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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung.
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Im Stand der Technik ist aus der
JP 20142228 A eine Ladeluftkühlvorrichtung bekannt, die ein thermoakustisches System umfasst, welches der Zuluft eines Verdichters Wärmeenergie entzieht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein Kraftfahrzeug mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung bereitzustellen, mit der ansonsten ungenutzte Wärmeenergie nutzbar gemacht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1 sowie einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung ist zur Anordnung in einem Abgasstrang eines mit einem im Betrieb Abgas erzeugenden Verbrennungsmotor versehenen Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist ein Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete Abgasnachbehandlungseinheit auf. Erfindungsgemäß umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung einen ersten Wärmetauscher, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der erste Wärmetauscher ist in der Weise ausgebildet, dass dieser von dem Abgas und von einem Arbeitsmedium durchströmbar ist, wobei das Abgas und das Arbeitsmedium stofflich voneinander getrennt sind und thermisch miteinander in Kontakt stehen. Eine Strömungsrichtung des Abgases durch den ersten Wärmetauscher ist dabei verschieden von einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums durch den ersten Wärmetauscher.
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Damit ist es vorteilhaft ermöglicht, der Abgasnachbehandlungseinrichtung Abgaswärme zu entziehen und für andere Anwendungen zu nutzen. Gleichzeitig verursacht das Abführen der Wärme ein Kühlen an dieser Stelle, an der damit die Hitzebelastung für die Materialien sinkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist der erste Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet.
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Damit ist es zusätzlich ermöglicht, durch exotherme Abgasnachbehandlung entstehende Wärme zu nutzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst diese einen Wärmewandler. Dabei sind der erste Wärmetauscher und das Arbeitsmedium dem Wärmewandler zugeordnet. Der Wärmewandler weist zudem einen Regenerator, eine Übertragungseinheit und einen Generator auf. Der Wärmewandler ist ein im Stand der Technik bekannter thermoakustischer Generator.
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Durch diesen ist es ermöglicht, die Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst das Arbeitsmedium Helium, Argon, Stickstoff, oder Luft.
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Helium und Argon sind nicht brennbar, Inertgase und unterliegen keinem Temperaturlimit. Ein sicherer Betrieb in einem großen Temperaturfenster ist damit ermöglicht. Auch Stickstoff ist nicht brennbar und wie auch Luft kostengünstig und leicht verfügbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist die Abgasnachbehandlungseinheit ein Drei-Wege-Katalysator.
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Der Drei-Wege-Katalysator arbeitet exotherm und ist weit verbreitet im Gebrauch. Die hier vorgeschlagene Kombination zeigt somit einen besonders zweckmäßigen Anwendungsfall.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist der erste Wärmetauscher in der Weise ausgebildet, dass das Abgas im Wesentlichen quer zum Arbeitsmedium durch den ersten Wärmetauscher strömt.
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Damit ist ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Arbeitsmedium gewährleistet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst diese einen mittels eines Ventils freigebbaren Bypass, mit dem das Abgas um den ersten Wärmetauscher herumleitbar ist.
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Damit ist das Abführen des Abgases auch bei einem großen Massenstrom ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist der Bypass innerhalb des Gehäuses angeordnet.
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Damit ist die Abgasnachbehandlungseinrichtung als kompakte, gut handhabbare Baugruppe ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ist das Ventil eine schwenkbare Klappe, die mit einer Federkraft beaufschlagt sein kann.
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Damit ist in einfacher Weise ein wirkungsvolles Ventil ausgebildet, welches auch einen Rückstrom des Abgases entgegen der Strömungsrichtung des Abgases verhindern kann.
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Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung ist bevorzugt in ein Kraftfahrzeug integriert. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und einen Abgas des Verbrennungsmotors ableitenden Abgasstrang. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung ist in dem Abgasstrang angeordnet.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung kommen damit dem Kraftfahrzeug zugute. Der Betrieb des Kraftfahrzeugs ist effizienter, benötigt weniger Treibstoff und erzeugt weniger Emissionen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs weist dieses einen Akkumulator auf, mit dem Generator elektrisch leitend verbunden ist.
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Damit ist es ermöglicht, die vom Generator erzeugte elektrische Energie zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug in einer beispielhaften Ausgestaltung;
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2 einen Wärmewandler; und
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3 eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung.
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In der 1 ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 in einer beispielhaften Ausgestaltung schematisch dargestellt. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Verbrennungsmotor 11 sowie einen Abgasstrang 13 zum Ableiten von im Betrieb des Verbrennungsmotors 11 entstehendem Abgas 23 auf.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist zudem insbesondere einen Zuluftstrang 12 auf, der, wie es üblich ist, ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor 11 für dessen Betrieb notwendige Zuluft zuzuführen. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen Abgasturbolader mit einer im Abgasstrang 13 angeordneten Abgasturbine 14 und einem mit der Abgasturbine drehmomentübertragend verbundenen, im Zuluftstrang 12 angeordneten Verdichter 15 umfassen. Der Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 umfasst einen Abgaskrümmer 16. Der Abgaskrümmer 16 kann auch in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 11 integriert sein. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug 10 insbesondere einen Akkumulator 17. Der Akkumulator 17 ist ausgebildet elektrische Energie aufzunehmen, zu speichern und abzugeben. Der Akkumulator 17 ist insbesondere eine Starterbatterie und/oder bei einer Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs 10 mit Hybridantrieb eine Antriebsbatterie.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 10 umfasst eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung 21. Diese ist dabei in dem Abgasstrang 13 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Dabei befindet sich ein Einlasstrichter 33 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 in Strömungsrichtung des Abgases 23 stromaufwärts eines Auslasstrichters 34 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 ist in einer beispielhaften Ausgestaltung in der 3 dargestellt.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 weist ein Gehäuse 30 auf. In dem Gehäuse 30 ist eine Abgasnachbehandlungseinheit 22 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinheit 22 ist bevorzugt ein Drei-Wege-Katalysator. Drei-Wege-Katalysatoren sind im Stand der Technik bekannt.
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Zudem ist in dem Gehäuse 30 ein erster Wärmetauscher 26 untergebracht. Der erste Wärmetauscher 26 ist dabei insbesondere in Strömungsrichtung des Abgases 23 stromabwärts der Abgasnachbehandlungseinheit 22 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 ist in der Weise ausgebildet, dass Abgas 23 zuerst durch die Abgasnachbehandlungseinheit 22 und danach durch den ersten Wärmetauscher 26 strömen kann. Der erste Wärmetauscher 26 ist in der Weise ausgebildet ist, dass dieser sowohl von dem Abgas 23 als auch von einem Arbeitsmedium 29 durchströmbar ist. Dabei sind das Abgas 23 und das Arbeitsmedium 29 stofflich voneinander getrennt und stehen thermisch miteinander in Kontakt. Der erste Wärmetauscher 26 ist in der Weise ausgebildet, dass innerhalb des ersten Wärmetauschers 26 die Strömungsrichtung des Abgases 23 verschieden von der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 29 ist, insbesondere ist innerhalb des ersten Wärmetauschers 26 die Strömungsrichtung des Abgases 23 im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 29. Der erste Wärmetauscher 26 ist ausgebildet, Wärmeenergie des Abgases 23 wenigstens zum Teil auf das Arbeitsmedium 29 zu übertragen.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 verfügt zudem insbesondere über einen Bypass 31, der ausgebildet ist, das Abgas 23 an dem ersten Wärmetauscher 26 vorbei zu leiten. Der Bypass 31 ist insbesondere innerhalb des Gehäuses 30 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 umfasst ein dem Bypass 31 zugeordnetes Ventil zum Freigeben oder Schließen des Bypasses 31 und zum Verhindern eines Rückstroms. Das Ventil ist insbesondere ein Zuschaltventil, welches ab einem bestimmten Druckunterschied stromaufwärts und stromabwärts des Ventils und/oder ab einer bestimmten Temperatur und/oder bei einem bestimmten Größenwert gemäß einem Motorkennfeld den Bypass freigibt. Das Ventil kann passiv oder aktiv gesteuert sein. Das Ventil kann als schwenkbare Klappe 32 ausgestaltet sein, die in einer ersten Stellung den Bypass 31 verschießt und in einer ausgeschwenkten Stellung den Bypass 31 freigibt. Die Klappe 32 verhindert zudem ein Zurückströmen des Abgases 23. Die Klappe 31 kann mit einer Federkraft beaufschlagt sein, elektrisch stellbar sein und/oder durch ein Thermoelement, beispielsweise eine Bimetalleinheit, stellbar sein. Die in der 3 dargestellte Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 weist die Klappe 32 auf.
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Der erste Wärmetauscher 26 ist insbesondere Teil eines Aufnehmers 19 eines Wärmewandlers 18, über den die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 verfügt. Der Wärmewandler 18 ist ausgebildet, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Wärmewandler 18 ist ein thermoakustischer Generator. Thermoakustische Generatoren sind im Stand der Technik bekannt.
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Der Wärmewandler 18 ist ausgebildet, Wärmeenergie der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 zu verwenden. Die Wärmeenergie stammt dabei zumindest zum Teil aus einer exothermen Reaktion, die in der Abgasnachbehandlungseinheit 22 während der Abgasnachbehandlung stattfindet, und aus dem Abgas 23 des Verbrennungsmotors 11. Die Abgasnachbehandlungseinheit 22 ist insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator. Der Wärmewandler 18 umfasst ferner das Arbeitsmedium 29, eine Übertragungseinheit 24 und einen Generator 20.
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Der Aufnehmer 19 ist ausgebildet, seiner Umgebung Wärmeenergie zu entziehen und dem Arbeitsmedium 29 Energie zuzuführen. Die zugeführte Energie verstärkt eine Schwingung, insbesondere eine akustische Schwingung, des Arbeitsmediums. Der Aufnehmer 19 ist zumindest zum Teil innerhalb des Gehäuses 30 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet. In dieser Weise ist es in der 1 dargestellt. Auch die Übertragungseinheit 24 und/oder der Generator 20 können innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet sein.
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Zusätzlich zum ersten Wärmetauscher 26 umfasst der Aufnehmer, einen Regenerator 27 und insbesondere einen zweiten Wärmetauscher 28. In Wärmestromrichtung 25, die im Aufnehmer der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 29 entspricht, ist dabei der Regenerator 27 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 26 und der zweite Wärmetauscher 28 stromabwärts des Regenerators 27 angeordnet. In dieser Ausführung ist der Aufnehmer 19 in der 2 dargestellt. Dabei ist der erste Wärmetauscher 26 ausgebildet, Wärmeenergie aufzunehmen und diese zumindest zum Teil an das Arbeitsmedium 29 zu übertagen. Der Regenerator 27 ist ausgebildet die Wärmeenergie des Arbeitsmediums 29 zumindest zum Teil in Schwingungsenergie umzuwandeln und eine Schwingung des Arbeitsmediums 29, insbesondere eine akustische Schwingung, zu verstärken. Der zweite Wärmetauscher 28 ist ausgebildet dem Arbeitsmedium 29 zumindest einen Teil seiner Wärmeenergie zu entziehen und diese abzuführen, insbesondere an ein Kühlmittel des Kraftfahrzeugs 10. Der erste Wärmetauscher 26 ist innerhalb des Gehäuses 30 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet. Neben dem ersten Wärmetauscher 26 können auch der Regenerator 27 und/oder der zweite Wärmetauscher 28 innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet sein. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind zumindest Teile des Aufnehmers 19 innerhalb eines Auslasstrichters 34 der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 angeordnet.
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Die Übertragungseinheit 24 ist ausgebildet, Schwingungsenergie von dem Aufnehmer 19 an den Generator 20 zu übertragen. Die Übertragungseinheit 24 nutzt dazu das Arbeitsmedium 29. Die Übertragungseinheit 24 ist insbesondere eine geschlossene Schleife, in welcher sich das Arbeitsmedium 29 befindet. Das Arbeitsmedium 29 umfasst bevorzugt Helium und/oder Argon. Auch Stickstoff und/oder Luft können im Arbeitsmedium 29 enthalten sein.
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Der Generator 20 ist ausgebildet, die an ihn übertragene Schwingungsenergie, insbesondere in Form akustischer Schwingung, in elektrische Energie umzuwandeln. Die Übertragungseinheit 24 kann in den Generator 20 integriert sein. Der Generator 20 des Wärmewandlers 18 ist mit dem Akkumulator 17 und/oder mit einer elektrisch betreibbaren Einrichtung, beispielsweise einer Elektroheizung, elektrisch leitend verbunden. Der Wärmewandler 18 ist ausgebildet elektrische Energie an den Akkumulator 17 und/oder an die elektrische Einrichtung abzugeben.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 11
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zuluftstrang
- 13
- Abgasstrang
- 14
- Abgasturbine
- 15
- Verdichter
- 16
- Abgaskrümmer
- 17
- Akkumulator
- 18
- Wärmewandler
- 19
- Aufnehmer
- 20
- Generator
- 21
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 22
- Abgasnachbehandlungseinheit
- 23
- Abgas
- 24
- Übertragungseinheit
- 25
- Wärmestrom
- 26
- Erster Wärmetauscher
- 27
- Regenerator
- 28
- Zweiter Wärmetauscher
- 29
- Arbeitsmedium
- 30
- Gehäuse
- 31
- Bypass
- 32
- Klappe
- 33
- Einlasstrichter
- 34
- Auslasstrichter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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