DE102016116995A1

DE102016116995A1 - Abgasanlage mit verbesserter thermischer Belastbarkeit

Info

Publication number: DE102016116995A1
Application number: DE102016116995.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Mohr; Bernhard Reyer; Arnulf Spieth
Original assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-03-15

Abstract

Eine Abgasanlage (1) zum Abführen von Abgas aus einer oder mehreren Brennkammern eines Verbrennungsmotors (2) weist eine Abgasleitung (3) mit wenigstens einem Abgaseinlass (31) und wenigstens einem Abgasauslass (32) und eine Druckluftquelle (4) mit einem Sauglufteinlass (41) und einem Druckluftauslass (42) auf. Die Abgasleitung (3) weist zumindest in einem Abschnitt eine Innenschale (33) und eine Außenschale (34) auf, wobei zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) ein Zwischenraum (35) gebildet ist. Die Außenschale (34) weist wenigstens einen mit dem Zwischenraum (35) verbundenen Lufteinlass (36) und wenigstens einen mit dem Zwischenraum (35) verbundenen Luftauslass (37) auf und ist so an der Innenschale (33) befestigt, dass Fluid nur über den wenigstens einen Lufteinlass (36) in den Zwischenraum (35) eintreten kann, und nur über den wenigstens einen Luftauslass (37) aus dem Zwischenraum (35) austreten kann. Der Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) ist mit dem wenigstens einen Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) verbunden und beaufschlagt diesen mit Druckluft. Auf diese Weise ist eine aktive Kühlung des zweischaligen Abschnitts der Abgasleitung (3) möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasanlage mit verbesserter thermischer Belastbarkeit.
Verbrennungsmotoren (z. B. Ottomotoren und Dieselmotoren), wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden, weisen üblicherweise mehrere Brennkammern auf, die auch als Zylinder bezeichnet werden. Nach der Verbrennung von Brennstoff (üblicherweise Benzin oder Diesel) in der Brennkammer muss das heiße Abgas abgeführt werden. Dabei ist aus Gründen des Umweltschutzes und Lärmschutzes üblicherweise eine Abgasnachbehandlung in einer Abgasanlage erforderlich.
Die Abgasanlage weist üblicherweise eine oder mehrere Abgasleitungen, in denen das Abgas lediglich gesammelt und geführt wird, sowie ein oder mehrere Filter, Katalysatoren und/oder Schalldämpfer, in denen die Behandlung des Abgases erfolgt, auf. Weiter ist häufig eine Turbine eines Abgasturboladers vorgesehen. Seriell angeordnete Elemente bilden einen Abgasstrang. Eine Abgasanlage kann mehrere parallele Abgasstränge aufweisen.
Bei Abgasanlagen für verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge hat es sich eingebürgert, einige der Abgasleitungen mit besonderen Bezeichnungen zu versehen, wie z. B. Abgaskrümmer, Hosenrohr und Endrohr.
Der Abgaskrümmer ist üblicherweise direkt am Verbrennungsmotor befestigt, sammelt das aus mehreren benachbart angeordneten Brennkammern ausgegebene Abgas und führt dieses einem Abgasstrang der Abgasanlage zu. Bei einem Verbrennungsmotor mit mehreren Bänken ist auf beiden Seiten des Motors je ein Abgaskrümmer vorgesehen. Weiter ist es bekannt, zur Modularisierung oder zur Erleichterung eines thermischen Ausgleichs statt eines großen Abgaskrümmers mehrere kleinere Abgaskrümmer zu verwenden. Dabei ist der Abgaskrümmer hohen Abgastemperaturen ausgesetzt, die bei aufgeladenen Ottomotoren über 900°C erreichen können. In der Folge durchläuft ein Abgaskrümmer mit jedem Kaltstart des Verbrennungsmotors einen Aufheiz-Abkühlzyklus über einen Temperaturbereich von rund 880°C (je nach Ausgangstemperatur (Umgebungstemperatur) und Abgastemperatur). Dabei kommt es zu Temperaturausdehnungen und Spannungen im Abgaskrümmer. Abgaskrümmer, die häufig eine gekrümmte Bauform aufweisen, um die Abgase in den üblicherweise unterhalb des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasstrang zu führen, sind oft aus legiertem Gusseisen gebildet. Es ist auch bekannt, Abgaskrümmer aus austenitischen und/oder aus ferritischen Stählen / Formblechen zu bauen.
Das Hosenrohr schließt sich stromabwärts an den Abgaskrümmer an und führt zwei parallel angeordnete Abgaskrümmer zusammen. Das Endrohr ist üblicherweise das in Strömungsrichtung letzte Element der Abgasleitung und dient zur Ausgabe des gereinigten Abgases an die Atmosphäre.
In den letzten Jahren wurde die Leistung von Verbrennungsmotoren erheblich gesteigert. Es ist zu erwarten, dass dieser Trend anhält. Diese Leistungssteigerung der Verbrennungsmotoren führt zu einer zunehmenden thermischen Belastung der Abgasleitungen (und dort insbesondere der Abgaskrümmer und des Hosenrohres), da das Volumen und/oder die Temperatur des abzuführenden Abgases steigt.
In der Folge ist die Herstellung von Abgasleitungen aus den bewährten eisenbasierten Werkstoffen zunehmend nicht mehr möglich, da diese Werkstoffe den thermischen Belastungen nicht ausreichend standhalten. Insbesondere sind die Werkstoffe bei den hohen thermischen Belastungen häufig nicht mehr dazu in der Lage mechanische Lasten zu tragen.
Aus der EP 0 582 985 A1 und der EP 2 112 345 A2 ist bekannt, luftspaltisolierte Abgaskrümmer zu verwenden, bei welchen thermische Verluste reduziert sind. Auf diese Weise soll nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst frühzeitig eine für den effizienten Betrieb eines stromabwärts der Abgasleitung angeordneten Katalysators erforderliche Abgastemperatur bereitgestellt werden.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abgasanlage mit verbesserter thermischer Belastbarkeit bereitzustellen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsformen einer Abgasanlage zum Abführen von Abgas aus einer oder mehreren Brennkammern eines Verbrennungsmotors weisen eine Abgasleitung und eine Druckluftquelle mit einem Sauglufteinlass und einem Druckluftauslass auf. Die Abgasleitung weist wenigstens einen Abgaseinlass und wenigstens einen Abgasauslass auf, und stellt eine Fluidverbindung zwischen dem wenigstens einen Abgaseinlass und dem wenigstens einen Abgasauslass her. Weiter weist die Abgasleitung zumindest in einem Abschnitt eine Innenschale und eine Außenschale auf. Dabei ist zwischen Innenschale und Außenschale ein definierter Zwischenraum gebildet. Die Außenschale weist wenigstens einen mit dem Zwischenraum verbundenen Lufteinlass und wenigstens einen mit dem Zwischenraum verbundenen Luftauslass auf und ist so an der Innenschale befestigt, dass Fluid nur über den wenigstens einen Lufteinlass in den Zwischenraum eintreten kann, und nur über den wenigstens einen Luftauslass aus dem Zwischenraum austreten kann. Somit wird über den Zwischenraum eine Fluidverbindung zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass hergestellt, die von dem Abgas durch die Innenschale getrennt ist. Die Druckluftquelle saugt an ihrem Sauglufteinlass Umgebungsluft an, und gibt diese Luft als Druckluft am Druckluftauslass aus. Vor dem Sauglufteinlass kann dabei ein Luftfilter vorgesehen sein. Der Luftauslass der Druckluftquelle ist mit dem wenigstens einen Lufteinlass an der Außenschale der Abgasleitung verbunden und beaufschlagt diesen mit Druckluft.
In der Folge wird der in dem mehrschaligen Abschnitt der Abgasleitung ausgebildete Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale aktiv mit Druckluft beaufschlagt und so gekühlt. Über die Menge der zugeführten Druckluft kann so die Temperatur der Innenschale und der Außenschale der Abgasleitung beeinflusst und insbesondere gesenkt werden. Dies erlaubt es, die thermische Belastung der Abgasleitung zumindest in den Abschnitten, in denen diese den Zwischenraum aufweist, zu senken. In der Folge ist eine Verwendung von eisenbasierten Werkstoffen für die Abgasleitung auch nach einer Leistungssteigerung eines der Abgasanlage zugehörigen Verbrennungsmotors punktuell auch an kritischen Stellen möglich.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Abgaseinlass der Abgasleitung ausgebildet, direkt oder indirekt mit wenigstens einer Brennkammer des Verbrennungsmotors verbunden zu werden und ist der wenigstens eine Abgasauslass der Abgasleitung ausgebildet ist, direkt oder indirekt mit wenigstens einem Endrohr zum Ausgeben von Abgas an die Atmosphäre verbunden zu werden. Im Ergebnis stellt die Abgasleitung so eine Fluidverbindung zwischen der wenigstens einen Brennkammer des Verbrennungsmotors und dem wenigstens einen Endrohr bereit.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasanlage weiter einen Ladeluftkühler auf, der zwischen dem Druckluftauslass der Druckluftquelle und dem wenigstens einen Lufteinlass an der Außenschale der Abgasleitung angeordnet ist. Somit wird die Fluidverbindung zwischen dem Druckluftauslass der Druckluftquelle und dem Lufteinlass an der Außenschale der Abgasleitung über den Ladeluftkühler bereitgestellt.
Der Ladeluftkühler kühlt die von der Druckluftquelle ausgegebene Druckluft, welche Temperaturen von bis zu 250°C aufweisen kann, ab. Hierdurch wird die Kühlwirkung der dem Zwischenraum der Abgasleitung zugeführten Druckluft verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Druckluftquelle einen Verdichter eines Abgasturboladers auf, wobei der Verdichter den Sauglufteinlass und den Druckluftauslass der Druckluftquelle bereitstellt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Druckluftquelle einen Kompressor auf, wobei der Kompressor den Sauglufteinlass und den Druckluftauslass der Druckluftquelle bereitstellt.
Abgasturbolader und Kompressoren werden verwendet, um die einem Verbrennungsmotor zugeführte Luft zu verdichten. Die von dem Verbrennungsmotor benötigte Luft hängt von der abgerufenen Leistung ab. Wird eine hohe Leistung benötigt, stellt ein verwendeter Abgasturbolader oder Kompressor auch eine große Menge an Druckluft bereit. Wird diese zur Kühlung des Zwischenraums in der Abgasleitung verwendet, ist das System bei geeigneter Auslegung selbstregelnd.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasanlage dann weiter einen Luftmassenmesser auf, der stromaufwärts einer Luftzufuhr des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Mit dem Luftmassenmesser wird somit stromabwärts einer Abzweigung der zur Kühlung des Zwischenraums der Abgasleitung verwendeten Luft die dem Verbrennungsmotor tatsächlich zugeführte Luft gemessen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Abgasanlage weiter eine Steuerung auf, welche mit der Druckluftquelle verbunden und ausgebildet ist, eine von der Druckluftquelle ausgegebene Luftmenge zu steuern. Auf diese Weise kann die Temperatur der Abgasleitung durch die Steuerung kontrolliert werden. Dies kann beispielsweise anhand von Kennlinien einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors erfolgen; alternativ kann sich die Steuerung hierfür auch geeigneter Sensoren wie insbesondere Temperatursensoren bedienen. Es wird betont, dass die Verwendung einer Steuerung nur optional ist und sich das System im Idealfall selbst regelt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Druckluftquelle von einem Verdichter eines Abgasturboladers und einem regelbaren Wegeventil mit wenigstens drei Anschlüssen gebildet. Dann stellt der Verdichter den Druckluftauslass und den Sauglufteinlass der Druckluftquelle bereit. Ein erster Anschluss des regelbaren Wegeventils ist mit dem Druckluftauslass des Verdichters verbunden. Ein zweiter Anschluss des regelbaren Wegeventils ist mit dem wenigstens einen Lufteinlass an der Außenschale der Abgasleitung verbunden. Ein dritter Anschluss des regelbaren Wegeventils ist ausgebildet, mit einer Luftzufuhr des Verbrennungsmotors verbunden zu werden. Auf diese Weise ist das regelbare Wegeventil dazu ausgebildet, über den ersten Anschluss vom Verdichter zugeführte Druckluft in einstellbaren Mengenverhältnissen sowohl an den Zwischenraum in der Abgasleitung als auch die Luftzufuhr des Verbrennungsmotors auszugeben und eine entsprechende Fluidverbindung zwischen dem ersten, zweiten und dritten Anschluss bereitzustellen. Dabei ist die Steuerung dazu ausgebildet, das regelbare Wegeventil zu steuern, um die Menge der in den Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale der Abgasleitung eingepressten Druckluft anzupassen.
Ein Abgasturbolader und eine Steuerung sind bei modernen Abgasanlagen oft ohnehin vorhanden, so dass diese Ausführungsform sehr kostengünstig umgesetzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Abgasturbolader dann weiter eine mechanisch mit dem Verdichter gekoppelte Abgasturbine mit einem Turbineneinlass und einem Turbinenauslass auf. Der Turbineneinlass ist dann ausgebildet, mit wenigstens einer Brennkammer des Verbrennungsmotors verbunden zu werden. Der Turbinenauslass ist dann ausgebildet, über Abschnitte der Abgasleitung mit einem Endrohr zum Ausgeben von Abgas an die Atmosphäre verbunden zu werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Druckluftquelle einen Kompressor und ein regelbares Wegeventil mit wenigstens drei Anschlüssen auf. Dann stellt der Kompressor den Sauglufteinlass und den Druckluftauslass der Druckluftquelle bereit. Ein erster Anschluss des regelbaren Wegeventils ist mit dem Druckluftauslass des Kompressors verbunden. Ein zweiter Anschluss des regelbaren Wegeventils ist mit dem wenigstens einen Lufteinlass an der Außenschale der Abgasleitung verbunden. Ein dritter Anschluss des regelbaren Wegeventils ist ausgebildet, mit einer Luftzufuhr des Verbrennungsmotors verbunden zu werden. Somit kann das regelbare Wegeventil über den ersten Anschluss vom Kompressor ausgegebene Druckluft empfangen und in einstellbaren Anteilen über den zweiten und dritten Anschluss gleichzeitig dem Zwischenraum der Abgasleitung und dem Verbrennungsmotor zuführen. Die Steuerung ist dann ausgebildet, das regelbare Wegeventil zu steuern, um die Menge der in den Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale der Abgasleitung eingeführten Luft anzupassen. Sofern der Kompressor nicht für die Luftzufuhr des Verbrennungsmotors zuständig ist, kann die Steuerung auch dazu ausgebildet sein, die Drehzahl des Kompressors zu steuern.
Ein Kompressor und eine Steuerung sind in vielen verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen oft ohnehin vorhanden, so dass auch diese Ausführungsform sehr kostengünstig umgesetzt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Abgasanlage dann weiter einen Luftmassenmesser aufweisen, der stromabwärts des dritten Anschlusses des regelbaren Wegeventils angeordnet ist. Anders gesagt, ist der Luftmassenmesser zwischen dem dritten Anschluss des regelbaren Wegeventils und der Luftzufuhr des Verbrennungsmotors angeordnet, und misst somit die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luft, ohne die in den Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale der Abgasleitung eingeführte Luft zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens ein Luftauslass an der Außenschale der Abgasleitung mit dem Sauglufteinlass der Druckluftquelle (welche beispielsweise der vorstehend genannte Verdichter des Abgasturboladers oder der Kompressor sein kann) verbunden. Es können aber auch alle Luftauslässe an der Außenschale der Abgasleitung mit dem Sauglufteinlass der Druckluftquelle verbunden sein. Somit wird die von der Druckluftquelle bereitgestellte Druckluft nach dem Durchströmen des Zwischenraums in der Abgasleitung wieder zur Druckluftquelle zurückgeführt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform mündet wenigstens ein Luftauslass an der Außenschale der Abgasleitung stromabwärts des Abschnitts der Abgasleitung, in welchem die Abgasleitung den zwischen Innenschale und Außenschale gebildeten Zwischenraum aufweist, in die Abgasleitung. Dies kann zum Beispiel im Bereich des Endrohres und damit an einer Stelle erfolgen, an der die Reinigung des Abgases abgeschlossen ist, sofern die in dem Luftauslass geführte Druckluft nicht mit Abgasen verunreinigt ist. Sofern die in dem Luftauslass geführte Druckluft mit Abgas verunreinigt ist oder verunreinigt sein kann, muss der Luftauslass vor (in Strömungsrichtung des Abgases gesehen) der Abgasreinigung in die Abgasleitung münden. Es können aber auch alle Luftauslässe an der Außenschale der Abgasleitung in die Abgasleitung münden. Somit kann die von der Druckluftquelle bereitgestellte Druckluft nach dem Durchströmen des Zwischenraums in der Abgasleitung zusammen mit Abgas über die Abgasleitung an die Atmosphäre ausgegeben werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform mündet wenigstens ein Luftauslass an der Außenschale der Abgasleitung in einen Motorraum eines Kraftfahrzeugs und wird die Druckluft nach Durchströmen des Zwischenraums in der Abgasleitung an die Atmosphäre ausgegeben. Dies ist jedoch nur zulässig, sofern die in dem Luftauslass geführte Druckluft nicht mit Abgas verunreinigt ist.
Gemäß einer Ausführungsform bildet der Abschnitt der Abgasleitung, in welchem die Abgasleitung den zwischen Innenschale und Außenschale gebildeten Zwischenraum aufweist, einen Abgaskrümmer oder ein Hosenrohr. Diese Abschnitte der Abgasleitung sind besonders hohen Abgastemperaturen ausgesetzt.
Gemäß einer Ausführungsform umgibt die Außenschale in dem genannten Abschnitt der Abgasleitung wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % oder wenigstens 97,5 % oder 100 % einer Außenseite (und damit der nicht mit Abgas beaufschlagten Fläche) der Innenschale. Auf diese Weise kann benachbart zur Innenschale großflächig ein Zwischenraum bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens 70 % oder wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % der Fläche der Außenschale, welche der Innenschale zugewandt ist, zur Ausbildung des Zwischenraums von der Innenschale beabstandet. Somit wird die Außenschale überwiegend zur Bildung des Zwischenraums verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Zwischenraum zwischen Innenschale und Außenschale der Abgasleitung frei von Isoliermaterial.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Innenschale eine kleinste Wandstärke auf, welche wenigstens zweimal so groß oder wenigstens dreimal so groß wie die kleinste Wandstärke der Außenschale ist. Somit kann die Innenschale das strukturell tragende Element sein, und die Außenschale nur zur Festlegung des Zwischenraums dienen.
Gemäß einer Ausführungsform werden der wenigstens eine Abgaseinlass und der wenigstens eine Abgasauslass der Abgasleitung alleine von der Innenschale bereitstellt und ist die Innenschale mit Ausnahme der Ein- und Auslässe gasdicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale einstückig oder zweistückig oder mehrstückig ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Außenschale einstückig oder zweistückig oder mehrstückig ausgebildet.
Eine mehrstückige und insbesondere eine zweistückige Ausbildung von Innenschale und/oder Außenschale erleichtert eine Herstellung und Montage der jeweiligen Schale. Zudem erlaubt eine mehrstückige Ausbildung von Innenschale und/oder Außenschale den Abbau von Materialspannungen, da thermisch bedingte Materialdehnungen aufgenommen werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens ein Lufteinlass an der Außenschale über den Zwischenraum mit wenigstens einem Luftauslass an der Außenschale verbunden, so dass zwischen dem wenigstens einen Lufteinlass und dem wenigstens einen Luftauslass eine Fluidverbindung zum Führen von Druckluft besteht.
Gemäß einer Ausführungsform besteht zwischen allen Lufteinlässen an der Außenschale und allen Luftauslässen an der Außenschale über den Zwischenraum eine Fluidverbindung.
Gemäß einer Ausführungsform sind wenigstens ein Lufteinlass und wenigstens ein Luftauslass so an der Außenschale angeordnet, dass eine Verbindungsgerade zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass die Innenschale schneidet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Innenschale umströmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale aus einem eisenbasierten Werkstoff gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale aus einem austenitischem oder ferritischem Stahl gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Innenschale aus Gusseisen oder Gussstahl gebildet.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
1 schematisch ein Blockdiagramm einer Abgasanlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2A eine Draufsicht auf einen Abgaskrümmer zeigt, der als Abgasleitung in der Abgasanlage aus 1 verwendet wird; und
2B den Abgaskrümmer gemäß 2A in Seitenansicht und teilweise geschnittener Darstellung zeigt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich dient eine Abgasanlage 1 grundsätzlich dazu, von einem Verbrennungsmotor 2 erzeugtes Abgas zu sammeln, zu reinigen und über einen Abgasauslass, der vorliegend als Endrohr 39 ausgebildet ist, an die Atmosphäre auszugeben. In der gezeigten Ausführungsform weist der Verbrennungsmotor 2 sechs Zylinder/Brennkammern auf, von denen in 1 allerdings nur drei gezeigt sind. In der 1 ist die Strömungsrichtung des Abgases mit schwarzen Pfeilen gezeigt.
Dabei erfolgt das Sammeln und Führen des Abgases mittels einer Abgasleitung 3 und die Reinigung mittels wenigstens eines entlang der Abgasleitung 3 angeordneten Katalysators 38. Es können auch mehrere Katalysatoren oder zusätzliche Filter vorgesehen sein. Zudem findet in der gezeigten Ausführungsform eine Schalldämpfung mittels eines entlang der Abgasleitung 3 angeordneten Schalldämpfers 38‘ statt.
Die Abgasleitung 3 weist in der gezeigten Ausführungsform sechs Abgaseinlässe 31 auf, von denen in 1 allerdings nur drei sichtbar sind. Die nicht sichtbaren drei Abgaseinlässe 31 sind auf der gegenüberliegenden Seite des Verbrennungsmotors 2 angeordnet. Die Abgaseinlässe 31 sind zwei Abgaskrümmern zugeordnet, von denen einer in den 2A und 2B detailliert gezeigt ist. Dabei ist in 2A ein Abgaskrümmer in der Ausführung eines Drei-Zylinder-Krümmers für den Sechs-Zylinder-Verbrennungsmotor 2 in teilweise geschnittener Darstellung mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung an einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 2 und einem Verbindungsflansch 32‘ zur Verbindung mit einem nicht näher dargestellten, dem Abgaskrümmer nachfolgend angeordneten Hosenrohr gezeigt. Die Führung des Abgases in der Abgasleitung 3 erfolgt gasdicht, so dass Abgas nur über die Abgaseinlässe 31 in die Abgasleitung 3 eintreten und nur über das Endrohr 39 aus der Abgasleitung 3 austreten kann.
Wie besonders gut aus den 2A und 2B ersichtlich ist, ist die Abgasleitung 3 in dem Abschnitt, in dem sie die Abgaskrümmer bildet, zweischalig aus einer Innenschale 33 und eine Außenschale 34 aus Stahlblech aufgebaut. Dabei sind sowohl die Innenschale 33 als auch die Außenschale 34 jeweils zweistückig aus miteinander verbördelten und verschweißten Ober- und Unterschalen gebildet.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von gleichen Materialien für die Innenschale 33 und die Außenschale 34 oder eine mehrstückige Innenschale 33 und Außenschale 34 beschränkt. Beispielsweise kann die Innenschale 33 einstückig aus Gusseisen und die Außenschale 34 mehrstückig aus Blech gebildet sein. Dann kann die Innenschale 33 die tragende Struktur bilden und eine gegenüber der Außenschale 34 um ein Mehrfaches erhöhte Wandstärke aufweisen. Allerdings muss die Außenschale 34 immer stabil genug sein, um zwischen den Schalen befindliche Druckluft oder aufgrund von Leckagen ausgetretenes Abgas sicher zu halten.
In der in den 2A und 2B gezeigten Ausführungsform umgibt die Außenschale 34 in dem Abschnitt der Abgasleitung 3, in dem diese die Abgaskrümmer bildet, jeweils rund 98 % der nicht mit Abgas beaufschlagten Außenseite der Innenschale 33. Dabei sind rund 95 % der Fläche der Außenschale 34, welche der Innenschale 33 zugewandt ist, zur Ausbildung eines Zwischenraums 35 von der Innenschale 33 beabstandet. Der mittlere Abstand zwischen Innenschale 33 und Außenschale 34 beträgt dabei 4 mm. Der Zwischenraum 35 ist – mit Ausnahme von in den Figuren nicht gezeigten Abstandshaltern, welche die Innenschale 33 und die Außenschale 34 gegeneinander abstützen, nur mit Luft gefüllt.
Die Außenschale 34 weist einen mit dem Zwischenraum 35 in Fluidverbindung stehenden Lufteinlass 36 und drei mit dem Zwischenraum 35 in Fluidverbindung stehende Luftauslässe 37a, 37b, 37c auf. Im Bereich der Abgaseinlässe 31 und des Verbindungsflansches 32‘ des jeweiligen Abgaskrümmers ist die Außenschale 34 so gasdicht an der Innenschale 33 befestigt ist, dass Fluid nur über den einen Lufteinlass 36 in den Zwischenraum 35 eintreten kann, und nur über die drei Luftauslässe 37a, 37b, 37c aus dem Zwischenraum 35 austreten kann. Der Lufteinlass 36 ist benachbart zum Verbindungsflansch 32‘ angeordnet, da hier unterschiedliche Materialien miteinander verbunden sind und die thermische Belastung daher besonders kritisch ist. Zudem ist der Verbindungsflansch 32‘ nur mit dem (nicht gezeigten) Hosenrohr und nicht mit dem Motorblock verbunden, so dass über den Motorblock nur über Flansch, Verschraubung und Dichtung Wärme abgeführt werden kann.
Wie aus 1 ersichtlich, weist die Abgasanlage 1 weiter eine Druckluftquelle 4 mit einem Sauglufteinlass 41 und einem Druckluftauslass 42 auf, die in der gezeigten Ausführungsform von dem Verdichter eines Abgasturboladers gebildet wird. An dem Sauglufteinlass 41 ist ein Luftfilter 43 angeordnet. Stromabwärts des Druckluftauslasses 42 ist ein Ladeluftkühler 5 angeordnet, welcher die vom Verdichter ausgegebene Druckluft kühlt. In 1 ist die Strömungsrichtung der Luft mit weißen Pfeilen gezeigt.
Der Verdichter 4 ist mechanisch mit einer Abgasturbine 8 mit einem Turbineneinlass 81 und einem Turbinenauslass 82 gekoppelt. Die Abgasturbine 8 ist stromabwärts des Abschnittes, in dem die Abgasleitung 3 den mehrschaligen Abgaskrümmer bildet, und stromaufwärts des Katalysators 38 angeordnet und treibt den Verdichter 4 an.
Stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 ist ein mittels einer Steuerung 6 regelbares 3-Wege-Ventil 7 angeordnet. Ein erster Anschluss 71 des 3-Wege-Ventils ist über den Ladeluftkühler 5 mit dem Druckluftauslass 42 des Verdichters 4 verbunden. Ein zweiter Anschluss 72 des 3-Wege-Ventils ist mit dem Lufteinlass 36 an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers verbunden. Ein dritter Anschluss 73 des 3-Wege-Ventils ist über einen Luftmassenmesser 9 mit einer Luftzufuhr 21 des Verbrennungsmotors 2 verbunden.
Alternativ kann auf das Drei-Wege-Ventil auch verzichtet werden. Dann kann der Ladeluftkühler 5 direkt mit der Luftzufuhr 21 des Verbrennungsmotors 2 verbunden sein. Weiter kann ein Teil der dem Verbrennungsmotor 2 zugeführten Luft über eine (nicht gezeigte) Abzweigung, welche das Drei-Wege-Ventil ersetzt, zu dem Lufteinlass 36 an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers geführt werden. In diesem Fall hängt die Menge der dem Lufteinlass 36 an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers zugeführten Luft von dem Betriebszustand der Abgasturbine 8 ab, so dass das System selbstregelnd sein kann.
In der gezeigten Ausführungsform ist das 3-Wege Ventil 7 stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 angeordnet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. So kann das 3-Wege-Ventil 7 alternativ auch stromaufwärts eines vorhandenen Ladeluftkühlers 5 angeordnet sein.
Somit kann die Steuerung 6 das 3-Wege-Ventil 7 so steuern, dass über den Lufteinlass 36 an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers eine einstellbare Menge an Druckluft, die von dem Verdichter 4 ausgegeben wird, in den im Abgaskrümmer ausgebildeten Zwischenraum 35 eingeblasen wird. Hierzu kann die Steuerung 6 zudem eine Drehzahl der Abgasturbine 8 kontrollieren.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform mündet der erste Luftauslass 37a an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers im Bereich des Endrohrs 39 in die Abgasleitung. Dies ist nur zulässig, wenn die Druckluft nicht aufgrund von Leckagen mit Abgas verunreinigt ist, da dieses Abgas ansonsten ungereinigt ausgegeben wird. Der zweite Luftauslass 37b an der Außenschale 34 des Abgaskrümmers mündet stromaufwärts des Katalysators 38, der in Strömungsrichtung des Abgases zuvorderst in der Abgasleitung 3 angeordnet ist, in die Abgasleitung 3. Schließlich mündet der dritte Luftauslass 37c stromabwärts des Luftfilters 43 in den Sauglufteinlass 41 des Verdichters 4. Auf diese Weise wird die über den Lufteinlass 36 in den Zwischenraum 35 zwischen der Innenschale 33 und der Außenschale 34 zugeführte Druckluft abgeführt. Dabei umströmt die Druckluft im Zwischenraum 35 die Innenschale 33, da diese zwischen dem Lufteinlass 36 und den Luftauslässen 37a, 37b, 37c angeordnet ist.
Obwohl die voranstehenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft erläutert worden sind, werden die Fachleute erkennen, dass zahlreiche Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und Geist der in den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise kann anstelle des vorstehend als Druckluftquelle beschriebenen Verdichters eines Abgasturboladers auch ein Kompressor verwendet werden, falls kein Abgasturbolader vorhanden ist, oder die vom Verdichter des Abgasturboladers bereitgestellte Druckluftmenge nicht ausreicht. Weiter ist die Verwendung der Steuerung nur optional. Auch die Verwendung des Drei-Wege-Ventils ist nur optional. Zudem wurde in der gezeigten Ausführungsform ein kompletter Abgaskrümmer gekühlt. Dies ist nicht erforderlich. Beispielsweise können auch nur thermisch besonders belastete Bereiche eines Abgaskrümmers (oder einer anderen Komponente der Abgasanlage) gekühlt werden.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
2: Verbrennungsmotor
21: Luftzufuhr
3: Abgasleitung
31: Abgaseinlass
32: Abgasauslass
32‘: Verbindungsflansch
33: Innenschale
34: Außenschale
35: Zwischenraum
36: Lufteinlass
37a, 37b, 37c: Luftauslass
38: Katalysator
38‘: Schalldämpfer
39: Endrohr
4: Druckluftquelle/Verdichter
41: Sauglufteinlass
42: Druckluftauslass
43: Luftfilter
5: Ladeluftkühler
6: Steuerung
7: 3-Wege-Ventil
71: erster Anschluss
72: zweiter Anschluss
73: dritter Anschluss
8: Abgasturbine
81: Turbineneinlass
82: Turbinenauslass
9: Luftmassenmesser

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

EP 0582985 A1 [0009]
EP 2112345 A2 [0009]

Claims

Abgasanlage (1) zum Abführen von Abgas aus einer oder mehreren Brennkammern eines Verbrennungsmotors (2), aufweisend: eine Abgasleitung (3) mit wenigstens einem Abgaseinlass (31) und wenigstens einem Abgasauslass (32), wobei die Abgasleitung (3) zumindest in einem Abschnitt eine Innenschale (33) und eine Außenschale (34) aufweist, wobei zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) ein Zwischenraum (35) ausgebildet ist, wobei die Außenschale (34) wenigstens einen mit dem Zwischenraum (35) verbundenen Lufteinlass (36) und wenigstens einen mit dem Zwischenraum (35) verbundenen Luftauslass (37) aufweist und so an der Innenschale (33) befestigt ist, dass Fluid nur über den wenigstens einen Lufteinlass (36) in den Zwischenraum (35) eintreten, und nur über den wenigstens einen Luftauslass (37) aus dem Zwischenraum (35) austreten kann; und eine Druckluftquelle (4) mit einem Sauglufteinlass (41) und einem Druckluftauslass (42); wobei der Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) mit dem wenigstens einen Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) verbunden ist und diesen mit Druckluft beaufschlagt.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Ladeluftkühler (5), wobei der Ladeluftkühler (5) zwischen dem Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) und dem wenigstens einen Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckluftquelle (4) aufweist: einen Verdichter eines Abgasturboladers, wobei der Verdichter den Sauglufteinlass (41) und den Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) bereitstellt; oder einen Kompressor, wobei der Kompressor den Sauglufteinlass (41) und den Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) bereitstellt.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 3, weiter aufweisend: einen Luftmassenmesser (9); wobei der Luftmassenmesser (9) stromaufwärts einer Luftzufuhr (21) des Verbrennungsmotors (2) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, weiter aufweisend: eine Steuerung (6), welche mit der Druckluftquelle (4) verbunden ist und ausgebildet ist, eine von der Druckluftquelle (4) ausgegebene Luftmenge zu steuern.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 5, wobei die Druckluftquelle (4) aufweist: einen Verdichter eines Abgasturboladers, wobei der Verdichter den Sauglufteinlass (41) und den Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) bereitstellt; und ein regelbares Wegeventil (7) mit wenigstens drei Anschlüssen (71, 72, 73), wobei ein erster Anschluss (71) mit dem Druckluftauslass (42) des Verdichters verbunden ist, ein zweiter Anschluss (72) mit dem wenigstens einen Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) verbunden ist, und ein dritter Anschluss (73) ausgebildet ist, mit einer Luftzufuhr (21) des Verbrennungsmotors (2) verbunden zu werden; wobei die Steuerung (6) ausgebildet ist, das regelbare Wegeventil (7) zu steuern, um die Menge der in den Zwischenraum (35) zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) eingepressten Luft anzupassen.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 5, wobei die Druckluftquelle (4) aufweist: einen Kompressor, wobei der Kompressor den Sauglufteinlass (41) und den Druckluftauslass (42) der Druckluftquelle (4) bereitstellt; und ein regelbares Wegeventil (7) mit wenigstens drei Anschlüssen (71, 72, 73), wobei ein erster Anschluss (71) mit dem Druckluftauslasses (42) des Kompressors verbunden ist, ein zweiter Anschluss (72) mit dem wenigstens einen Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) verbunden ist, und ein dritter Anschluss (73) ausgebildet ist, mit einer Luftzufuhr (21) des Verbrennungsmotors (2) verbunden zu werden; wobei die Steuerung (6) ausgebildet ist, das regelbare Wegeventil (7) zu steuern, um die Menge der in den Zwischenraum (35) zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) eingepressten Luft anzupassen.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, weiter aufweisend: einen Luftmassenmesser (9); wobei der Luftmassenmesser (9) stromabwärts des dritten Anschlusses (73) des regelbaren Wegeventils (7) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei wenigstens ein Luftauslass (37) an der Außenschale (34) mit dem Sauglufteinlass (41) der Druckluftquelle (4) verbunden ist oder wobei alle Luftauslässe (37) an der Außenschale (34) mit dem Sauglufteinlass (41) der Druckluftquelle (4) verbunden sind; oder wobei wenigstens ein Luftauslass (37) an der Außenschale (34) stromabwärts des Abschnitts der Abgasleitung (3), in welchem die Abgasleitung (3) den zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) gebildeten Zwischenraum (35) aufweist, in die Abgasleitung (3) mündet oder wobei alle Luftauslässe (37) stromabwärts des Abschnitts der Abgasleitung (3), in welchem die Abgasleitung (3) den zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) gebildeten Zwischenraum (35) aufweist, in die Abgasleitung (3) münden.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Abschnitt der Abgasleitung (3), in welchem die Abgasleitung (3) den zwischen Innenschale (33) und Außenschale (34) gebildeten Zwischenraum (35) aufweist, einen Abgaskrümmer oder ein Hosenrohr bildet.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 10, wobei die Außenschale (34) wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % oder wenigstens 97,5 % oder 100 % einer Außenseite der Innenschale (33) umgibt.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens 70 % oder wenigstens 80 % oder wenigstens 90 % der Fläche der Außenschale (34), welche der Innenschale (33) zugewandt ist, zur Ausbildung des Zwischenraums (35) von der Innenschale (33) beabstandet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Innenschale (33) eine kleinste Wandstärke aufweist, welche wenigstens zweimal so groß oder wenigstens dreimal so groß wie die kleinste Wandstärke der Außenschale (34) ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der wenigstens eine Abgaseinlass (31) und der wenigstens eine Abgasauslass (32) der Abgasleitung (3) alleine von der Innenschale (33) bereitstellt werden; und wobei die Innenschale (33) mit Ausnahme des wenigstens einen Abgaseinlasses (31) und des wenigstens einen Abgasauslasses (32) gasdicht ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei wenigstens ein Lufteinlass (36) an der Außenschale (34) über den Zwischenraum (35) mit wenigstens einem Luftauslass (37) an der Außenschale (34) verbunden ist; oder wobei alle Lufteinlässe (36) an der Außenschale (34) über den Zwischenraum (35) mit allen Luftauslässen (37) an der Außenschale (34) verbunden sind.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei wenigstens ein Lufteinlass (36) und wenigstens ein Luftauslass (37) so an der Außenschale (34) angeordnet sind, dass eine Verbindungsgerade zwischen Lufteinlass (36) und Luftauslass (37) die Innenschale (33) schneidet.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Innenschale (33) aus einem eisenbasierten Werkstoff gebildet ist; und/oder wobei die Innenschale (33) aus einem austenitischem oder ferritischem Stahl gebildet ist; und/oder wobei die Innenschale (33) aus Gusseisen oder Gussstahl gebildet ist.