DE102013200529A1

DE102013200529A1 - Verfahren zum schutz des abgaskrümmers vor überhitzung mit hilfe eines heizrohrs

Info

Publication number: DE102013200529A1
Application number: DE102013200529A
Authority: DE
Inventors: Zhaoyang Zeng; Furqan Zafar Shaikh; Danrich Henry Demitroff; Jeffrey Scott Hepburn; Michael Levin; Shiguang Zhou; Donald S. Masch; James Patrick O'Neill
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2013-07-25
Also published as: RU140660U1; CN203271878U; US20130186076A1; US8806858B2

Abstract

Ein Abgassystem für einen Motor ist hierin offenbart. Das Abgassystem beinhaltet einen Katalysator, einen dem Katalysator vorgelagerten Abgaskrümmer und ein Heizrohr in thermischem Kontakt mit dem Abgaskrümmer und der Umgebung. Das System beinhaltet ferner ein Phasenwechselmaterial, das nach dem Light-Off des Katalysators passiv Wärme absorbiert.

Description

Fahrzeuge können Abgaswärme zur Übertragung an verschiedene andere Systeme in einem Verbrennungsmotor rückgewinnen.
Zum Beispiel beschreibt die US-Patentschrift Nr. 4,107,922 ein isoliertes Heizrohr, das Wärme von einem Abgaskrümmer zu einem Abgasreaktor überträgt. Das System beinhaltet einen Verdampfungsbereich, der an den Abgaskrümmer gekoppelt ist, einen Transportbereich zum Transportieren eines Arbeitsfluids und einen Kondensationsbereich, der an den Abgasreaktor gekoppelt ist. Das System überträgt während einer Aufwärmphase des Motors Wärme vom Abgaskrümmer zum Abgasreaktor. Ferner kann das System ein zweites Heizrohr beinhalten, das an das isolierte Heizrohr gekoppelt ist und benachbart zum Kondensationsbereich liegt, um eine Arbeitstemperatur des Abgasreaktors auszugleichen.
Die Erfinder haben beim oben genannten System verschiedene Probleme erkannt. Insbesondere erhöht das Übertragen von Wärme an eine Emissionssteuervorrichtung während des gesamten Motorbetriebes das Risiko thermischer Schädigung der Emissionssteuervorrichtung. Zum Beispiel kann der Motor, wenn die Temperatur zugeführten Gases einen tolerierbaren Grenzwert übersteigt, in einem Anfettungsmodus arbeiten (d. h. Luft: Kraftstoff < 14,7), um das Risiko der Überhitzung einer Turbine (z. B. wenn der Motor ein Turbomotor ist, der einen Kompressor und eine Turbine beinhaltet) und/oder eines Katalysators zu reduzieren. Der Kraftstoffverbrauch kann steigen, um den Motorbetrieb im Anfettungsmodus zu halten. Des Weiteren kann der überfettete Kraftstoff die Emissionen verstärken, die den Katalysator mit aufgefangenen Partikeln (z. B. Kohlenmonoxid) überlasten. Ist Sauerstoff vorhanden, können die aufgefangenen Partikel verbrannt werden, um den Katalysator zu reinigen, jedoch kann ein Substrat des Katalysators schmelzen, wenn der Motor über einen längeren Zeitraum im Anfettungsmodus arbeitet. Frühere Lösungen beinhalteten einen Wasserstrahl, um den Abgaskrümmer und/oder den Turbo zu kühlen. Der Wasserstrahl absorbiert jedoch während des Kaltstarts Wärme und verzögert somit das Light-Off des Katalysators. Somit können infolge unzureichender Kohlenwasserstoffreduktion im Katalysator Emissionen zunehmen.
Somit besteht ein Ansatzbeispiel zum Lösen der oben genannten Probleme darin, ein Heizrohr und geeignete Phasenwechselmaterialien zu verwenden, um Abgas vor einem Katalysator rückzugewinnen und die Wärme vom Abgassystem wegzuführen. Auf diese Weise ist es möglich, Wärme aus dem Abgassystem zu absorbieren und die thermische Schädigung des Katalysators zu reduzieren. Insbesondere ist vor dem Katalysator ein Verdampfungsbereich des Heizrohrs in einen Abgaskrümmer integriert. In einigen Ausführungsformen beinhaltet ein integrierter Abgaskrümmer ein oder mehrere Heizrohre, welche die Wärmeübertragung zu einem Kondensationsbereich erleichtern, der entfernt vom Abgassystem angeordnet ist, um Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben. Ferner können die Phasenwechselmaterialien des Heizrohrs derart ausgewählt werden, dass Wärmeenergie absorbiert wird, nachdem das Light-Off des Katalysators erreicht ist. Dieser Aufbau ermöglicht die Wärmeübertragung, ohne notwendigerweise die Verwendung von Pumpen oder anderer mechanischer Komponenten zu erfordern. Des Weiteren ermöglicht dieser Aufbau das Justieren des Ausmaßes der Wärmeübertragung, ohne eine Eingabe von einem Steuersystem zu erfordern, obwohl vorteilhafterweise das Justieren über eine Eingabe von einem Steuersystem verwendet werden kann. Des Weiteren kann durch Nutzen der Wärme aus rückgewonnenem Abgas auf Wunsch Wärme für verschiedene andere Systeme bereitgestellt werden.
Es sei angemerkt, dass ein oder mehrere, Phasenwechselmaterialien beinhaltende Heizrohre verwendet werden können. Des Weiteren können das eine oder die mehreren Heizrohre direkt oder indirekt an verschiedene Bereiche des Abgassystems gekoppelt und/oder in diese integriert werden, um überschüssige Wärme vom Abgassystem wegzuführen. Darüber hinaus können auf Wunsch mehrere verschiedene Phasenwechselmaterialien mit mehreren verschiedenen Wärmeeigenschaften einbezogen werden. Somit kann/können ein oder mehrere Heizrohre gestaltet werden, um vor dem Katalysator Wärme aus dem Abgassystem rückzugewinnen, ohne das Light-Off des Katalysators nachteilig zu beeinflussen.
Es versteht sich, dass die vorstehende Kurzdarstellung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl an Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung näher beschreiben werden. Sie soll keine entscheidenden oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstandes aufzeigen, deren Umfang eindeutig durch die auf die Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Ferner ist der Gegenstand nicht auf Umsetzungen beschränkt, welche die im Vorangegangenen oder in einem beliebigen Teil dieser Beschreibung genannten Nachteile lösen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Motor, der ein Wärmeübertragungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
2 zeigt schematisch einen beispielhaften integrierten Abgaskrümmer, der im Wärmeübertragungssystem von 1 enthalten sein kann.
3 zeigt schematisch ein Beispiel eines Heizrohrs, das im integrierten Abgaskrümmer von 2 enthalten sein kann.
4 bis 8 zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen eines integrierten Abgaskrümmers. der im Wärmeübertragungssystem von 1 enthalten sein kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft ein Wärmeübertragungssystem, das Phasenwechselmaterialien beinhaltet, die derart angeordnet sind, dass Wärmeenergie von einem Abgassystem absorbiert werden kann. Die hierin beschriebenen beispielhaften Anordnungen ermöglichen das Absorbieren und Ableiten von Wärmeenergie von einem Abgassystem. Im offenbarten System können verschiedene Heizrohre enthalten sein. Zum Beispiel kann/können ein oder mehrere Heizrohre an einen Abgaskrümmer gekoppelt sein, um dadurch einen integrierten Abgaskrümmer zu umfassen und Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben. Auf diese Weise kann/können das eine oder die mehreren Heizrohre Wärme vom Abgassystem ableiten, um die thermische Schädigung nachgelagerter Komponenten des Abgassystems zu reduzieren.
Zusätzlich kann das Wärmeübertragungssystem verschiedene Wärmeübertragungsfluide beinhalten, um unter unterschiedlichen Betriebszuständen Wärmeenergie aus dem Abgassystem zu extrahieren. Auf diese Weise kann Wärmeenergie aus dem Abgassystem rückgewonnen werden, um auf Wunsch Wärme für verschiedene andere Systeme bereitzustellen, wie beispielsweise für das System der Fahrgastraumheizung, für die Schmiersysteme und/oder andere Komponenten des Abgassystems.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen Zylinder eines Mehrzylindermotors 10 zeigt, der in einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs enthalten sein kann. Der Motor 10 kann zumindest teilweise durch ein Steuersystem, das einen Controller 12 beinhaltet, und durch eine Eingabe von einem Fahrzeugführer 132 über ein Eingabegerät 130 gesteuert werden. In diesem Beispiel beinhaltet das Eingabegerät 130 ein Gaspedal und einen Pedalpositionssensor 134, um ein Signal der proportionalen Pedalposition PP zu erzeugen. Die Brennkammer (d. h. der Zylinder) 30 des Motors 10 kann Brennkammerwände 32 mit darin angeordnetem Kolben 36 beinhalten. Der Kolben 36 kann derart an eine Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, dass die Hin-und-Her-Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt wird. Die Kurbelwelle 40 kann über ein Zwischengetriebesystem an mindestens ein Antriebsrad eines Fahrzeugs gekoppelt sein. Ferner kann über ein Schwungrad ein Anlasser an die Kurbelwelle 40 gekoppelt sein, um einen Startvorgang des Motors 10 zu ermöglichen.
Die Brennkammer 30 kann über einen Ansaugdurchlass 42 Ansaugluft von einem Ansaugkrümmer 44 aufnehmen und kann Verbrennungsgase über einen Abgasdurchlass 48 abgeben. Der Ansaugkrümmer 44 und der Abgasdurchlass 48 können über ein Ansaugventil 52 beziehungsweise ein Abgasventil 54 selektiv mit der Brennkammer 30 kommunizieren. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 zwei oder mehr Ansaugventile und/oder zwei oder mehr Abgasventile beinhalten.
In diesem Beispiel können das Ansaugventil 52 und das Abgasventil 54 gesteuert werden, indem mittels eines entsprechenden Nockenwellen-Betätigungssystems 51 und 53 eine Nockenwelle betätigt wird. Die Nockenwellen-Betätigungssysteme 51 und 53 können jeweils eine oder mehrere Nockenwellen beinhalten und können ein oder mehrere Systeme aus Nockenprofilschaltung (CPS), variabler Nockenwellensteuerung (VCT), variabler Ventilsteuerung (VVT) und/oder variablem Ventilhub (VVL) verwenden, die durch den Controller 12 betrieben werden können, um den Ventilbetrieb zu ändern. Die Position des Ansaugventils 52 und des Abgasventils 54 kann durch die Positionssensoren 55 beziehungsweise 57 bestimmt werden. In alternativen Ausführungsformen können das Ansaugventil 52 und/oder das Abgasventil 54 durch elektrische Ventilbetätigung gesteuert werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein Ansaugventil beinhalten, das mittels elektrischer Ventilbetätigung gesteuert wird, und ein Abgasventil, das mittels Nockenwellenbetätigung gesteuert wird, einschließlich CPS- und/oder VCT-Systemen.
Eine Kraftstoffeinspritzung 66 ist im Ansaugdurchlass 44 angeordnet dargestellt, in einem Aufbau, der das bereitstellt, was als Saugrohreinspritzung von Kraftstoff in den Ansauganschluss vor der Brennkammer 30 bekannt ist. Die Kraftstoffeinspritzung 66 kann im Verhältnis zur Impulsdauer eines vom Controller 12 über eine elektronische Ansteuerung 68 empfangenen Signals FPW Kraftstoff einspritzen. Der Kraftstoff kann der Kraftstoffeinspritzung 66 durch ein Kraftstoffsystem (nicht dargestellt) zugeführt werden, das einen Kraftstofftank, eine Kraftstoffpumpe und einen Kraftstoffverteiler beinhaltet. In einigen Ausführungsformen kann die Brennkammer 30 alternativ oder zusätzlich eine Kraftstoffeinspritzung beinhalten, die direkt an die Brennkammer 30 gekoppelt ist, um in diese Kraftstoff in einer Weise direkt einzuspritzen, die Direkteinspritzung genannt wird.
Der Ansaugdurchlass 42 kann ein Drosselventil 62 mit einer Drosselklappe 64 beinhalten. In diesem konkreten Beispiel kann die Position der Drosselklappe 64 durch den Controller 12 mittels eines Signals verändert werden, das für einen im Drosselventil 62 enthaltenen elektrischen Motor oder Betätiger bereitgestellt ist – ein Aufbau, der allgemein als elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) bezeichnet wird. Auf diese Weise kann das Drosselventil 62 betrieben werden, um die Ansaugluft zu ändern, die außer für andere Motorzylinder auch für die Brennkammer 30 bereitgestellt wird. Die Position der Drosselklappe 64 kann durch ein Drosselpositionssignal TP für den Controller 12 bereitgestellt werden. Der Ansaugdurchlass 42 kann einen Luftmassensensor 120 und einen Krümmerdrucksensor 122 beinhalten, um die entsprechenden Signale MAF und MAP für den Controller 12 bereitzustellen.
Ein Zündsystem 88 kann als Reaktion auf ein Vorzündungssignal SA vom Controller 12 unter ausgewählten Betriebsmodi über eine Zündkerze 92 einen Zündfunken für die Brennkammer 30 bereitstellen. Obwohl Funkenzündungskomponenten dargestellt sind, kann die Brennkammer 30 oder eine oder mehrere andere Brennkammern des Motors 10 in einigen Ausführungsformen in einem Verdichtungszündungsmodus mit oder ohne Funkenzündung betrieben werden.
Das Abgassystem 100 kann ein oder mehrere, dem Abgasventil 54 nachgelagerte Komponenten beinhalten. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet das Abgassystem 100 einen Abgaskrümmer 49, der neben anderen, eventuell gewünschten Abgasdurchlässen, die jeweils einem weiteren Verbrennungszylinder entsprechen, auch einen Abgasdurchlass 48 beinhaltet. Der Abgaskrümmer 49 kann ein integrierter Abgaskrümmer sein, wie im Weiteren beschrieben. Das Abgassystem 100 kann ferner einen Turbo 164 und eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen 70 in Fluidverbindung mit dem Abgasdurchlass 48 beinhalten. Darüber hinaus kann das Abgassystem 100 nach der einen oder den mehreren Emissionssteuervorrichtungen ein Abgasendrohr 14 beinhalten, um Abgase an die Umgebung abzugeben.
In der Darstellung ist der Abgassensor 126 vor der Emissionssteuervorrichtung 70 an den Abgasdurchlass 48 gekoppelt. Der Sensor 126 kann jeder zum Bereitstellen einer Anzeige des Abgas/Kraftstoff-Gemischs geeignete Sensor sein, wie beispielsweise ein linearer Sauerstoffsensor oder ein UEGO-Sensor (Universal-Abgas-Sauerstoff-Sensor), ein Zwei-Stufen-Sauerstoffsensor oder ein EGO-, ein HEGO- (beheizter EGO-), ein NO_x-, HC- oder CO-Sensor. In der Darstellung ist die Emissionssteuervorrichtung 70 nach dem Abgassensor 126 am Abgasdurchlass 48 angeordnet. Die Vorrichtung 70 kann ein Drei-Wege-Katalysator (TWC), ein NO_x-Abscheider, verschiedene andere Emissionssteuervorrichtungen oder Kombinationen daraus sein. In einigen Ausführungsformen kann die Emissionssteuervorrichtung 70 während des Betriebes des Motors 10 periodisch zurückgesetzt werden, indem mindestens ein Zylinder des Motors in einem bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis betrieben wird.
Der Motor 10 kann ferner eine Kompressionsvorrichtung, wie beispielsweise einen Turbolader oder einen Superlader beinhalten, der mindestens einen Kompressor 162 beinhaltet, der am Ansaugkrümmer 44 angeordnet ist. Bei einem Turbolader kann der Kompressor 162 zumindest teilweise durch eine Turbine 164 angetrieben werden (z. B. über eine Welle), die am Abgasdurchlass 48 angeordnet ist. Bei einem Superlader kann der Kompressor 162 zumindest teilweise durch den Motor und/oder eine elektrische Maschine angetrieben werden und muss keine Turbine enthalten. Somit kann die Stärke der Kompression (z. B. Anstieg, engl. „Boost”), die über einen Turbolader oder einen Superlader für einen oder mehrere Zylinder des Motors bereitgestellt wird, durch den Controller 12 verändert werden. Des Weiteren kann im Ansaugkrümmer 44 ein Sensor 123 angeordnet sein, um für den Controller 12 ein BOOST-Signal bereitzustellen.
Der Motor 10 kann des Weiteren ein Wärmeübertragungssystem 200 beinhalten, das an eine oder mehrere Abgassystemkomponenten des Abgassystems 100 gekoppelt ist, um Wärmeenergie zu absorbieren. Das Wärmeübertragungssystem kann zum Beispiel ein oder mehrere Heizrohre beinhalten, die in den Abgaskrümmer integriert sind. Somit kann durch das Heizrohr Wärme aus dem Abgassystem absorbiert und vom Abgaskrümmer abgeleitet werden. Auf diese Weise kann das Überhitzen nachgelagerter Abgaskomponenten, wie beispielsweise des Katalysators 70 und/oder des Turbos 164, reduziert werden. Ein derartiges Wärmeübertragungssystem wird im Weiteren anhand der 2 bis 8 beschrieben.
Des Weiteren kann das Wärmeübertragungssystem 200 Phasenwechselmaterialien beinhalten, um Wärmeenergie vom Abgassystem abzuleiten und die rückgewonnene Wärmeenergie an die Umgebung abzugeben.
In diesem Beispiel kann das Wärmeübertragungssystem 200 derart angeordnet sein, dass Wärmeenergie vor dem Katalysator 70 aus dem Abgassystem 100 abgeleitet wird. Anders ausgedrückt, kann das Wärmeübertragungssystem 200 aus dem zugeführten Abgas Wärme aufnehmen, anstatt zu gestatten, dass die gesamte Wärmeenergie über das Abgasendrohr 14 in die Umgebung austritt. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungssystem 200 Komponenten in Kontakt mit den Abgassystem 100 beinhalten, um Wärme mittels Konduktion rückzugewinnen. Anders ausgedrückt, kann das Wärmeübertragungssystem 200 Komponenten in physischem Kontakt und somit in thermischem Kontakt mit Komponenten des Abgassystems 100 beinhalten. Phasenwechselmaterialien werden ausführlicher anhand von 3 beschrieben.
Der Controller 12 ist in 1 als ein Mikrocomputer dargestellt, der eine Mikroprozessoreinheit 102, Eingangs-/Ausgangsanschlüsse 104, ein elektronisches Speichermedium für auszuführende Programme und für Kalibrierungswerte, das in diesem konkreten Beispiel als Nur-Lese-Speicher-Chip 106 gezeigt ist, einen Direktzugriffsspeicher 108, einen batteriegestützten Speicher (KAM) 110 und einen Datenbus beinhaltet. Der Controller 12 kann, zusätzlich zu den bereits beschriebenen Signalen, verschiedene Signale von Sensoren empfangen, die mit dem Motor 10 gekoppelt sind, darunter den Messwert angesaugter Luftmasse (MAF) vom Luftmassensensor 120, die Motorkühlmitteltemperatur (ECT) vom Temperatursensor 112, der an die Kühlhülse 114 gekoppelt ist, ein Zündungsprofilaufnahme-Signal (PIP) von einem Halleffektsensor 118 (oder einer anderen Sensorart), der an die Kurbelwelle 40 gekoppelt ist, eine Drosselklappenstellung (TP) von einem Drosselklappensensor und ein Signal des absoluten Krümmerdrucks MAP vom Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal RPM kann vom Controller 12 aus dem PIP-Signal erzeugt werden. Das Krümmerdrucksignal MAP von einem Krümmerdrucksensor kann verwendet werden, um eine Anzeige für Unter- oder Überdruck im Ansaugkrümmer bereitzustellen. Zu beachten ist, dass verschiedene Kombinationen der oben genannten Sensoren verwendet werden können, wie beispielsweise ein MAF-Sensor ohne MAP-Sensor oder umgekehrt. Während des stöchiometrischen Betriebs kann der MAP-Sensor eine Anzeige des Motordrehmoments ausgeben. Des Weiteren kann dieser Sensor zusammen mit der erkannten Motordrehzahl eine Schätzung einer in den Zylinder eingeführten Beladung (einschließlich Luft) bereitstellen. In einem Beispiel kann der Sensor 118, der außerdem als ein Motordrehzahlsensor verwendet wird, bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle eine vorbestimmte Anzahl gleichmäßig beabstandeter Impulse erzeugen.
Das Speichermedium Nur-Lese-Speicher 106 kann mit computerlesbaren Daten programmiert sein, die vom Prozessor 102 auszuführende Befehle für das Ausführen der im Weiteren beschriebenen Verfahren sowie anderer Varianten, die vorgesehen, aber nicht speziell angeführt sind, darstellen.
Wie bereits beschrieben, zeigt 1 nur einen Zylinder eines Mehrzylindermotors, und jeder Zylinder kann ebenso seine eigene Gruppe aus Ansaug-/Abgasventilen, Einspritzung, Zündkerze usw. beinhalten.
Wie bereits ausgeführt, können Abgassystemkomponenten und/oder andere an das Abgassystem gekoppelte Motorkomponenten in einigen Motorbetriebszuständen das Risiko thermischer Schädigung bergen. Zum Beispiel kann der Motor, wenn die Temperatur zugeführten Gases einen tolerierbaren Grenzwert übersteigt, in einem Anfettungsmodus arbeiten (d. h. Luft: Kraftstoff < 14,7), um das Risiko der Überhitzung der Turbine (z. B. wenn der Motor ein Turbomotor ist, der einen Kompressor und eine Turbine beinhaltet) und/oder eines Katalysators zu reduzieren. Der Kraftstoffverbrauch kann steigen, um den Motorbetrieb im Anfettungsmodus zu halten. Des Weiteren kann der überfettete Kraftstoff die Emissionen verstärken, die den Katalysator mit aufgefangenen Partikeln (z. B. Kohlenmonoxid) überlasten. Ist Sauerstoff vorhanden, können die aufgefangenen Partikel verbrannt werden, um den Katalysator zu reinigen, jedoch kann ein Substrat des Katalysators schmelzen, wenn der Motor über einen längeren Zeitraum im Anfettungsmodus arbeitet.
Frühere Lösungen beinhalteten einen Wasserstrahl, um den Abgaskrümmer und/oder den Turbo zu kühlen. Der Wasserstrahl absorbiert jedoch während des Kaltstarts Wärme und verzögert somit das Light-Off des Katalysators. Somit können infolge unzureichender Kohlenwasserstoffreduktion im Katalysator Emissionen zunehmen.
Um zumindest einige der zuvor genannten Probleme zu lösen, kann ein Motor ein Wärmeübertragungssystem beinhalten, das an einen Abgaskrümmer gekoppelt ist. 2 stellt das an das Abgassystem 100 gekoppelte Wärmeübertragungssystem 200 schematisch dar. Wie dargestellt, beinhaltet das Wärmeübertragungssystem 200 einen integrierten Abgaskrümmer 202, der vor dem Katalysator 70 angeordnet ist. Der integrierte Abgaskrümmer 202 kann sich zum Beispiel auch vor der Turbine 164 befinden, wenn der Motor 10 ein Turbomotor ist. Es ist ersichtlich, dass 2 ähnliche Merkmale aufweist, wie sie bereits mit Bezug auf 1 beschrieben worden sind. Derartige Merkmale sind mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet und werden der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben.
Der integrierte Abgaskrümmer 202 kann eine oder mehrere Komponenten des Abgassystems 100 beinhalten sowie eine oder mehrere Komponenten des Wärmeübertragungssystems 200. Zum Beispiel kann der integrierte Abgaskrümmer 202 den Abgaskrümmer 49 und ein oder mehrere Heizrohre 204 beinhalten.
Es versteht sich, dass der Abgaskrümmer wie hier angegeben, sowohl als Abgaskrümmer als auch als eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung gestaltet ist, indem er ein oder mehrere Heizrohre in thermischem Kontakt mit einer Oberfläche des Abgaskrümmers beinhaltet. Des Weiteren wird in einigen Ausführungsformen ein integrierter Abgaskrümmer verwendet. Der integrierte Abgaskrümmer verbindet einen Zylinderkopf und einen Abgaskrümmer miteinander, wobei das durch den integrierten Abgaskrümmer strömende Motorkühlmittel nicht nur die Abgasventile und Abgasanschlüsse kühlen kann, sondern auch Abschnitte des Abgaskrümmers. In einem konkreten Beispiel kühlt das durch den integrierten Abgaskrümmer strömende Kühlmittel Abschnitte des Abgaskrümmers, in denen der Abgasstrom von mehreren Zylindern zu einem gemeinsamen Strömungsbereich kombiniert worden ist. Darüber hinaus können angrenzend an Bereiche des integrierten Abgaskrümmers Heizrohre angeordnet sein, die Motorkühlmitteldurchlässe beinhalten, um das Kühlen des integrierten Abgaskrümmers weiter zu unterstützen. Zusätzlich können die Heizrohre in Bereichen des integrierten Abgaskrümmers angeordnet sein, in denen sich kein Kühlmitteldurchlass befindet (z. B. wegen der Bauweise oder Raumbeschränkungen), um eine ausreichende Steuerung der Krümmertemperaturen bereitzustellen.
Das Wärmeübertragungssystem 200 kann Phasenwechselmaterialien beinhalten, um Wärme vom Abgassystem abzuleiten. In diesem Beispiel kann das Wärmeübertragungssystem 200 derart angeordnet sein, dass Wärmeenergie vom Abgassystem 100 in einen Bereich vor der Turbine 164 und dem Katalysator 70 abgeleitet wird. Anders ausgedrückt, kann das Wärmeübertragungssystem 200 in einigen Zuständen zugeführtes Abgas kühlen, bevor das Abgas die Turbine 164 und den Katalysators 70 erreicht.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 200 ein verzweigtes Heizrohr 204 beinhalten. Zum Beispiel können sich Abschnitte des Heizrohrs 204 eng an die Konturen des Abgaskrümmers 49 anschmiegen, ohne den Abgasstrom zu beeinträchtigen. Deshalb kann das verzweigte Heizrohr 204 einen Heizrohrabzweig 206 beinhalten, der einem Abgasdurchlass 48 jedes Zylinders 30 entspricht. Ein beispielhaftes Heizrohr wird im Weiteren anhand von 3 beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann das Wärmeübertragungssystem 200 innenseitig an einer Außenfläche des Abgaskrümmers 49 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Wärmeübertragungssystem 200 außenseitig an einer Außenfläche des Abgaskrümmers 49 angeordnet sein und somit den Abgaskrümmer 49 umschließen. Anders ausgedrückt, kann das Wärmeübertragungssystem 200 in physischem Kontakt zu mindestens einer Fläche (z. B. einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche) des Abgaskrümmers 49 stehen.
Das Wärmeübertragungssystem 200 kann einen Verdampfungsbereich 208 und einen Kondensationsbereich 210 beinhalten. Wie dargestellt, kann der Verdampfungsbereich 208 an den Abgaskrümmer 49 angrenzen und der Kondensationsbereich 210 kann sich vom Abgaskrümmer 49 weg erstrecken. Somit steht der Kondensationsbereich 210 in thermischem Kontakt mit der Umgebung und ferner ist der Kondensationsbereich an keine Fahrzeugkomponente gekoppelt. Anders ausgedrückt, kann der Kondensationsbereich 210 an die Umgebung angrenzen. Folglich kann am Abgaskrümmer 49 Wärmeenergie durch Konduktion absorbiert und zum Beispiel mittels Konvektion an die Umgebung abgegeben werden. In einigen Ausführungsformen kann der Kondensationsbereich 210 an ein weiteres System gekoppelt sein, um auf Wunsch mittels Konduktion Wärmeenergie für dieses System bereitzustellen.
Des Weiteren kann das Wärmeübertragungssystem 200 Kondensatorlamellen 212 beinhalten, die wie dargestellt im Kondensationsbereich 210 angeordnet sind. Die Kondensatorlamellen 212 können im Kondensationsbereich 210 mehrere Platten in thermischem Kontakt mit dem Heizrohr beinhalten. Folglich können die Kondensatorlamellen 212 die Kondensationsoberfläche vergrößern. Auf diese Weise kann die durch das Wärmeübertragungssystem 200 absorbierte Wärmeenergie effizienter an die Umgebung abgegeben werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Verdampfungsbereich 208 Verdampfungslamellen beinhalten, die den Kondensatorlamellen 212 ähnlich sind. Sind Verdampfungslamellen enthalten, können diese im Verdampfungsbereich 208 mehrere Platten in thermischem Kontakt mit den Heizrohrabzweigen 206 beinhalten. Derartige Verdampfungslamellen können eine Verdampfungsoberfläche vergrößern. Auf diese Weise kann Wärmeenergie effizienter aus dem Abgaskrümmer 49 absorbiert werden.
Das Phasenwechselmaterial für das Wärmeübertragungssystem 200 kann derart gewählt werden, dass es mit relativ hohen Verdampfungstemperaturen arbeitet. Auf diese Weise wird das Phasenwechselmaterial derart gewählt, dass bei geringeren Temperaturen kein Phasenwechsel eintritt und das Phasenwechselmaterial stattdessen als Wärmeisolation dient, um das Light-Off des Katalysators zu unterstützen. Wenn die Temperatur des zugeführten Gases der Höhe der Umwandlungswärme entspricht, die für die Umwandlung des Phasenwechselmaterials von Flüssigkeit zu Dampf erforderlich ist, trägt das Phasenwechselmaterial die absorbierte Wärme zum Kondensator 210 und leitet somit Wärme vom Abgaskrümmer 49 ab. Auf diese Weise können die Turbine 164 und/oder der Katalysator 70 vor thermischer Schädigung geschützt werden, ohne das Light-Off des Katalysators zu beeinträchtigen.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 200 als Beispiel dargestellt ist und nicht beschränkend sein soll. Vielmehr ist das Wärmeübertragungssystem 200 bereitgestellt, um ein allgemeines Konzept der Wärmeabsorption aus dem Abgaskrümmer darzustellen, um die thermische Schädigung nachgelagerter Abgaskomponenten zu reduzieren. Deshalb versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem zu der in 2 gezeigten Ausführungsform zusätzliche und/oder alternative Komponenten beinhalten kann. Ferner versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 200 nicht auf die in 2 dargestellte geometrische Form beschränkt ist, da zahlreiche geometrische Variationen möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungssystem auf verschiedene Weise in Kontakt mit einer Innenfläche und/oder einer Außenfläche des Abgaskrümmers 49 stehen und somit sind unterschiedliche Geometrien des Heizrohrs möglich, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. 4 bis 8 stellen verschiedene Ausführungsformen eines integrierten Abgaskrümmers dar, der im Wärmeübertragungssystem enthalten sein kann.
3 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein Heizrohr 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann der Schnitt entlang einer Längsachse des Heizrohrs verlaufen. Mindestens ein Abschnitt des Heizrohrs 300 kann, wie oben beschrieben, eine Komponente des integrierten Abgaskrümmers 202 sein.
Das Heizrohr 300 kann jede sinnvolle Form aufweisen und ist nicht auf einen Hohlzylinder im herkömmlichen Sinn des Ausdrucks „Rohr” beschränkt. Stattdessen kann man sich das Heizrohr 300 allgemein als eine Leitung für die Wärmeenergieübertragung vorstellen. Somit kann das Heizrohr 300 verschiedene geeignete Geometrien aufweisen. Zum Beispiel kann das Heizrohr 300 eine verzweigte oder gelappte Struktur aufweisen, um einer Kontur der Oberfläche des Abgaskrümmers dicht anliegend zu folgen. Es ist erkennbar, dass andere geometrische Formen möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Des Weiteren kann das Heizrohr 300 jeweils ein einzelnes Heizrohr oder ein Bündel von Heizrohren sein, wobei das Bündel mehr als ein Heizrohr beinhalten kann, die zum Beispiel in eine gemeinsame Umhüllung eingebaut sind.
Das Heizrohr 300 kann einen Außenmantel 302, eine Flüssigkeitsfilmschicht 304, eine flüssigkeitstransportierende Schicht 306 und einen Dampfraum 308 beinhalten. Wie dargestellt, kann der Außenmantel 302 eine Außenschicht sein, wobei eine Flüssigkeitsfilmschicht 304 und eine flüssigkeitstransportierende Schicht 306 in Innenrichtung nacheinander auf den Außenmantel 302 folgen. Als Letztes kann der Dampfraum 308 die innerste Schicht bilden. Zum Beispiel kann der Dampfraum 308 ein zentraler Hohlraum im Heizrohr 300 sein.
Der Außenmantel 302 kann ein wärmeleitender Feststoff sein. Zum Beispiel kann der Außenmantel 302 ein Kupfermantel sein; es sind jedoch andere leitende Feststoffe möglich, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Als leitender Feststoff kann der Außenmantel 302 das passive Absorbieren (angezeigt durch die Pfeile 310) und das passive Abgeben (angezeigt durch die Pfeile 312) von Wärmeenergie ermöglichen. Wie dargestellt, kann die Wärmeenergie in einem, dem Verdampfungsbereich 208 ähnlichen Verdampfungsbereich 314 passiv absorbiert werden. Der Verdampfungsbereich 314 kann einer Wärmequelle entsprechen, wie beispielsweise einer Komponente eines Abgassystems, wie oben beschrieben. Zum Beispiel kann der Verdampfungsbereich 314 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt und/oder in diesen integriert sein, um mittels Konduktion Wärmeenergie zu absorbieren. Somit kann der Verdampfungsbereich 314 in physischem Kontakt mit mindestens einer Oberfläche des Abgaskrümmers 49 stehen. Auf diese Weise kann der Verdampfungsbereich 314 an den Abgaskrümmer 49 angrenzen.
Wie dargestellt, kann die Wärmeenergie in einem, dem Kondensationsbereich 210 ähnlichen Kondensationsbereich 316 abgegeben werden. Der Kondensationsbereich 316 kann einem Wärmeableiter, wie beispielsweise der Umgebung, entsprechen, wie oben beschrieben. Auf diese Weise kann der Kondensationsbereich 316 mittels Konvektion Wärmeenergie an die Umgebung abgeben. In einigen Ausführungsformen kann der Kondensationsbereich 316 jedoch an ein Motorsystem gekoppelt sein, um mittels Konduktion Wärmeenergie für eine Komponente des Systems bereitzustellen.
Ein adiabatischer Bereich 318 kann ein Bereich zwischen dem Verdampfungsbereich 310 und dem Kondensationsbereich 312 sein. Der adiabatische Bereich 318 kann als ein Bereich des Heizrohrs 300 beschrieben werden, in dem die Wärmeübertragung gleich null ist. Anders ausgedrückt, kann der adiabatische Bereich 318 keine Wärmeenergie aus der Umgebung absorbieren oder an diese abgeben.
Die Flüssigkeitsfilmschicht 304 kann ein Wärmeträgerfluid (HTF – Heat Transfer Fluid) 320 beinhalten. Das HTF 320 kann für Fachleute auch als Arbeitsfluid bezeichnet werden. Das HTF 320 kann jedes, zum Absorbieren/Abgeben von Wärmeenergie geeignete Fluid sein. Des Weiteren kann die spezielle Art des für das Wärmeübertragungssystem verwendeten HTF derart gewählt und abgestimmt werden, dass die Fluideigenschaften des HTF in geeigneter Weise mit den gewünschten thermischen Spezifikationen des einen Motorsystems oder der mehreren Motorsysteme übereinstimmen, das/die mit dem Wärmeübertragungssystem in Verbindung steht/stehen.
Das HTF 320 kann innerhalb der Flüssigkeitsfilmschicht 304 in eine Richtung strömen, die allgemein durch den Pfeil 322 angezeigt ist. Wie dargestellt, kann das HTF 320 vom Kondensationsbereich 316 zum Verdampfungsbereich 310 strömen. Anders ausgedrückt, kann das HTF 320 von einer kalten Seite zu einer wärmeren Seite des Heizrohrs 300 strömen.
Die flüssigkeitstransportierende Schicht 306 kann jedes geeignete Material beinhalten, um die Migration des HTF während der Phasenwechsel zu unterstützen. Zum Beispiel kann die flüssigkeitstransportierende Schicht 306 die Migration des verdampften HTF in den Dampfraum 308 im Verdampfungsbereich 310 unterstützen. Ferner kann die flüssigkeitstransportierende Schicht 306 die Migration kondensierten HTF-Dampfes in die Flüssigkeitsfilmschicht 304 im Kondensationsbereich 316 unterstützen. Somit kann die flüssigkeitstransportierende Schicht 306 aus nicht absorbierendem Material bestehen. Beispielsweise kann die flüssigkeitstransportierende Schicht 306 eine mit Wachs beschichtete Faser beinhalten, wobei jedoch andere Materialien möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann das flüssige HTF und/oder der HTF-Dampf zwischen den verschiedenen Schichten des Heizrohrs 300 in einer separaten Umhüllung gehalten werden.
Der Dampfraum 308 kann HTF in Dampfform beinhalten. Der HTF-Dampf kann innerhalb des Dampfraumes 308 in eine Richtung strömen, die im Allgemeinen durch den Pfeil 324 angezeigt ist. Wie dargestellt, kann der HTF-Dampf vom Verdampfungsbereich 310 zum Kondensationsbereich 316 strömen. Anders ausgedrückt, kann der HTF-Dampf von einer heißen Seite zu einer kälteren Seite des Heizrohrs 300 strömen.
Auf diese Weise kann Wärmeenergie durch das Heizrohr 300 absorbiert und abgegeben werden. Durch Verwenden von Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise HTF 320, kann Wärmeenergie von einer Umgebung abgeleitet und an eine andere Umgebung abgegeben werden. Da die Menge der Wärmeenergie, die absorbiert und abgegeben wird, der Menge der Umwandlungsenergie entspricht, die für den Phasenwechsel des HTF notwendig ist, wechselt das Arbeitsfluid innerhalb des Heizrohrs 300 zyklisch zwischen flüssig und dampfförmig.
Es versteht sich, dass das Heizrohr 300 als Beispiel bereitgestellt ist und nicht beschränkend sein soll. Deshalb versteht es sich, dass das Heizrohr 300 zu den in 3 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht es sich, dass das Heizrohr 300 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf ein zylindrisches Rohr beschränkt ist, wie es in 3 dargestellt ist.
4 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmeübertragungssystem 400 dar, das einen integrierten Abgaskrümmer 402 aufweist. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 400 ähnliche Merkmale wie das Wärmeübertragungssystem 200 aufweisen und ferner mit dem Abgassystem 100 in thermischer Verbindung stehen kann. Des Weiteren kann das Wärmeübertragungssystem 400 ein oder mehrere Heizrohre 300 beinhalten. Somit versteht es sich, dass derartige Merkmale mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben werden.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 400 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sein. Wie bereits beschrieben, kann die Kombination aus einem oder mehreren Heizrohren 300 und Abgaskrümmer 49 in thermischem Kontakt einen integrierten Abgaskrümmer 402 beinhalten.
Das Wärmeübertragungssystem 400 beinhaltet drei Heizrohre 300, die thermisch an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sind. Zum Beispiel kann jedes Heizrohr mit einem Abgasanschluss zusammentreffen. In der vorliegenden Verwendung des Begriffs ist der Abgasanschluss ein Bereich des Abgasdurchlasses 48, der einem Abgasventil (z. B. dem Abgasventil 54) nachgelagert und einem Zusammenflussbereich (z. B. dem Auslass 404) des Abgaskrümmers 49 vorgelagert ist. Somit kann der Abgaskrümmer 49 einen Abgasanschluss beinhalten, der mit jeder Brennkammer zusammentrifft. In diesem Beispiel beinhaltet der Abgaskrümmer 49 drei Abgasanschlüsse, wobei jeder Abgasanschluss einen Abschnitt eines Heizrohrs beinhaltet. Es versteht sich jedoch, dass der Abgaskrümmer 49 mehr oder weniger als drei Abgasanschlüsse beinhalten kann und desgleichen eine entsprechende Anzahl Heizrohre.
Wie oben beschrieben, beinhaltet jedes Heizrohr 300 den Verdampfungsbereich 314, den adiabatischen Bereich 318 und den Kondensationsbereich 316. Wie dargestellt, liegt mindestens ein Abschnitt 406 des Verdampfungsbereichs 314 im Inneren des Abgaskrümmers 49. Zum Beispiel kann der innere Abschnitt jedes Heizrohrs innerhalb eines entsprechenden Abgasanschlusses angeordnet sein. Des Weiteren kann jedes Heizrohr 300 durch eine obere Außenfläche 403 des Abgaskrümmers 49 führend in den entsprechenden Abgasanschluss eingefügt sein. Anders ausgedrückt, kann der Verdampfungsbereich innerhalb eines Innenraumes des Abgaskrümmers im Abgasanschluss angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die Heizrohre derart angeordnet sein, dass die inneren Abschnitte 406 rechtwinklig zu einer Abgas-Strömungsrichtung (allgemein durch die Pfeile 407 angezeigt) durch die Abgasanschlüsse liegen. Anders ausgedrückt, kann eine Längsachse 409 jedes Heizrohres rechtwinklig zur Oberseite des Abgaskrümmers 49 liegen. Auf diese Weise können die Verdampfungsbereiche 314 derart innerhalb der Abgasanschlüsse angeordnet sein, dass Wärmeenergie mittels Konvektion aus den Abgasen absorbiert werden kann, die um eine Außenfläche der inneren Abschnitte der Heizrohre 300 strömen. Es versteht sich, dass die inneren Abschnitte der Heizrohre 300 derart eingefügt sein können, dass der Abgasstrom im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird.
In einigen Ausführungsformen können die Abschnitte 406 in thermischem Kontakt mit mehreren Verdampfungslamellen stehen. Jede Verdampfungslamelle kann parallel zum Abgasstrom angeordnet sein, so dass der Abgasstrom nicht beeinträchtigt wird. Stattdessen können die Verdampfungslamellen optional enthalten sein, um eine Oberfläche der Verdampfungsbereiche 314 zu vergrößern. Die Verdampfungslamellen können aus einem leitenden Material bestehen und jede Verdampfungslamelle kann eine im Wesentlichen dünne Platte sein, zwischen denen derart genügend Zwischenraum vorhanden ist, dass die Abgase ungehindert zwischen den Verdampfungslamellen strömen. Ein Beispiel derartiger Verdampfungslamellen ist in 5 dargestellt.
Wie dargestellt, beinhaltet das Wärmeübertragungssystem 400 Kondensatorlamellen 212, wie sie oben beschrieben sind. Wie dargestellt, können die Kondensationsbereiche 316 derart an die Kondensatorlamellen 212 gekoppelt sein, dass die Kondensationsbereiche rechtwinklig zu einer Oberfläche 412 der Kondensatorlamellen liegen. Die Kondensatorlamellen 212 können derart in thermischem Kontakt mit den Kondensationsbereichen 316 stehen, dass Wärmeenergie von den Kondensationsbereichen 316 mittels Konduktion zu den Kondensatorlamellen 212 übertragen werden kann. Auf diese Weise vergrößern die Kondensatorlamellen 212 eine Oberfläche des Kondensationsbereichs und geben Wärmeenergie an die Umgebung ab. Wie dargestellt, kann zwischen nebeneinanderliegenden Kondensatorlamellen derart ein Hohlraum 414 angeordnet sein, dass von einer Oberfläche jeder Kondensatorlamelle 212 und/oder den Kondensationsbereichen 316 der Heizrohre 300 Wärmeenergie in Form von Dampf an die Umgebung abgegeben werden kann. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 400 eine andere Anzahl von Kondensatorlamellen beinhalten kann und somit nicht auf die fünf, in 4 dargestellten Kondensatorlamellen beschränkt ist. Zum Beispiel kann das Wärmeübertragungssystem 400 auf Wunsch mehr oder weniger als 5 Kondensatorlamellen beinhalten.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 400 optional einen oder mehrere Kühlventilatoren 416 beinhalten, um die Geschwindigkeit der Konvektion von den Kondensatorlamellen 212 und Kondensationsbereichen 316 zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen muss das Wärmeübertragungssystem 400 keinen Kühlventilator enthalten.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 400 als Beispiel bereitgestellt ist und somit nicht beschränkend sein soll. Deshalb versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 400 zu den in 4 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 400 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf die in 4 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
5 stellt schematisch ein beispielhaftes Wärmeübertragungssystem 500 dar. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 500 ähnliche Merkmale wie das Wärmeübertragungssystem 200 und/oder das Wärmeübertragungssystem 400 aufweisen kann und ferner in thermischer Verbindung mit dem Abgassystem 100 stehen kann. Ferner kann das Wärmeübertragungssystem 500 ein oder mehrere Heizrohre 300 beinhalten. Somit versteht es sich, dass derartige Merkmale mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben werden.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 500 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sein. Wie oben beschrieben, kann die Kombination aus Heizrohr 300 und Abgaskrümmer 49 in thermischem Kontakt einen integrierten Abgaskrümmer 502 beinhalten.
Das Wärmeübertragungssystem 500 beinhaltet ein einzelnes Heizrohr 300, das thermisch an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt ist. Wie dargestellt, kreuzt das Heizrohr 300 alle Abgasanschlüsse 504. Zum Beispiel kann der Verdampfungsbereich 314 alle Abgasanschlüsse 504 kreuzen. Ferner kann mindestens ein Abschnitt 506 des Verdampfungsbereichs innerhalb des Abgaskrümmers 49 liegen. Zum Beispiel kann jeder innere Abschnitt 506 des Heizrohrs 300 innerhalb eines entsprechenden Abgasanschlusses 504 liegen. Es versteht sich, dass andere Abschnitte des Verdampfungsbereichs 314 nicht im Inneren des Abgaskrümmers 49 liegen müssen. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen einige Abschnitte zwischen den Abgasanschlüssen 504 außerhalb des Abgaskrümmers liegen. Die Abschnitte zwischen den Abgasanschlüssen 504 können jedoch auf Wunsch im Inneren des Abgaskrümmers liegen.
In diesem Beispiel ist das Heizrohr 300 rechtwinklig zu einer Abgas-Strömungsrichtung durch alle Abgasanschlüsse 504 angeordnet. Anders ausgedrückt, kann eine Längsachse 509 des Heizrohrs 300 rechtwinklig zu einer zylinderkopfseitigen Oberfläche 510 des Abgaskrümmers 49 liegen. Zum Beispiel kann die zylinderkopfseitige Oberfläche 510 eine Oberfläche sein, die an einen Zylinderkopf gekoppelt ist, wenn der Abgaskrümmer 49 an einem Motor (z. B. Motor 10) angebracht ist. Des Weiteren kann der Abgaskrümmer 49 mehrere Öffnungen 512 beinhalten, um den Abgaskrümmer 49 mittels einer Befestigungsvorrichtung (z. B. einer Schraube, eines Bolzens usw.) am Motor zu befestigen.
Auf diese Weise ist der Verdampfungsbereich 314 derart in allen Abgasanschlüssen 504 angeordnet, dass Wärmeenergie mittels Konvektion aus den Abgasen absorbiert werden kann, die um eine Außenfläche der inneren Abschnitte 506 und der Verdampfungslamellen 508 strömen. Es versteht sich, dass die inneren Abschnitte der Heizrohre 300 derart eingefügt sein können, dass der Abgasstrom im Wesentlichen nicht behindert wird.
Wie dargestellt, können die Abschnitte 506 thermisch an eine oder mehrere Verdampfungslamellen 508 gekoppelt sein. Wie oben beschrieben, kann jede Verdampfungslamelle 508 derart parallel zur Abgas-Strömungsrichtung angeordnet sein, dass der Abgasstrom nicht behindert wird. Stattdessen vergrößern die Verdampfungslamellen eine Oberfläche der Verdampfungsbereiche 314. Die Verdampfungslamellen können aus einem leitenden Material bestehen und jede Verdampfungslamelle kann im Wesentlichen eine dünne Platte mit ausreichendem Zwischenraum zwischen den Verdampfungslamellen sein, so dass die Abgase zwischen den Verdampfungslamellen ungehindert strömen. Des Weiteren kann das Wärmeübertragungssystem 500 Kondensatorlamellen 212 beinhalten, wie oben beschrieben.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 500 als Beispiel dargestellt ist und somit nicht beschränkend sein soll. Daher versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 500 zu den in 5 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 500 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf die in 5 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
6 zeigt schematisch ein beispielhaftes Wärmeübertragungssystem 600. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 600 ähnliche Merkmale wie das Wärmeübertragungssystem 200, 500 und/oder 600 aufweisen kann und ferner in thermischer Verbindung mit dem Abgassystem 100 stehen kann. Ferner kann das Wärmeübertragungssystem 600 ein oder mehrere Heizrohre 300 beinhalten. Somit versteht es sich, dass derartige Merkmale mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben werden.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystems 600 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sein. Wie oben beschrieben, kann die Kombination aus einem oder mehreren Heizrohren 300 und Abgaskrümmer 49 in thermischem Kontakt einen integrierten Abgaskrümmer 602 umfassen.
Das Wärmeübertragungssystem 600 beinhaltet drei Heizrohre 300, die thermisch an einen Adapter 604 gekoppelt sind. Zum Beispiel kann der Adapter 604 zwischen dem Abgaskrümmer 49 und einem Zylinderkopf angeordnet sein, wenn der Abgaskrümmer 49 am Motor angebracht ist. Somit können die Öffnungen 512 an Öffnungen 606 des Adapters 604 ausgerichtet sein. Ferner versteht es sich, dass sowohl die Öffnungen 512 als auch 606 an entsprechenden Öffnungen des Zylinderkopfes ausgerichtet sind. In gleicher Weise sind die Abgasanschlüsse 504 an entsprechenden Adapteranschlüssen 608 ausgerichtet und ferner mit einem Abgasdurchlass 48 für jeden Verbrennungszylinder.
Wie dargestellt, kann der Abschnitt 610 jedes Heizrohres 300 derart im Inneren des Adapters 604 angeordnet sein, dass die Verdampfungsbereiche 314 zumindest teilweise durch jede Anschlussöffnung 608 ragen. Des Weiteren kann jedes Heizrohr 300 durch die Oberseite 612 des Adapters 604 in den Adapter eingefügt sein. Somit können die Verdampfungsbereiche 314 derart angeordnet sein, dass Abgas in eine Richtung strömt, die rechtwinklig zur Längsachse 609 liegt. Anders ausgedrückt, können die Verdampfungsbereiche 314 derart angeordnet sein, dass die Heizrohre 300 rechtwinklig zur Oberseite 612 liegen. Es versteht sich, dass die Verdampfungsbereiche derart in den Adapter 604 eingefügt sind, dass der Abgasstrom im Wesentlichen nicht behindert wird.
In einigen Ausführungsformen können die Verdampfungsbereiche 314 eine oder mehrere Verdampfungslamellen beinhalten, wie oben beschrieben. Ferner kann das Wärmeübertragungssystem 600, wie dargestellt, Kondensatorlamellen 212 beinhalten.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 600 als Beispiel bereitgestellt ist und somit nicht beschränkend sein soll. Deshalb versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 600 zu den in 6 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 600 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf die in 6 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
7 zeigt schematisch ein beispielhaftes Wärmeübertragungssystem 700. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 700 ähnliche Merkmale wie das Wärmeübertragungssystem 200, 500, 600 und/oder 700 aufweisen kann und ferner in thermischer Verbindung mit dem Abgassystem 100 stehen kann. Ferner kann das Wärmeübertragungssystem 700 ein oder mehrere Heizrohre 300 beinhalten. Somit versteht es sich, dass derartige Merkmale mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben werden.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 700 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sein. Wie oben beschrieben, kann die Kombination aus einem oder mehreren Heizrohren 300 und Abgaskrümmer 49 in thermischem Kontakt einen integrierten Abgaskrümmer 702 umfassen.
Das Wärmeübertragungssystem 700 beinhaltet ein einzelnes Heizrohr 300, das thermisch an eine Außenfläche 704 des Abgaskrümmers 49 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann der Verdampfungsbereich 314 an die Außenfläche 704 gekoppelt sein, um mittels Konduktion Wärmeenergie zu absorbieren. Es versteht sich, dass das Heizrohr 300 in physischem Kontakt mit verschiedenen Außenflächen des Abgaskrümmers 49 stehen kann. In diesem Beispiel kann das Heizrohr 300 in physischem Kontakt (und somit in thermischem Kontakt) zur Außenfläche 704 stehen, die nicht die zylinderkopfseitige Oberfläche des Abgaskrümmers 49 ist.
In diesem Beispiel beinhaltet das Heizrohr 300 einen Bogen 706. In einigen Ausführungsformen kann das Heizrohr 300 mehr als einen Bogen beinhalten. Alternativ kann das Heizrohr 300 auf Wunsch ohne Bogen gestaltet sein.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 700 als Beispiel bereitgestellt ist und somit nicht beschränkend sein soll. Deshalb versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 700 zu den in 7 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 700 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf die in 6 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
8 zeigt schematisch ein beispielhaftes Wärmeübertragungssystem 800. Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 800 ähnliche Merkmale wie das Wärmeübertragungssystem 200, 500, 600, 700 und/oder 800 aufweisen kann und ferner in thermischer Verbindung mit dem Abgassystem 100 stehen kann. Ferner kann das Wärmeübertragungssystem 800 ein oder mehrere Heizrohre 300 beinhalten. Somit versteht sich, dass derartige Merkmale mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind und der Kürze halber nicht wiederholt beschrieben werden.
Wie dargestellt, kann das Wärmeübertragungssystem 800 an den Abgaskrümmer 49 gekoppelt sein. Wie oben beschrieben, kann die Kombination aus Heizrohr 300 und Abgaskrümmer 49 in thermischem Kontakt einen integrierten Abgaskrümmer 802 umfassen.
Das Wärmeübertragungssystem 800 beinhaltet ein einzelnes Heizrohr 300, das thermisch an die Außenfläche 704 gekoppelt ist, ähnlich wie beim Wärmeübertragungssystem 700. Wie dargestellt, kann der Verdampfungsbereich 314 des Heizrohrs 300 als eine Heizplatte 804 gestaltet sein. Die Heizplatte 804 kann im Vergleich zum Wärmeübertragungssystem 700 zum Beispiel eine größere Oberfläche für den thermischen Kontakt zum Abgaskrümmer aufweisen. Es versteht sich, dass die Heizplatte 804 eine ähnliche Struktur wie das Heizrohr 300 aufweisen kann und nur in der geometrischen Form abweichen kann. Wie dargestellt, kann die Heizplatte 804 eine längliche Form aufweisen, wobei jedoch andere Geometrien möglich sind, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel kann die Heizplatte 804 eine unregelmäßige Form aufweisen, die in physischem Kontakt mit der gesamten Außenfläche 704 steht. Alternativ kann die Heizplatte 804 eine unregelmäßige Form aufweisen, die zu weniger als der gesamten Außenfläche 704 in physischem Kontakt steht. Als weiteres Beispiel kann die Heizplatte 804 verschiedene regelmäßige Formen aufweisen, die zur gesamten Außenfläche 704 oder zu weniger als der gesamten Außenfläche 704 in physischem Kontakt stehen.
Es versteht sich, dass das Wärmeübertragungssystem 800 als Beispiel bereitgestellt ist und somit nicht beschränkend sein soll. Deshalb versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 800 zu den in 8 dargestellten Merkmalen zusätzliche und/oder alternative Merkmale aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen. Ferner versteht es sich, dass das Wärmeübertragungssystem 800 verschiedene Geometrien aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang dieser Offenbarung abzuweichen, und somit nicht auf die in 8 dargestellte Ausführungsform beschränkt ist.
Die hier beschriebenen Systeme verwenden ein Heizrohr auf verschiedene Art und Weise, um Wärmeenergie rückzugewinnen, die sonst für nachgelagerte Systemkomponenten nachteilig wäre. Zum Beispiel kann Wärmeenergie vom Abgassystem weggeleitet werden, um nachgelagerte Komponenten vor thermischer Schädigung zu schützen, wie oben beschrieben.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Gestaltungsformen und Abläufe beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in beschränkendem Sinn zu verstehen sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Zum Beispiel kann die oben beschriebene Technologie auf V6-, I4-, I6-, V12-, Boxer- und andere Arten von Motoren angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung schließt alle neuartigen und nicht naheliegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Gestaltungsformen und andere hier offenbarte Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften ein.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig und nicht naheliegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein Element” oder „ein erstes” Element oder eine Entsprechung dazu beziehen. Solche Ansprüche sollten dahingehend aufgefasst werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente einschließen und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anwendung beansprucht werden. Solche Ansprüche gelten ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten, unabhängig davon, ob ihr Schutzumfang weiter, enger, gleich oder ein anderer als der der ursprünglichen Ansprüche ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4107922 [0002]

Claims

Abgassystem für einen Motor, das Folgendes umfasst: einen Katalysator, einen Abgaskrümmer, der dem Katalysator vorgelagert ist, und ein Heizrohr, das in thermischem Kontakt mit dem Abgaskrümmer und der Umgebung steht, wobei das Heizrohr ein Phasenwechselmaterial beinhaltet, das nach dem Light-Off des Katalysators passiv Wärme absorbiert.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Heizrohr in thermischem Kontakt mit einem Innenraum des Abgaskrümmers steht.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Heizrohr durch eine Außenfläche des Abgaskrümmers hindurch eingeführt ist.
Abgassystem nach Anspruch 3, wobei der Verdampfungsbereich des Heizrohrs in einem Abgasanschluss des Abgaskrümmers angeordnet ist und wobei eine Längsachse des Heizrohrs rechtwinklig zu einem Abgasstrom liegt.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei der Verdampfungsbereich in thermischem Kontakt mit einer Außenfläche des Abgaskrümmers steht.
Abgassystem nach Anspruch 5, wobei das Heizrohr eine Heizplatte in thermischem Kontakt mit der Außenfläche des Abgaskrümmers beinhaltet.
Abgassystem nach Anspruch 6, wobei die Heizplatte eine größere Oberfläche als andere Abschnitte des Heizrohrs aufweist.
Abgassystem nach Anspruch 1, wobei das Heizrohr einen Bogen beinhaltet, wobei das Heizrohr einen Kondensationsbereich in thermischem Kontakt mit der Umgebung beinhaltet und wobei der Kondensationsbereich an keine Fahrzeugkomponente gekoppelt ist.
Integrierter Abgaskrümmer für einen Motor, der Folgendes umfasst: einen Abgaskrümmer, mehrere Heizrohre, wobei jedes Heizrohr einen Verdampfungsbereich in thermischem Kontakt mit dem Abgaskrümmer beinhaltet und einen Kondensationsbereich, der an die Umgebung grenzt, und mehrere Kondensatorlamellen, die an den Kondensationsbereich jedes Heizrohres gekoppelt sind.
Integrierter Abgaskrümmer nach Anspruch 9, wobei der Verdampfungsbereich jedes Heizrohres in thermischem Kontakt mit einer oder mehreren Verdampfungslamellen steht.
Integrierter Abgaskrümmer nach Anspruch 9, wobei der Verdampfungsbereich im Inneren des Abgaskrümmers an einer Position innerhalb eines Abgasanschlusses liegt.
Integrierter Abgaskrümmer nach Anspruch 11, wobei eine Längsachse des Heizrohrs rechtwinklig zu einer Abgas-Strömungsrichtung durch den Abgasanschluss liegt.
Integrierter Abgaskrümmer nach Anspruch 9, wobei das Heizrohr einen Außenmantel, eine Arbeitsfluidschicht, eine flüssigkeitstransportierende Schicht und einen Dampfraum beinhaltet.
Integrierter Abgaskrümmer nach Anspruch 9, der ferner einen Kühlventilator umfasst, der zu den mehreren Kondensatorlamellen benachbart ist.
Wärmeübertragungssystem für einen Motor, das Folgendes umfasst: ein Heizrohr, das einen Verdampfungsbereich beinhaltet, der im Inneren eines Abgaskrümmers angeordnet ist, und einen Kondensationsbereich, der sich vom Abgaskrümmer weg erstreckt, wobei das Heizrohr eine Längsachse aufweist, die rechtwinklig zu einer Abgas-Strömungsrichtung durch den Abgasanschluss liegt, und mehrere Kondensatorlamellen in thermischem Kontakt mit dem Kondensationsbereich.
Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 15, wobei das Heizrohr durch mehrere Abgasanschlüsse führt.
Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 15, das ferner einen Adapter umfasst, der am Abgaskrümmer an einer Position zwischen dem Abgaskrümmer und einem Zylinderkopf ausgerichtet ist, wenn der Abgaskrümmer an einem Motor angebracht ist.
Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 17, wobei das Heizrohr durch eine Oberseite des Adapters führt und der Verdampfungsbereich in einem Adapteranschluss angeordnet ist, der derart am Abgasanschluss ausgerichtet ist, dass die Längsachse rechtwinklig zum Abgasstrom liegt.
Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 15, das ferner eine oder mehrere Verdampfungslamellen in thermischem Kontakt mit dem Verdampfungsbereich umfasst, um eine Oberfläche des Verdampfungsbereichs zu vergrößern.
Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 15, das ferner einen Ventilator umfasst, der zu den mehreren Kondensatorlamellen benachbart ist, um eine Konvektionsgeschwindigkeit zu erhöhen.