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Die Erfindung betrifft eine Abgasleitungseinrichtung mit einem Innenelement zur Leitung von Abgasen und einem dieses umgebenden Außenelement.
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Eine Abgasleitungseinrichtung der vorstehend genannten Art ist in Form eines flexiblen Leitungselementes beispielsweise aus der
DE 20 2015 104 177 U1 bekannt. Derartige Leitungselemente werden vorzugsweise in Abgasleitungen in Kraftfahrzeugen verbaut und verbinden einzelne, starre Leitungseinheiten flexibel miteinander. Im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen entstehen Schwingungen, die beispielsweise verursacht werden durch Unwuchten von Rotationselementen im Motor, Turbolader oder in Nebenaggregaten, durch die pulsförmigen Druckverläufe des Verbrennungsmotors, oder durch die Fahrbewegungen in Verbindung mit Fahrbahn-Unebenheiten und deren Rückkopplung in das Fahrgestell. Diesbezüglich haben flexible Leitungselemente, welche auch als Entkopplungselemente bezeichnet werden, die Aufgabe, derartige Schwingungen und Bewegungen im Abgassystem von Kraftfahrzeugen zu entkoppeln. Das Abgassystem enthält dabei typischerweise neben den Abgasleitungen (Leitungselementen, Leitungseinheiten) auch eine Abgasbehandlungseinrichtung (Nachbehandlungseinheit, „After Treatment System“ ATS).
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Im Zuge der Euro 6 Norm spielt das Thermomanagement von Abgassystemen und insbesondere der Abgasleitungen eine vorrangige Rolle. Dabei wird das Ziel verfolgt, eine möglichst hohe Abgastemperatur im ATS zu erreichen, um die chemische Reaktion optimal ablaufen zu lassen. Werden die erforderlichen Temperaturen vor allem in der Kaltstartphase nicht erreicht, laufen die Reaktionen im ATS derart, dass die geforderten Umweltauflagen nicht oder nur zum Teil eingehalten werden können. Demnach ist man bemüht, möglichst schnell die Zieltemperatur zu erreichen.
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Um die Isolierwirkung von Leitungselementen zu erhöhen, kann ein doppellagiger Aufbau gewählt werden. Wie bei der
DE 20 2015 104 177 U1 gezeigt können dazu zwei Bauteile oder Schläuche konzentrisch angeordnet werden, d.h. ein Innenelement (z.B. ein Wickelschlauch zur Abgasführung) und ein Außenelement (kann ein Wickelschlauch, vorranging aber ein gasdichtes Element wie ein Wellbalg oder Membranbalg sein).
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Reicht das Isolierverhalten nicht aus, so existieren Leitungselemente, bei denen ein Isoliermaterial zwischen Innenelement und Außenelement angeordnet ist (vgl.
DE 10 2007 043 944 A1 ).
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Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel zur besseren thermischen Isolierung von Abgasen in einem Abgasleitungssystem bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgasleitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhaft Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Abgasleitungseinrichtung, welche beispielsweise in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen kann, enthält die folgenden Komponenten:
- - Ein Innenelement zur Leitung von Abgasen.
- - Ein Außenelement, welches das Innenelement unter Bildung eines Zwischenraums umgibt, wobei das Innenelement und/oder das Außenelement gasdicht ist.
- - Einen Anschluss für die Zufuhr eines gasförmiges in Mediums in den vorgenannten Zwischenraum. Das Medium wird im Folgenden als „Zwischenmedium“ bezeichnet, da es sich einerseits im Zwischenraum befindet und da es andererseits im Betrieb seine Temperatur zwischen der Abgastemperatur und der Umgebungstemperatur liegt.
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Das Innenelement und das Außenelement sind vorzugsweise schlauchförmig, um Abgas von einem Zutrittsort zu einem entfernt liegenden Abgabeort leiten zu können. Mindestens eine beiden Komponenten Innenelement und Außenelement muss gasdicht sein, damit keine Leckage von Abgas aus der Abgasleitungseinrichtung möglich ist. Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit in der Regel von dem typischen Fall ausgegangen, dass das Innenelement nicht gasdicht und das Außenelement gasdicht ist.
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Neben dem Entkopplungselement bestehend aus Innenschlauch und Außenschlauch kann sich der Zwischenraum auch auf die an beiden Seiten sich anschließenden starren Rohrleitungen erweitern, welche ihrerseits dann typischerweise ebenfalls einen Doppelwandaufbau aufweisen.
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Das Innenelement und/oder das Außenelement können sowohl starr als auch flexibel sein.
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Die Abgasleitungseinrichtung ermöglicht es, dem Zwischenraum über den Anschluss ein Zwischenmedium zuzuführen, dessen Temperatur höher als die Temperatur der Umgebung der Einrichtung ist. Insbesondere kann die Temperatur des Zwischenmediums höher sein als die Temperatur, welche sich im Zwischenraum einstellen würde, wenn der Anschluss geschlossen wäre (also kein Zwischenmedium zugeführt würde). Der Temperaturgradient zwischen dem Abgas im Innenelement und dem Zwischenraum wird dann durch das Zwischenmedium verringert, sodass das Abgas weniger Wärme nach außen verliert. Es kann daher eine nachgeschaltete Abgasbehandlung mit höherer Temperatur erreichen, sodass diese effizienter stattfinden kann.
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Für die Art und Herkunft des Zwischenmediums gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise könnte das Zwischenmedium durch (gegebenenfalls erwärmte) Umgebungsluft gebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist indes der Anschluss am Zwischenraum mit einer Abgasentnahme verbunden, welche sich (in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases im Innenelement) stromabwärts vom Innenelement befindet. Auf diese Weise kann dem Zwischenraum Abgas von einer stromabwärts gelegenen Stelle zugeführt werden, welches in der Regel durch Wärmeverlust etwas kühler ist als das noch im Innenelement befindliche Abgas.
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Die vorstehend genannte Abgasentnahme ist vorzugsweise in Bezug auf den Abgasstrom im Innenelement stromabwärts von einer Abgasbehandlungseinrichtung angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bereits behandeltes, beispielsweise durch einen Katalysator und/oder Filter gereinigtes Abgas als Zwischenmedium verwendet wird.
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Das über den Anschluss zugeführte Zwischenmedium wird vorranging in der Kaltstartphase dem Zwischenraum zugeführt und kann während des Betriebs bei Erreichen der Zieltemperatur bei Bedarf wieder abgeschaltet werden (z.B. über ein Ventilmechanismus), damit beispielsweise eine gewünschte Temperatur im Zwischenraum aufrechterhalten werden kann. Bei einer solchen ständigen Zufuhr des Zwischenmediums muss dieses an anderer Stelle den Zwischenraum auch wieder verlassen können. Dies kann beispielsweise über das Eindringen in ein nicht gasdichtes Innenelement geschehen, d.h. das Zwischenmedium mischt sich in den Abgasstrom. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist indes ein Auslass für die Abgabe des Zwischenmediums aus dem Zwischenraum vorhanden. Falls wie oben erläutert das Zwischenmedium Abgas ist, das stromabwärts an einer Abgasentnahme entnommen wurde, befindet sich der Auslass vorteilhafterweise weiter stromabwärts von der Abgasentnahme. So kann sichergestellt werden, dass Abgas möglichst nicht mehrfach durch den Zwischenraum zirkuliert wird.
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Der vorstehend genannte Auslass liegt typischerweise hinreichend weit entfernt von dem Anschluss zur Zufuhr des Zwischenmediums, damit das Zwischenmedium zwangsweise eine ausreichend lange Strecke vom Anschluss zum Auslass zurücklegen muss. Die Strömung des Zwischenmediums vom Anschluss zum Auslass ist dabei grundsätzlich unabhängig von der Strömung des Abgases im Innenelement und kann beispielsweise auch gegenläufig zu dieser sein. Vorzugsweise befindet sich der Auslass in Bezug auf die Strömungsrichtung der Abgase im Innenelement stromabwärts vom Anschluss zur Zufuhr des Zwischenmediums. In diesem Falle stellen sich die örtlichen Temperaturverläufe typischerweise so ein, dass sowohl die Temperatur des Abgases im Innenelement als auch die des Zwischenmediums im Zwischenraum in Strömungsrichtung parallel zueinander sinken.
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Für die Ausgestaltung des Innenelementes gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise kann es sich beim Innenelement um ein im Wesentlichen starres und optional gasdichtes Rohr handeln. Alternativ kann das Innenelement auch flexibel sein und beispielsweise durch einen Wickelschlauch gebildet werden, insbesondere einen metallischen Wickelschlauch. Derartige Wickelschläuche sind in verschiedenen Ausführungsformen (einlagig, mehrlagig, agraffförmig, mit Innenschuppen und/oder Außenschuppen etc.) bekannt. Typische Ausführungsformen sind beispielsweise in der
DE 20 2015 104 177 U1 beschrieben.
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In ähnlicher Weise gibt es für das Außenelement verschiedene Ausführungsformen. Beispielsweise kann auch das Außenelement ein im Wesentlichen starres und gasdichtes Rohr sein. Alternativ kann es als ein Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Während Wellbälge typischerweise durch in Verbindung mit einer Stauchoperation erfolgenden Innenhochdruckumformung aus einem Rohr hergestellt werden, sind Wickelbälge und Membranbälge im Profilbereich verschweißte, rotationssymmetrische oder wendelgewellte Elemente, die entweder zur Rotationsachse senkrecht ausgeprägte Wellungen oder spiralförmige Wellungen aufweisen. Eine gewickelte Balgstruktur kann vorzugsweise formschlüssig eingehakt oder überlappend oder stoffschlüssig verschweißt sein. Derartige Elemente werden beispielsweise in der
DE 10 2008 001 297 A1 oder der
DE 10 2011 053 131 A1 beschrieben. Optional kann auch das Innenelement als Wellbalg, ein Wickelbalg, oder ein Membranbalg ausgebildet sein. Ebenso kann optional das Außenelement als ein Wickelschlauch ausgebildet sein.
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Das Innenelement und/oder das Außenelement kann optional zumindest in einem axialen Abschnitt einen nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere kann es einen ovalen und/oder mehreckigen Querschnitt haben, wobei die Ecken typischerweise abgerundet sind. Des Weiteren ist ein unrundes Innen/Außenelement in der Regel mit einem runden Außen/Innenelement kombiniert.
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Des Weiteren können Innenelement und Außenelement punktuell, linienförmig oder flächig miteinander in Kontakt stehen, sofern der verlangte Zwischenraum für die Führung des Zwischenmediums übrig bleibt. Ferner kann zwischen Innenelement und Außenelement optional mindestens eine weitere Komponente vorgesehen werden, beispielsweise ein weiterer Schlauch und/oder einen Drahtgestricke. Eine poröse Komponente wie etwa ein Drahtgestricke kann dabei auch das gesamte Volumen zwischen Innenelement und Außenelement ausfüllen, da seine Hohlräume zusammengenommen den Zwischenraum bilden, in dem das Zwischenmedium geführt werden kann.
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Die geometrische Form des Zwischenraumes ist grundsätzlich beliebig und abhängig von den konkreten Formen von Innenelement und Außenelement. Der Zwischenraum kann insbesondere eine axiale Erstreckung entlang des Innenelements aufweisen, sodass der Fluss des Zwischenmediums im Zwischenraum parallel zum Fluss des Abgases im Innenelement erfolgen kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Zwischenraum das Innenelement zumindest lokal umfänglich umgeben. Der Zwischenraum kann insbesondere die Form eines Hohlzylinders haben.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur thermischen Isolierung des Abgases in einer Abgasleitung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung zumindest lokal mit einem gasförmigen Zwischenmedium in Kontakt gebracht wird, dessen Temperatur höher als die Temperatur der Umgebung der Abgasleitung ist.
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Das Verfahren kann insbesondere in Verbindung mit einer Abgasleitungseinrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden, wobei die erwähnte „Abgasleitung“ dem „Innenelement“ entspricht. Die oben für die Abgasleitungseinrichtung gemachten Ausführungen und Erläuterungen gelten analog auch für das Verfahren.
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Insbesondere kann bei dem Verfahren die Temperatur des Zwischenmediums kleiner sein als die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung (an der jeweils betrachteten Stelle, falls die Temperatur des Abgases örtlich variiert). Ferner kann das Zwischenmedium insbesondere ein Teil des Abgases sein, welcher der Abgasleitung stromabwärts entnommen wurde. Vorzugsweise handelt es sich dabei um bereits behandeltes bzw. gereinigtes Abgas.
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Das Weiteren wird im Betrieb der Druck des Zwischenmediums typischerweise größer oder gleich dem Staudruck des Abgases im Innenelement beziehungsweise in der Abgasleitung sein, damit ein Austreten von Abgas aus einer nicht gasdichten Leitung (Innenelement oder Abgasleitung) vermieden werden kann (vgl.
DE 10 2004 026 705 B4 ).
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beigefügten Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasleitungseinrichtung.
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In der Figur sind die Komponenten einer Abgasleitungseinrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt entsprechend ihrer Bauform schematisch gezeichnet, während andere Komponenten nur symbolisch dargestellt sind. Die Abgasleitungseinrichtung 100 besteht im dargestellten Fall aus einem starren Abschnitt 110 sowie einem flexiblen Abschnitt 120.
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Der starre Abschnitt 110 enthält dabei die folgenden Komponenten:
- - Ein starres gekrümmtes Rohr 111 als Innenelement IE, wobei dieses Rohr zur Leitung von Abgasen entlang seiner axialen Erstreckung in Strömungsrichtung (Pfeile) vorgesehen istund beispielsweise an ein Turboaggregat (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeuges angeschlossen sein kann.
- - Ein starres gekrümmtes Rohr 112 als Außenelement, welches das Innenelement 111 koaxial umgibt. Da der lichte Innendurchmesser des Außenelementes 112 größer ist als der Außendurchmesser des Innenelementes 111, wird zwischen beiden eine ringspaltförmiger Zwischenraum 113 („ZR“) gebildet.
- - Einen Anschluss 114, welcher von außen durch die Wandung des Außenelementes in den Zwischenraum führt und über welchen ein gasförmiges Zwischenmedium zugeführt werden kann.
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Der flexible Abschnitt 120 der Abgasleitungseinrichtung 100 hat einen ähnlichen Aufbau, wobei er jedoch zu Entkopplung von Schwingungen aus flexiblen Bauelementen gebildet ist, und zwar:
- - Einem flexiblen metallischen Wickelschlauch 121 als (gasundichtes) Innenelement IE. Dieser Wickelschlauch 121 ist dabei an den Auslass des inneren Rohres 111 angeschlossen, um von diesem den Abgasstrom zu übernehmen.
- - Einem Außenelement AE in Form eines gasdichten gewickelten Membranbalges 122, welcher das Innenelement 121 koaxial umgibt unter Ausbildung eines Zwischenraumes 123 (ZR). Der Membranbalg 122 ist dabei gasdicht an das äußere Rohr 112 angeschlossen, und der Zwischenraum 113 zwischen den beiden Rohren 111, 112 geht in den Zwischenraum 123 zwischen Wickelschlauch 121 und Membranbalg 122 über.
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Wie in der Figur nur symbolisch angedeutet ist, geht der Abgasstrom vom Wickelschlauch 121 weiter über eine Abgasleitung zu einer Abgasbehandlungseinrichtung 140, welches beispielsweise Katalysatoren und/oder Filter zur Reinigung des Abgases enthalten kann.
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Erfindungsgemäß erfolgt in diesem System eine Nutzung der Abgaswärme. Konzeptionell wird dabei mit dem bereits gesäuberten Abgas (bevor dieses an die Umgebung abgegeben wird) der Zwischenraum ZR durchgespült und der sich radial ausprägende Temperaturgradient verringert, um ein Abfließen des Wärmestromes zu mindern und dadurch die Isolierwirkung gerade in der Kaltanlaufphase zu verbessern. Es erfolgt damit eine Nutzung des nach der Abgasnachbehandlung saubereren Abgases, um den Zwischenraum der starren Leitungselemente als auch den Zwischenraum der flexiblen Leitungselemente mit bereits deutlich vorgewärmter Abgasluft zu durchspülen. Dabei wird der dank der der Doppelwandigkeit von flexiblen und starren Leitungselementen vorhandene Luftspalt genutzt, um diesen mit bereits erwärmtem, gereinigten Abgas zu durchströmen. Das bereits auf z.B. 200°C vorgeheizte Abgas kann die Temperaturdifferenz in radiale Richtung deutlich senken und damit den Wärmeübergang mindern.
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Im Ausführungsbeispiel befindet sich hierzu stromabwärts hinter der Abgasbehandlungseinrichtung 140 eine Abgasentnahme 131. Diese ist über eine Rückleitung 130 mit den Anschluss 114 am äußeren Rohr 112 verbunden, sodass ein Teil des gereinigten Abgases entnommen und als Zwischenmedium dem Zwischenraum ZR zugeführt werden kann.
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In der Regel wird die Rückleitung 130 noch weitere Elemente enthalten wie beispielsweise einen Verdichter, mit dem der Strom des gereinigten Abgases in die gewünschte Richtung getrieben wird.
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Des Weiteren ist in der Figur eine Leitung 150 angedeutet für die Rückführung des gereinigten Abgases aus dem Zwischenraum ZR zu einem Auslass 151. Dieser ist vorzugsweise stromabwärts hinter der Abgasentnahme 131 in der Abgasleitung angeordnet.
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Mit dem beschriebenen System ist es möglich, die Temperaturverluste im Abgas zwischen Entstehungsort und Abgasbehandlungseinrichtung möglichst gering zu halten, sodass die Behandlung des Abgases möglichst effizient und (nach einem Motorstart) möglichst frühzeitig erfolgen kann. Dazu wird vorteilhafterweise die noch erhöhte Temperatur des bereits gereinigten Abgases ausgenutzt, dessen Wärme ansonsten verloren ginge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015104177 U1 [0002, 0004, 0017]
- DE 102007043944 A1 [0005]
- DE 102008001297 A1 [0018]
- DE 102011053131 A1 [0018]
- DE 102004026705 B4 [0025]
