DE102015004021A1 - Abgasführung für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasführung für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Abgasströmungskanal (10) zur Ausleitung eines Abgases aus einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, zumindest einem Kühlmantel (11) zur Kühlung des Abgases, zumindest einem zwischen dem Abgasströmungskanal (10) und dem Kühlmantel (11) angeordneten Isoliermantel (12), der den Abgasströmungskanal (10) thermisch isolierend begrenzt, und mit zumindest einem temperaturabhängigen Wärmeleitelement (13), das den Abgasströmungskanal (10) und den Kühlmantel (11) thermisch miteinander verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasführung für ein Kraftfahrzeug.
  • Aus der DE 10 2013 200 529 A1 ist bereits eine Abgasführung für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasströmungskanal zur Ausleitung eines Abgases aus einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs und mehreren temperaturabhängigen Wärmeleitelementen, die den Abgasströmungskanal und eine Umgebung thermisch miteinander verbinden, bekannt.
  • Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, die Abgasführung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Abgasführung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit zumindest einem Abgasströmungskanal zur Ausleitung eines Abgases aus einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, zumindest einem Kühlmantel zur Kühlung des Abgases, zumindest einem zwischen dem Abgasströmungskanal und dem Kühlmantel angeordneten Isoliermantel, der den Abgasströmungskanal thermisch isolierend begrenzt, und mit zumindest einem temperaturabhängigen Wärmeleitelement, das den Abgasströmungskanal und den Kühlmantel thermisch miteinander verbindet. Durch die Kühlung des Abgases kann eine thermische Belastung von thermisch angrenzenden Bauteilen und von durchströmenden Bauteilen zumindest reduziert werden, wodurch Schutzmaßnahmen wenigstens reduziert werden können. Durch eine Reduzierung oder gar einen Entfall von Schutzmaßnahmen können Gewicht und Kosten eingespart sowie ein Kraftstoffverbrauch und eine Schadstoffemission reduziert werden. Durch das zumindest eine temperaturabhängige Wärmeleitelement kann die Kühlung des Abgases in Abhängigkeit der Abgastemperatur durchgeführt werden, wodurch realisiert werden kann, dass bei niedrigen Abgastemperaturen eine geringe bis keine Kühlung des Abgases und bei hohen Abgastemperaturen eine hohe, aber im Betrag begrenzbare Kühlung des Abgases eingestellt wird. Dadurch kann eine optimale Betriebstemperatur nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, insbesondere eine sogenannte Light-Off Temperatur eines Katalysators des Kraftfahrzeugs, besonders schnell erreicht werden, wodurch verhindert werden kann, dass durch die Kühlung des Abgases ein Erreichen der optimalen Betriebstemperatur verzögert und ein damit verbundener Kraftstoffverbrauch erhöht wird. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Abgasführung kann die temperaturabhängige Kühlung des Abgases besonders kompakt realisiert werden, wodurch ein Platzbedarf für die Abgasführung reduziert werden kann. Zudem kann die Abgasführung mit der temperaturabhängigen Kühlung des Abgases als ein Montagemodul ausgebildet werden, wodurch eine Montage der Abgasführung vereinfacht werden kann. Dadurch kann die Abgasführung mit einer temperaturabhängigen Abgaskühlung insbesondere hinsichtlich einer Kompaktheit verbessert werden. Der Isoliermantel ist vorzugsweise dazu vorgesehen, den Abgasströmungskanal und den Kühlmantel thermisch voneinander zu isolieren. Vorzugsweise weist der Isoliermantel eine Wärmeleitfähigkeit kleiner als 5 W/(m·K), vorteilhaft kleiner als 1 W/(m·K) und besonders vorteilhaft kleiner als 0,5 W/(m·K) auf. Das zumindest eine Wärmeleitelement ist vorzugsweise dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand im Vergleich zu dem Isoliermantel einen wesentlich höheren Wärmetransport zwischen dem Abgasströmungskanal und dem Kühlmantel einzustellen. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgebildet, ausgelegt, ausgestattet und/oder angeordnet verstanden werden.
  • Weiter wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Wärmeleitelement den Isoliermantel durchdringt, wobei ein erstes Ende des Wärmeleitelements in dem Abgasströmungskanal und ein zweites Ende des Wärmeleitelements in dem Kühlmantel angeordnet ist, wodurch das Abgas in dem Abgasströmungskanal besonders effektiv gekühlt werden kann. Vorzugsweise endet das zumindest eine Wärmeleitelement mit dem ersten Ende in dem Abgasströmungskanal und mit dem zweiten Ende in dem Kühlmantel.
  • Zur Nutzung der Abgaswärme ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Kühlmantel als ein Kühlfluidmantel ausgebildet ist. Dadurch kann die Abgaswärme beispielsweise zur Erwärmung eines Kühlmittels und/oder des Arbeitsmediums zur thermischen Rekuperation, insbesondere durch einen Rankine-Prozess, genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist der Kühlmantel als ein Flüssigkeitsmantel ausgebildet.
  • Zudem ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Wärmeleitelement dazu vorgesehen ist, unterhalb einer Grenzabgastemperatur einen Wärmetransport zwischen dem Abgasströmungskanal und dem Kühlmantel zumindest im Wesentlichen zu unterbinden. Dadurch kann die Kühlung des Abgases bei niedrigen Abgastemperaturen vermieden werden, wodurch die optimale Betriebstemperatur des Abgases, insbesondere die Light-Off Temperatur, nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine besonders schnell erreicht werden kann. Vorzugsweise weist das zumindest eine Wärmeleitelement ein Wärmetransportmittel auf, das dazu vorgesehen ist, zum Wärmetransport seinen Aggregatzustand zu ändern, wodurch eine besonders große Wärmemenge aus dem Abgas in den Kühlmantel transportiert werden kann. Vorzugsweise ist das Wärmetransportmittel, ein in dem Wärmeleitelement herrschender Innendruck und/oder eine Kapillarstruktur des Wärmeleitelements in der Art und Weise gewählt und/oder dimensioniert, so dass das Wärmetransportmittel erst ab der Grenzabgastemperatur verdampft und sich somit erst dann der Stoff- und damit Wärmetransport einstellt.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In der einzigen Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figur, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • 1 zeigt schematisiert eine Abgasführung eines Kraftfahrzeugs in einem Querschnitt. Die Abgasführung ist dazu vorgesehen, ein Abgas aus einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zuleiten. Die Abgasführung ist einem nicht dargestellten Abgassystem des Kraftfahrzeugs zugeordnet. Das Abgassystem ist dazu vorgesehen, das Abgas aus der Brennkraftmaschine in eine Umgebung auszuleiten. Das Abgassystem weist wenigstens einen Abgaskrümmer und wenigstens einen Katalysator auf. Die Abgasführung ist als ein Abgasrohr ausgebildet. Sie ist als ein Abgasrohr des Abgaskrümmers ausgebildet. Die Abgasführung ist strömungstechnisch zwischen der Brennkraftmaschine und dem Katalysator angeordnet.
  • Die Abgasführung weist ein Abgasströmungskanal 10 auf, durch den in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine das Abgas aus zumindest einem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine strömt. Der Abgasströmungskanal 10 stellt einen Strömungsquerschnitt für das Abgas bereit. Der Abgasströmungskanal 10 ist als ein Volumen ausgebildet, in dem das Abgas strömen kann. Der Abgasströmungskanal 10 bildet einen abgasführenden Kern der Abgasführung.
  • Die Abgasführung ist mehrwandig ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Abgasführung zweiwandig ausgeführt. Die Abgasführung weist einen Kühlmantel 11 und einen Isoliermantel 12 auf. Der Kühlmantel 11 ist zur Kühlung des Abgases vorgesehen. Der Kühlmantel 11 ist dazu vorgesehen, eine Abgaswärme aufzunehmen und zumindest einen Teil der Abgaswärme wieder abzugeben. Die von dem Kühlmantel 11 abgegebene Abgaswärme kann weiter genutzt werden, beispielsweise zur Erwärmung der Brennkraftmaschine und/oder eines Kraftfahrzeuginnenraums, oder ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Der Kühlmantel 11 ist dazu vorgesehen, eine Kühlflüssigkeit zu führen. Die Kühlflüssigkeit ist dazu vorgesehen, die Abgaswärme zur Weiterbenutzung abzutransportieren. Der Kühlmantel 11 ist als ein Kühlfluidmantel ausgebildet. Er ist als ein Kühlflüssigkeitsmantel ausgebildet.
  • Der Isoliermantel 12 isoliert den Abgasströmungskanal 10 und den Kühlmantel 11 thermisch voneinander. Er trennt das Abgas thermisch von dem Kühlmantel 11. Der Isoliermantel 12 ist zwischen dem Abgasströmungskanal 10 und dem Kühlmantel 11 angeordnet. Der Isoliermantel 12 begrenzt den Abgasströmungskanal 10 thermisch isolierend. Der Isoliermantel 12 ist aus einem thermisch isolierenden Material gebildet. Der Isoliermantel 12 ist innerhalb des Kühlmantels 11 angeordnet. Der Isoliermantel 12 bildet einen isolierenden Zwischenmantel der Abgasführung. Der Kühlmantel 11 bildet einen kühlflüssigkeitsführenden Außenmantel der Abgasführung.
  • Die Abgasführung weist ferner mehrere temperaturabhängige Wärmeleitelemente 13 auf, die jeweils den Abgasströmungskanal 10 und den Kühlmantel 11 thermisch miteinander verbinden. Die Wärmeleitelemente 13 sind dazu vorgesehen, die Abgaswärme aus dem Abgasströmungskanal 10 an dem Isoliermantel 12 vorbei in den Kühlmantel 11 zu transportieren. Die Wärmeleitelemente 13 durchdringen jeweils den Isoliermantel 12. Dabei ist jeweils ein erstes Ende 14 der Wärmeleitelemente 13 in dem Abgasströmungskanal 10 und jeweils ein zweites Ende 15 der Wärmeleitelemente 13 in dem Kühlmantel 11 angeordnet. Die Wärmeleitelemente 13 ragen jeweils mit ihrem ersten Ende 14 in den Abgasströmungskanal 10 und mit ihrem zweiten Ende 15 in den Kühlmantel 11. Die Wärmeleitelemente 13 sind um einen Mittelpunkt des Abgasströmungskanals 10 gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Sie sind radial angeordnet. Die Wärmeleitelemente 13 weisen jeweils eine Längsachse auf, die jeweils zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Abgases in dem Abgasströmungskanal 10 orientiert sind. Die Wärmeleitelemente 13 sind analog zueinander ausgebildet, weswegen lediglich das mit dem Bezugszeichen versehene Wärmeleitelement 13 näher beschreiben wird.
  • Das Wärmeleitelement 13 weist ein Wärmetransportmittel auf, das dazu vorgesehen ist, zum Transport der Abgaswärme seinen Aggregatzustand zu ändern. Das Wärmetransportmittel ist dazu vorgesehen, an dem ersten Ende 14 zu verdampfen und an dem zweiten Ende 15 zu kondensieren. Das Wärmetransportmittel ist als ein Fluid ausgebildet. Das Wärmeleitelement 13 ist als ein Wärmerohr ausgebildet. Es ist als eine Heatpipe ausgebildet.
  • Das Wärmeleitelement 13 ist dazu vorgesehen, unterhalb einer Grenzabgastemperatur einen Wärmetransport zwischen dem Abgasströmungskanal 10 und dem Kühlmantel 11 zumindest im Wesentlichen zu unterbinden und oberhalb der Grenzabgastemperatur einen besonders hohen Wärmetransport zwischen dem Abgasströmungskanal 10 und dem Kühlmantel 11 einzustellen. Dazu ist das Wärmetransportmittel, ein in dem Wärmeleitelement 13 herrschender Innendruck und/oder eine Kapillarstruktur des Wärmeleitelements 13 in der Art und Weise gewählt und/oder dimensioniert, so dass das Wärmetransportmittel erst ab der Grenzabgastemperatur verdampft, wodurch der Wärmetransport und ein interner Stofftransport erst ab der bestimmten Abgastemperatur stattfindet.
  • Es ist ebenfalls möglich dass in radialer Richtung, nach dem abgasführenden Innenrohr direkt die Heatpipe angesetzt wird. Diese ist nicht – wie in den zuvor genannten Ausführungen – durch einen Isoliermantel getrennt, sondern stellt diesen unterhalb der gewünschten Abgastemperatur zur Wärmeübertragung selbst dar. Dabei wird der Heatpipemantel konzentrisch zum Abgasrohr ausgeführt. Die Verdampfung innerhalb der Heatpipe findet dabei am Abgasrohr statt, die Kondensation am außenliegenden Kühlmantel. Der Stoff- und damit Wärmetransport des Heatpipemantels findet somit in radialer Richtung entlang des ganzen Mantels statt. Bis zum Erreichen der gewünschten Abgastemperatur findet somit nur eine sehr geringe Wärmeleitung über die Kapilarstruktur der Heatpipe statt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Abgasströmungskanal
    11
    Kühlmantel
    12
    Isoliermantel
    13
    Wärmeleitelement
    14
    Ende
    15
    Ende
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013200529 A1 [0002]

Claims (4)

  1. Abgasführung für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Abgasströmungskanal (10) zur Ausleitung eines Abgases aus einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, zumindest einem Kühlmantel (11) zur Kühlung des Abgases, zumindest einem zwischen dem Abgasströmungskanal (10) und dem Kühlmantel (11) angeordneten Isoliermantel (12), der den Abgasströmungskanal (10) thermisch isolierend begrenzt, und mit zumindest einem temperaturabhängigen Wärmeleitelement (13), das den Abgasströmungskanal (10) und den Kühlmantel (11) thermisch miteinander verbindet.
  2. Abgasführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Wärmeleitelement (13) den Isoliermantel (12) durchdringt, wobei ein erstes Ende (14) des Wärmeleitelements (13) in dem Abgasströmungskanal (10) und ein zweites Ende (15) des Wärmeleitelements (13) in dem Kühlmantel (11) angeordnet ist.
  3. Abgasführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (11) als ein Kühlfluidmantel ausgebildet ist.
  4. Abgasführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Wärmeleitelement (13) dazu vorgesehen ist, unterhalb einer Grenzabgastemperatur einen Wärmetransport zwischen dem Abgasströmungskanal (10) und dem Kühlmantel (11) zumindest im Wesentlichen zu unterbinden.
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