefiltertes Abgas dient, noch zu vergrößern, kann das Rohrsegment im Bereich des seitlichen Abzweigs auch leicht bauchig ausgeformt werden.
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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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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,
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2 eine Schnittzeichnung durch ein erfindungsgemäßes Leitungsteil in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Schnittzeichnung durch ein erfindungsgemäßes Leitungsteil in einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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4 ein ringförmiges Abschlussteil für des Leitungsteil aus 3 in einer Draufsicht.
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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 Leitungsteil 3, welches den Katalysator mit einem Entkoppelelement 4 verbindet. Das Leitungsteil 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 Leitungsteil 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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Innerhalb des Leitungsteils 3 befindet sich vor dem Abzweig 5 ein hier nur schematisch angedeutetes 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 das Leitungsteil 3 in einem Längsschnitt vergrößert gezeigt. Es umfasst ein Rohrsegment 11 mit im Wesentlichen rundem Querschnitt, in welchen ein inneres Leitrohr 12 eingesetzt ist. Das innere Leitrohr 12 hat einen kleineren Durchmesser als das Außenrohr 11, so dass zwischen Leitrohr 12 und Innenwandung des Außenrohrs 11 ein Ringspalt 13 entsteht. In einem Endbereich 14 ist das Leitrohr 12 zu seinem in der Zeichnung rechten Ende hin aufgeweitet und liegt dort bündig an der Innenwandung des Außenrohr 11 an, so dass der Ringspalt 13 auf der rechten, stromabwärtigen Seite verschlossen ist.
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An der in der Figur linken, stromaufwärtigen Seite ist der Ringspalt 13 von dem Filterelement 8 abgedeckt. Das Filterelement 8 ist hier als Ringfilter ausgeführt, der einerseits in einem Bereich 15 an der Innenwandung des Außenrohrs 11 und anderseits in einem Bereich 16 an der Innenwandung des inneren Leitrohrs 12, jeweils vorzugsweise über den gesamten Umfang, bündig anliegt und dazwischen einen konischen Verlauf aufweist.
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Das Filterelement 8 ist in das Rohrsegment 11 eingeschoben und liegt in den Endbereichen 15 und 16 jeweils mit einer federelastischen, radial nach außen gerichteten Andruckkraft an der Innenwandung von Außenrohr 11 und Innenrohr 12 an. Zusätzlich oder alternativ kann das Filterelement 8 im Rohrsegment 11 fixiert und gegen Verschieben gesichert sein. Eine derartige Fixierung kann durch einzelne Schweißpunkte oder auch eine umlaufende Schweißnaht erzeugt werden, vorzugsweise durch ein Laserschweißverfahren oder eine Rollschweißnaht.
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Außerdem kann das Filterelement 8 in radialer Richtung gewellt ausgeführt sein. Auf diese Weise können Längenänderungen aufgrund von Wärmeausdehnung ausgeglichen werden, so dass ein Reißen oder eine Ablösung des Filtergewebes aufgrund thermischer Spannungen verhindert wird.
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Das Filterelement 8 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 8 kann auch mehrlagig und aus unterschiedlichen Filtermaterialien aufgebaut sein und darüber hinaus auch eine formgebende oder gerüstartige Komponente umfassen.
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Durch das diffusionsoffene Filtergewebe des Filterelements 8 kann Abgas aus dem Abgasstrom 4' hindurchtreten und sich in dem Ringspalt 13, der als Reservoir für gefiltertes Abgas wirkt, sammeln. Um dieses Reservoir noch zu vergrößern, kann das Rohrsegment 11 im Bereich des seitlichen Abzweigs auch leicht bauchig ausgeformt werden.
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Im mittleren Bereich des Leitungselements 3 befindet sich in dem Außenrohr 11 ein Abzweig 5 für eine Abgasrückführleitung. Ein gefilterter Abgasteilstrom 5' 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 5 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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Durch die Anordnung des Filterelements 8 im Hauptabgasstrom und den dort vorherrschenden hohen Abgastemperaturen ist eine kontinuierliche Regeneration des Filters, beispielsweise durch Abbrand von Rußpartikeln, gewährleistet.
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An dem stromabwärtigen Ende kann das Leitungsteil mit einem Entkoppelelement, wie in 1 gezeigt, verbunden werden. Hierbei kann vorteilhaft das innere Leitrohr 12 auch direkt mit einer strömungsführenden Innenkomponente (Liner) eines solchen Entkoppelelements, beispielsweise einem im Entkoppelelement angeordneten Wickelschlauch, verbunden werden.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Leitungsteil ist in 3 gezeigt, wobei gleiche und gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Auch hier ist in einem äußeren Rohrsegment 11 wieder ein inneres Leitrohr 12 kleineren Durchmessers eingesetzt, so dass zwischen Innen- und Außenrohr 12, 11 ein Ringspalt 13 verbleibt, der als Überströmraum und Abgasreservoir für die Abgasentnahme über den mittig am Außenrohr 11 angeordneten Abzweig 5 dient.
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Anders als im ersten Ausführungsbeispiel sind Außenrohr 11 und inneres Leitrohr 12 am stromabwärtigen Ende 14 nicht durch Aufweitung des inneren Leitrohrs 12, sondern über ein ringförmiges Verschlussteil 14' in der Art eines Deckels miteinander verbunden. Ein ähnlicher „Deckel” ist auch am stromaufwärtigen Ende 15 in Form eines ringförmigen Abschlussteils 15' vorgesehen. Dieses weist mehrere Öffnungen bzw. Durchbrüche 16 auf, welche mit Filtergewebe 8 bedeckt sind, so dass Abgas durch das Filtergewebe 8 in den Ringspalt 13 und von dort über den Abzweig 5 in eine Abgasrückführleitung gelangen kann.
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In 4 ist das Abschlussteil 15' in einer Draufsicht gezeigt. Umfangsverteilt sind in vier Segmenten mit Filtervlies 8 überdeckte Öffnungen bzw. Durchbrüche 16 vorgesehen. Das Filtervlies 8 kann hierbei bombiert ausgeführt sein, so dass eine Wölbung des Filtergewebes entsteht, welche wiederum geeignet ist, thermische Spannungen auszugleichen und so ein Reißen oder ein Ablösen des Filtergewebes zu verhindern.
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Abschlussteil 15' und Verschlussteil 14' können jeweils form- und/oder stoffschlüssig mit dem Rohrsegment 11 sowie inneren Leitrohr 12 verbunden sein.
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Eine dauerhafte Verbindung kann hierbei beispielsweise durch Bördeln oder Schweißen erzeugt werden.
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Abschlussteil 15' und Verschlussteil 14' müssen nicht wie in 3 gezeigt senkrecht zur Achse des Leitungsteil 3 orientiert sein, sondern können einen schrägen Winkel aufweisen, so dass kegelstumpfförmige Anströmflächen entstehen, welche strömungstechnisch optimiert werden können, um Druckverluste in der Abgasanlage zu minimieren oder einen gewünschten Staudruck für die Abgasrückführstrecke zu erzeugen.
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Das Leitungsteil 3 kann über Steck- oder Flanschverbindungen mit Abgasrohren einer Abgasanlage verbunden sein oder direkt mit den entsprechenden Abgasrohren verschweißt werden. Der Querschnitt des Leitungsteil 3 kann auch von der kreisrunden Form abweichen beispielsweise oval oder polygonal gewählt werden. Auch beliebige andere Querschnittsformen sind möglich. So kann das Leitungsteil beispielsweise auch als ein so genanntes Hydroformteil, also ein durch Innendruckverformung aus einem zylindrischen Rohrabschnitt hergestelltes Rohrteil ausgeführt werden. Mittels Innendruckverformung lässt sich eine nahezu beliebige Formgebung erreichen, so dass das Rohrsegment 11 ideal an die am Einbauort vorgegebenen Einbauverhältnisse angepasst werden kann.
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Des Weiteren muss das strömungsführende Leitrohr 12 nicht wie in den Figuren gezeigt konzentrisch im Außenrohr 11 angeordnet sein, sondern kann auch versetzt in dieses eingebaut sein. Es ist auch nicht notwendig, dass das Filterelement 5 am stromaufwärtigen und ein Verschluss des Ringspalts 3 am stromabwärtigen Ende des Leitungselements angeordnet sind. Vielmehr ist auch eine Vertauschung der Anordnung wo dies gewünscht wird denkbar, so dass Abgas entgegen der Hauptströmungsrichtung in den Ringspalt zurückströmen muss, um in die Abgasrückführstrecke zu gelangen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Ringspalt an beiden Enden mit entsprechenden Filterelementen zu versehen.
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Neben dem Abzweig 5 für eine Abgasrückführung können außerdem auch noch weitere Abzweige, An- und/oder Einbauten, wie Messsonden oder ähnliches an dem Rohrsegment 11 vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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