DE102018112514A1

DE102018112514A1 - Abgaswärmerückgewinnung und Akustikventil

Info

Publication number: DE102018112514A1
Application number: DE102018112514.3A
Authority: DE
Inventors: Joseph E. Callahan
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies USA LLC
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies USA LLC
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-12-13
Also published as: US10584623B2; US20180355778A1; KR20180134767A; KR102114442B1

Abstract

Eine Fahrzeugabgasanlage weist eine Abgasleitung, die einen Abgasströmungsweg bildet, eine mit der Abgasleitung verbundene Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein Umleitventil auf, das eine Abgasströmung zwischen der Abgasleitung und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung steuert. Das Umleitventil ist zwischen zumindest einem Wärmerückgewinnungsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Abgasleitung blockiert und die Strömung in die Wärmerückgewinnungsvorrichtung leitet, einem Vollbypass-Akustikmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung leitet, einem Übergangsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, und einem Teilbypass-Akustikmodus bewegbar, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Abgasanlage leitet von einem Motor erzeugte heiße Abgase zur Emissionsminderung und Geräuschverringerung durch verschiedene Abgasanlagenbauteile. Die in Abgasen enthaltene Wärmeenergie macht fast ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie aus. Ein Abgaswärmerückgewinnungssystem (EHRS (exhaust heat recovery system)) dient dazu, diese Energie auf eine andere Fahrzeugvorrichtung oder auf ein Fluid wie zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit zu übertragen. Das EHRS weist ein Ventil auf, das in einer Abgasanlagenkomponente zur Steuerung der Abgasströmung in einen Wärmetauscher angeordnet ist.
Herkömmliche Abgasanlagen weisen auch Akustikventile auf, die zum Zwecke der Geräuschdämpfung zum Einsatz kommen. Je nach Art der Fahrzeuganwendung sind häufig mehrere Akustikventile erforderlich, um bestimmte Geräuschbereiche wie etwa nieder- und hochfrequente Geräusche abzudecken. Durch die Einbindung mehrerer Ventile zur Geräuschminderung und des EHRS erhöhen sich die Kosten der Abgasanlage deutlich.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Ausführungsbeispiel weist eine Fahrzeugabgasanlage eine Abgasleitung, die einen Abgasströmungsweg bildet, eine mit der Abgasleitung verbundene Wärmerückgewinnungsvorrichtung und ein Umleitventil auf, das eine Abgasströmung zwischen der Abgasleitung und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung steuert. Das Umleitventil ist zwischen zumindest einem Wärmerückgewinnungsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Abgasleitung blockiert und die Strömung in die Wärmerückgewinnungsvorrichtung leitet, einem Vollbypass-Akustikmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung leitet, einem Übergangsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, und einem Teilbypass-Akustikmodus bewegbar, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Vorstehenden umfasst das Umleitventil ein einziges Ventil zur Abgaswärmerückgewinnung und Schalldämpfung.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden ist die Wärmerückgewinnungsvorrichtung parallel zur Abgasleitung angebracht und weist einen Vorrichtungseinlass in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung und einen Vorrichtungsauslass in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung auf, wobei der Vorrichtungsauslass stromabwärts des Vorrichtungseinlasses liegt.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden verbindet ein Zylindergehäuse die Abgasleitung mit dem Vorrichtungsauslass, und wobei das Umleitventil drehbar im Zylindergehäuse gelagert ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden umfasst das Umleitventil einen Ventilkörper, der eine erste Öffnung, eine zur ersten Öffnung entgegengesetzt weisende zweite Öffnung und eine dritte Öffnung aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Öffnung angeordnet ist, und wobei der Ventilkörper einen gekrümmten Abschnitt aufweist, der einer Innenfläche des Zylindergehäuses zugewandt ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden weist das Umleitventil eine äußerste Umfangsfläche auf, die nicht mit einer Innenfläche des Zylindergehäuses in Berührung kommt, wenn sich das Umleitventil im Zylindergehäuse dreht.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden weist die Anlage ferner ein gekrümmtes Ventilgehäuse auf, das die Abgasleitung mit dem Vorrichtungsauslass verbindet, wobei das gekrümmte Gehäuse eine erste Öffnung in Strömungsverbindung mit einem stromaufwärtigen Abschnitt der Abgasleitung, eine zweite Öffnung stromabwärts der ersten Öffnung und in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung und eine dritte Öffnung in Strömungsverbindung mit dem Vorrichtungsauslass aufweist, und wobei das Umleitventil einen Ventilkörper umfasst, der bezüglich des gekrümmten Gehäuses drehbar auf einer Welle gelagert ist, wobei der Ventilkörper einen gekrümmten Abschnitt aufweist, der durch einen Spalt von einer Innenfläche des Zylindergehäuses beabstandet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines der Vorstehenden weist die Anlage ferner eine elektronische Steuereinheit auf, die die Bewegung des Umleitventils zwischen dem Wärmerückgewinnungsmodus, dem Vollbypass-Akustikmodus, dem Übergangsmodus und dem Teilbypass-Akustikmodus steuert.
Ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung einer Abgasströmung durch eine Fahrzeugabgasanlage umfasst Folgendes: eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung wird mit einer Abgasleitung verbunden, und ein Umleitventil zur Steuerung der Abgasströmung zwischen der Abgasleitung und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung wird so angeordnet, dass das Umleitventil zwischen zumindest dem Wärmerückgewinnungsmodus, dem Vollbypass-Akustikmodus, dem Übergangsmodus und dem Teilbypass-Akustikmodus bewegbar ist.
Diese und weitere Merkmale dieser Anmeldung sind am besten aus der folgenden Beschreibung und den folgenden Zeichnungen verständlich, die nachstehend kurz beschrieben werden.
Figurenliste

1A ist eine perspektivische Schnittansicht eines Umleitventils in einem Wärmerückgewinnungsmodus.
1B ist eine Seitenansicht des Umleitventils von 1A.
1C ist eine Auslassendansicht des Umleitventils von 1A.
2A ist eine perspektivische Schnittansicht eines Umleitventils in einem Übergangsmodus.
2B ist eine Seitenansicht des Umleitventils von 2A.
2C ist eine Auslassendansicht des Umleitventils von 2A.
3A ist eine perspektivische Schnittansicht eines Umleitventils in einem Vollbypass-Akustikmodus.
3B ist eine Seitenansicht des Umleitventils von 3A.
3C ist eine Auslassendansicht des Umleitventils von 3A.
4A ist eine perspektivische Schnittansicht eines Umleitventils in einem Teilbypass-Akustikmodus.
4B ist eine Seitenansicht des Umleitventils von 4A.
4C ist eine Auslassendansicht des Umleitventils von 4A.
5 ist eine perspektivische Ansicht des Umleitventils bei abgenommenem Abschlussdeckel des Gehäuses.
6A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Wärmerückgewinnungsmodus.
6B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 6A.
7A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Übergangsmodus.
7B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 7A.
8A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Teilbypass-Akustikmodus.
8B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 8A.
9A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Vollbypass-Akustikmodus.
9B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 9A.
10A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Wärmerückgewinnungsmodus.
10B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 10A.
11A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Übergangsmodus.
11B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 11A.
12A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Teilbypass-Akustikmodus.
12B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 12A.
13A ist eine Seitenansicht eines weiteren Beispiels eines Umleitventils in einem Vollbypass-Akustikmodus.
13B ist eine Einlassendansicht des Umleitventils von 13A.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1 ist ein Teil einer Fahrzeugabgasanlage 10 gezeigt, die von einem Motor erzeugte heiße Abgase durch verschiedene Abgasanlagenkomponenten leitet, um, wie bekannt ist, den Schadstoffausstoß zu vermindern und Geräusche zu verringern. Zu den verschiedenen Abgasanlagenkomponenten können eine oder mehrere der folgenden gehören: Leitungen, Filter, Ventile, Katalysatoren, Auspuffschalldämpfer etc. Nach Durchlaufen der verschiedenen Abgasanlagenbauteile tritt das Motorabgas wie bekannt aus der Anlage 10 in die Atmosphäre aus.
Bei einer beispielhaften Ausführung, die in 1 gezeigt ist, weist die Fahrzeugabgasanlage eine Abgasleitung 12, die einen Abgasströmungsweg bildet, und eine mit der Abgasleitung 12 verbundene Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 auf. Bei einem Beispiel umfasst die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 einen Wärmetauscher mit mehreren Wärmeübertragungslamellen oder -platten 16. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 weist einen Vorrichtungseinlass 18 in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung 12 und einen Vorrichtungsauslass 20 in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung 12 stromabwärts des Vorrichtungseinlasses 18 auf. Bei einem Beispiel liegt die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 parallel zur Abgasleitung 12, um eine Bypass-Anordnung zu schaffen.
Die Fahrzeugabgasanlage 10 weist ferner ein Umleitventil 22 auf, das die Abgasströmung zwischen der Abgasleitung 12 und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 steuert. Das Umleitventil 22 ist zwischen zumindest einem Wärmerückgewinnungsmodus, bei dem das Umleitventil 22 die Strömung durch die Abgasleitung 12 blockiert und die Strömung in die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 leitet (1A-1C), einem Übergangsmodus, bei dem das Umleitventil 22 die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung 12 teilweise blockiert ( 2A-2C), und einem Teilbypass-Akustikmodus, bei dem das Umleitventil 22 die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert (3A-3C), und einem Vollbypass-Akustikmodus bewegbar, bei dem das Umleitventil 22 die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung leitet (4A-4C).
Das vorliegende Umleitventil 22 umfasst ein einziges Ventil, das sowohl zur Abgaswärmerückgewinnung als auch zur Schalldämpfung eingesetzt wird. Das Ventil 22 bietet eine einfache duale Ventilfunktion für die Abgaswärmerückgewinnung (Wärmerückgewinnungsmodus oder Vollbypass-Modus) sowie eine variable Ventilfunktion zur Schalldrosselung. Das Umleitventil 22 ist am Vorrichtungsauslass 20 angebracht. Das Ventil 22 ist so ausgebildet, dass eine äußerste Umfangsfläche des Ventils 22 mit keiner Innenwandfläche in der Abgasleitung 12 oder der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 in Berührung kommt. Von daher kommt es stets zu jeder Zeit zu einer gewissen Vermischung der Strömung durch den Vorrichtungsauslass 20 der Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 und die Abgasleitung 12.
In dem in den 1A-5 gezeigten Beispiel weist die Abgasanlage 10 ein Zylindergehäuse 24 auf, das den Vorrichtungsauslass 20 mit der Abgasleitung 12 verbindet. Die Abgasleitung 12 hat ein stromaufwärtiges Ende 26 und ein stromabwärtiges Ende 28. Das Zylindergehäuse 24 ist zwischen dem stromaufwärtigen Ende 26 und dem stromabwärtigen Ende 28 mit der Abgasleitung 12 verbunden. Das Zylindergehäuse 24 weist einen mit der Abgasleitung 12 verbundenen Gehäuseeinlass 30 und einen mit der Abgasleitung 12 verbundenen Gehäuseauslass 32 auf. Der Gehäuseauslass 32 befindet sich bezüglich des Vorrichtungsauslasses 20 stromabwärts. Ferner weist das Zylindergehäuse 24 einen zweiten Gehäuseeinlass 34 auf, der mit dem Vorrichtungsauslass 20 verbunden ist.
Wie in 5 gezeigt, ist das Umleitventil 22 im Zylindergehäuse 24 drehbar gelagert. Das Ventil 22 ist so angebracht, dass es sich mit einer Welle 36 bewegt, die an einem Lager 38 gelagert ist. Die Welle 36 ist zur Drehung des Ventils 22 zwischen den verschiedenen Funktionsstellungen eingerichtet. Die Welle 36 ist mit einem Ventilantrieb 40 wie etwa einem Motor, einem Magnetantrieb etc. gekoppelt, der die Drehung der Welle 36 aktiv steuert. Eine elektronische Steuereinheit 42 erzeugt Signale zur Steuerung des Ventilantriebs 40.
Wie in 1A-4C gezeigt, umfasst das Umleitventil 22 einen Ventilkörper 50 mit einer ersten Öffnung 52, einer zur ersten Öffnung 52 entgegengesetzt gerichteten zweiten Öffnung 54 und einer dritten Öffnung 56, die zwischen der ersten Öffnung 52 und der zweiten Öffnung 54 angeordnet ist. Der Ventilkörper 50 weist einen gekrümmten Abschnitt 58 auf, der einer Innenfläche 60 des Zylindergehäuses 24 zugewandt ist. Im gezeigten Beispiel weist der gekrümmte Abschnitt 58 von der dritten Öffnung 56 weg. Ferner hat bei einem Beispiel die erste Öffnung 52 zur Verbesserung der Strömungseigenschaften durch den Ventilkörper 50 eine vergrößerte Fläche und einen sich verjüngenden Einlass.
In 1A-1C ist das Umleitventil 22 im Wärmerückgewinnungsmodus gezeigt, bei dem im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom, der in das stromaufwärtige Ende 26 der Abgasleitung 12 eintritt, in den Vorrichtungseinlass 18 geleitet wird. In diesem Betriebsmodus blockiert der gekrümmte Abschnitt 58 die Strömung durch die Abgasleitung 12, ist die erste Öffnung 52 vom Zylindergehäuse 24 versperrt, ist die zweite Öffnung 54 strömungsmäßig mit dem Vorrichtungsauslass 20 verbunden und leitet die dritte Öffnung 56 die Strömung vom Vorrichtungsauslass 20 zurück in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12. Die ganz außen liegende Oberfläche des gekrümmten Abschnitts 58 ist von der Innenfläche 60 des Zylindergehäuses 24 über einen kleinen Spalt beabstandet, d.h. der gekrümmte Abschnitt gelangt mit dem Gehäuse 24 nicht in Berührung. Von daher strömt eine geringe Menge Abgas um den gekrümmten Abschnitt 58 herum und vermischt sich mit aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretendem Abgas; wie in 1C gezeigt, ist der Ventilkörper 50 jedoch so ausgebildet, dass der Strömungsweg durch die Abgasleitung im Wesentlichen versperrt ist, um den vollen Wärmerückgewinnungsmodus zu erzielen.
In 2A-2C ist das Umleitventil 22 im Übergangsmodus gezeigt, bei dem durch die Abgasleitung 12 strömendes Abgas sich mit aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretendem Abgas vermischt, wie in 2B bei 62 angedeutet. In diesem Modus blockiert der gekrümmte Abschnitt 58 die Strömung am Vorrichtungsauslass 20 teilweise und die Strömung durch die Abgasleitung 12 teilweise, nimmt die erste Öffnung 52 eine Teilströmung von der Abgasleitung 12 auf, nimmt die zweite Öffnung 54 eine Teilströmung vom Vorrichtungsauslass 20 auf und leitet die dritte Öffnung 56 die Strömung aus der ersten Öffnung 52 und der zweiten Öffnung 54 in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12. Wie in 2C gezeigt, strömt im Übergangsmodus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 64 angedeutet.
In 3A-3C ist das Umleitventil 22 im Vollbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem Abgas die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 so umgeht, dass im Wesentlichen das gesamte Abgas vom stromaufwärtigen Ende 26 zum stromabwärtigen Ende 28 durch die Abgasleitung 12 strömt. In diesem Modus blockiert der gekrümmte Abschnitt 58 die Strömung am Vorrichtungsauslass 20, nimmt die erste Öffnung 52 die Strömung vom stromaufwärtigen Ende 26 der Abgasleitung 12 auf, leitet die zweite Öffnung 54 die Strömung von der ersten Öffnung 52 in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12 und ist die dritte Öffnung 56 vom Zylindergehäuse 24 versperrt. Wie in 3C gezeigt, blockiert in diesem Modus der Ventilkörper 50 die Strömung durch die Abgasleitung 12 nicht.
In 4A-4C ist das Umleitventil 22 im Teilbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 vollständig blockiert ist, während die Strömung durch die Abgasleitung 12 nur teilweise blockiert ist. In diesem Modus blockiert der gekrümmte Abschnitt 58 die Strömung vom Vorrichtungsauslass 20 und blockiert die Strömung durch die Abgasleitung 12 teilweise, nimmt die erste Öffnung 52 die Strömung aus der Abgasleitung 12 auf, nimmt die dritte Öffnung 56 die Strömung aus der Abgasleitung 12 auf und leitet die zweite Öffnung 54 die Strömung von der ersten Öffnung 52 und der dritten Öffnung 56 in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12. Wie in 4C gezeigt, strömt im Teilbypass-Modus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 66 angedeutet. Bei dem gezeigten Beispiel umgeht in diesem Akustikmodus etwa 10% des Abgasstroms die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14; die Stellung des gekrümmten Abschnitts 58 kann jedoch so verstellt werden, dass dieser Prozentsatz erhöht oder verringert wird, um eine gewünschte Schalldrosselung zu erzielen.
Wie am besten in den 1A, 2A, 3A, 4A und 5 gezeigt ist, umfasst das Zylindergehäuse 24 ein rundes Gehäuse, das den Ventilkörper 50 im Inneren umschließt. In diesen Figuren ist das Gehäuse 24 mit einem abgenommenen Seitenabdeckungsabschnitt gezeigt, derart, dass der Ventilkörper 50 in den verschiedenen Betriebsstellungen zu sehen ist. Bei einem Beispiel umfasst der Ventilkörper 50 einen einteiligen Körper mit einem T-förmigen Abschnitt, der die erste, die zweite und die dritte Öffnung 52, 54, 56 aufweist. Der gekrümmte Abschnitt 58 ist so positioniert, dass er den Kopfabschnitt der T-Form abrundet. Der gekrümmte Abschnitt 58 ist ferner in einem Mittelbereich ausgehöhlt, um das Gewicht des Ventilkörpers 50 zu verringern. Wie oben erläutert, ist der Ventilkörper 50 mit der Welle 56 zwischen den verschiedenen Funktionsstellungen drehbar im Zylindergehäuse 24 gelagert.
In den 6A-9B ist eine weitere beispielhafte Ausführung eines Umleitventils 70 gezeigt. Diese Ausführung funktioniert ähnlich wie das oben beschriebene Umleitventil 22, hat aber eine andere Ventilkörpergestaltung. Ferner weist diese Ausführung eine polygonale, d.h. mehrseitige Form für die Abgasleitung 12 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel verbindet ein gekrümmtes bzw. Fassventilgehäuse 72 die Abgasleitung 12 mit dem Vorrichtungsauslass 20. Das Gehäuse 72 weist eine erste Öffnung 74 in Strömungsverbindung mit einem stromaufwärtigen Ende 26 der Abgasleitung 12, eine zweite Öffnung 76 stromabwärts der ersten Öffnung 74 und in Strömungsverbindung mit dem stromabwärtigen Ende 28 der Abgasleitung 12 und eine dritte Öffnung 78 in Strömungsverbindung mit dem Vorrichtungsauslass 20 auf. Bei einer beispielhaften Ausführung sind die erste Öffnung 74 und die zweite Öffnung 76 um 180° voneinander beabstandet, während die dritte Öffnung 78 um etwa 90° von der ersten und der zweiten Öffnung 74, 76 beabstandet ist.
Das Umleitventil 70 umfasst einen Ventilkörper 80, der in Bezug auf das Gehäuse 72 drehbar an einer Welle 82 gelagert ist. Der Ventilkörper 80 weist einen gekrümmten Abschnitt 84 auf, der durch einen Spalt 88 von einer Innenfläche 86 des Gehäuses 72 beabstandet ist. Der gekrümmte Abschnitt 84 weist bei dieser Ausführung eine halbkugelförmige Gestalt auf. Der Ventilkörper 80 weist ferner einen schmaler werdenden Abschnitt 90 auf, der sich von entgegengesetzten Umfangsrändern des gekrümmten Abschnitts 84 zu einer Montageschnittstelle zur Welle 82 radial nach innen erstreckt.
In den 6A-6B ist das Umleitventil 70 im Wärmerückgewinnungsmodus gezeigt, bei dem im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom, der in das stromaufwärtige Ende 26 der Abgasleitung 12 eintritt, in den Vorrichtungseinlass 18 geleitet wird. In diesem Betriebsmodus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 die erste Öffnung 74, wird die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 geleitet, tritt die Strömung aus dem Vorrichtungsauslass 20 aus und strömt durch die dritte Öffnung 78 und tritt die Strömung über die zweite Öffnung 76 aus dem Gehäuse 72 aus und kehrt zum stromabwärtigen Ende 28 der Abgasleitung 12 zurück. Wie in 6B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, wird die Strömung durch die Abgasleitung 12 im Wesentlichen vom Ventilkörper 80 blockiert. Aufgrund des Spaltes 88 umgeht jedoch eine geringe Menge Abgas den Körper 80 und vermischt sich mit dem aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretenden Abgas.
In 7A-7B ist das Umleitventil 70 im Übergangsmodus gezeigt, bei dem durch die Abgasleitung 12 strömendes Abgas sich mit aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretendem Abgas vermischt, wie in 7A bei 92 angedeutet. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 teilweise die erste Öffnung 74, versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 teilweise die dritte Öffnung 78 und wird die Strömung, die von der ersten und der dritten Öffnung 74, 78 in das Gehäuse 72 eintritt, durch die zweite Öffnung 76 und in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12 geleitet. Wie in 7B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, strömt im Übergangsmodus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 94 angedeutet.
In 8A-8B ist das Umleitventil 70 im Teilbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 vollständig blockiert ist, während die Strömung durch die Abgasleitung 12 nur teilweise blockiert ist. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 die dritte Öffnung 78 am Vorrichtungsauslass 20, versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 teilweise die zweite Öffnung 76, und strömt Abgas von der ersten Öffnung 74 zur zweiten Öffnung 76 durch das Gehäuse 72 und in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12. Wie in 8B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, strömt im Teilbypass-Modus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 96 angedeutet. Bei dem gezeigten Beispiel umgeht in diesem Akustikmodus etwa 10% des Abgasstroms die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14; die Stellung des gekrümmten Abschnitts 84 kann jedoch so verstellt werden, dass dieser Prozentsatz erhöht oder verringert wird, um eine gewünschte Schalldrosselung zu erzielen.
In 9A-9B ist das Umleitventil 70 im Vollbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem Abgas die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 so umgeht, dass im Wesentlichen sämtliches Abgas vom stromaufwärtigen Ende 26 zum stromabwärtigen Ende 28 durch die Abgasleitung 12 strömt. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84 die dritte Öffnung 78 am Vorrichtungsauslass 20 und strömt Abgas von der ersten Öffnung 74 zur zweiten Öffnung durch das Gehäuse 72 und umgeht die Wärmerückgewinnungsvorrichtung. Wie in 9B vom Einlassende aus betrachtet gezeigt, blockiert in diesem Modus der Ventilkörper 80 die Strömung durch die Abgasleitung 12 nicht.
In den 10A-13B ist eine weitere beispielhafte Ausführung eines Umleitventils 70' gezeigt. Diese Ausführung funktioniert ähnlich wie das oben beschriebene Umleitventil 70, hat aber eine andere Ventilkörpergestaltung. Ferner weist diese Ausführung anstatt einer polygonalen Leitung eine runde Leitung 12 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel verbindet ein gekrümmtes bzw. Fassventilgehäuse 72' die Abgasleitung 12 mit dem Vorrichtungsauslass 20. Das Gehäuse 72' weist eine erste Öffnung 74' in Strömungsverbindung mit einem stromaufwärtigen Ende 26 der Abgasleitung 12, eine zweite Öffnung 76' stromabwärts der ersten Öffnung 74' und in Strömungsverbindung mit dem stromabwärtigen Ende 28 der Abgasleitung 12 sowie eine dritte Öffnung 78' in Strömungsverbindung mit dem Vorrichtungsauslass 20 auf. Bei einer beispielhaften Ausführung sind die erste Öffnung 74' und die zweite Öffnung 76' um 180° voneinander beabstandet, während die dritte Öffnung 78' um nur etwa 45° von der ersten Öffnung 74' beabstandet ist.
Das Umleitventil 70' umfasst einen Ventilkörper 80', der bezüglich des Gehäuses 72' drehbar an einer Welle 82' gelagert ist. Der Ventilkörper 80' weist einen gekrümmten Abschnitt 84' auf, der durch einen Spalt 88' von einer Innenfläche 86' des Gehäuses 72' beabstandet ist. Der gekrümmte Abschnitt 84' weist bei dieser Ausführung eine Torten- oder Keilform auf. Der gekrümmte Abschnitt 84' geht radial einwärts in einen Scheitelbereich 90' an einer Montageschnittstelle zur Welle 82' über.
In den 10A-10B ist das Umleitventil 70' im Wärmerückgewinnungsmodus gezeigt, bei dem im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom, der in das stromaufwärtige Ende 26 der Abgasleitung 12 eintritt, in den Vorrichtungseinlass 18 geleitet wird. In diesem Betriebsmodus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' die erste Öffnung 74', wird die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 geleitet, tritt die Strömung aus dem Vorrichtungsauslass 20 aus und strömt durch die dritte Öffnung 78' und tritt die Strömung über die zweite Öffnung 76' aus dem Gehäuse 72' aus und kehrt zum stromabwärtigen Ende 28 der Abgasleitung 12 zurück. Wie in 10B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, wird die Strömung durch die Abgasleitung 12 im Wesentlichen vom Ventilkörper 80' blockiert. Aufgrund des Spaltes 88' umgeht jedoch eine geringe Menge Abgas den Körper 80' und vermischt sich mit dem aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretenden Abgas.
In 11A-11B ist das Umleitventil 70' im Übergangsmodus gezeigt, bei dem durch die Abgasleitung 12 strömendes Abgas sich mit aus dem Vorrichtungsauslass 20 austretendem Abgas vermischt, wie in 11A bei 92' angedeutet. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' teilweise die erste Öffnung 74', versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' teilweise die dritte Öffnung 78' und wird die Strömung, die von der ersten und der dritten Öffnung 74', 78' in das Gehäuse 72' eintritt, durch die zweite Öffnung 76' und in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12 geleitet. Wie in 11B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, strömt im Übergangsmodus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 94' angedeutet.
In 12A-12B ist das Umleitventil 70' im Teilbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 vollständig blockiert ist, während die Strömung durch die Abgasleitung 12 nur teilweise blockiert ist. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' die dritte Öffnung 78' am Vorrichtungsauslass 20, versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' teilweise die erste Öffnung 74', und strömt Abgas von der ersten Öffnung 74' zur zweiten Öffnung 76' durch das Gehäuse 72' und in das stromabwärtige Ende 28 der Abgasleitung 12. Wie in 12B gezeigt und wie vom Einlassende aus betrachtet, strömt im Teilbypass-Modus eine geringe Menge Abgas direkt durch die Abgasleitung 12, wie bei 96' angedeutet. Bei dem gezeigten Beispiel umgeht in diesem Akustikmodus etwa 10% des Abgasstroms die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14; die Stellung des gekrümmten Abschnitts 84' kann jedoch so verstellt werden, dass dieser Prozentsatz erhöht oder verringert wird, um eine gewünschte Schalldrosselung zu erzielen.
In 13A-13B ist das Umleitventil 70' im Vollbypass-Akustikmodus gezeigt, bei dem Abgas die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14 so umgeht, dass im Wesentlichen sämtliches Abgas vom stromaufwärtigen Ende 26 zum stromabwärtigen Ende 28 durch die Abgasleitung 12 strömt. In diesem Modus versperrt der gekrümmte Abschnitt 84' die dritte Öffnung 78' am Vorrichtungsauslass 20 und strömt Abgas von der ersten Öffnung 74' zur zweiten Öffnung durch das Gehäuse 72' und umgeht die Wärmerückgewinnungsvorrichtung 14. Wie in 13B vom Einlassende aus betrachtet gezeigt, blockiert in diesem Modus der Ventilkörper 80' die Strömung durch die Abgasleitung 12 nicht.
Bei jedem der Beispiele weist die Außenumfangsfläche des abgerundeten/ gekrümmten Abschnitts des Ventilkörpers eine Umfangslänge auf, die größer als eine Breite der Öffnungen an den Einlässen in das Ventilgehäuse ist. So kann der Ventilkörper in eine Position gedreht werden, in der der abgerundete Abschnitt jede Einlassöffnung vollständig abdecken kann, und kann auch in eine Position gedreht werden, in der der abgerundete Abschnitt jede Öffnung gleichzeitig teilweise abdeckt, um eine erwünschte akustische Wirkung zu erzielen.
Ferner kann, indem beide Durchlässe geringfügig geöffnet sind, mit einem sehr hohen Massendurchsatz während der Erlangung von durch Wärme rückgewonnener Leistung ein niedriger Gegendruck aufrechterhalten werden. Des Weiteren kann die Wärmerückgewinnungsvorrichtung als zusätzliches akustisches Element dienen, und die Gastemperatur ist geringer, was zu einem verringerten Auspuffendrohrgeräusch führt. Außerdem werden während der Übergangsbewegung Druckspitzen minimiert, da keiner der beiden Einlasskanäle in das Ventilgehäuse jemals vollständig geschlossen ist.
Es ist zwar eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart worden, ein Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, dass bestimmte Abänderungen unter den Umfang dieser Erfindung fallen würden. Aus diesem Grund sollten die nachstehenden Ansprüche studiert werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Erfindung festzustellen.

Claims

Fahrzeugabgaskomponente mit: einer Abgasleitung, die einen Abgasströmungsweg bildet, einer mit der Abgasleitung verbundenen Wärmerückgewinnungsvorrichtung und einem Umleitventil, das eine Abgasströmung zwischen der Abgasleitung und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung steuert, wobei das Umleitventil zwischen zumindest einem Wärmerückgewinnungsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Abgasleitung blockiert und die Strömung in die Wärmerückgewinnungsvorrichtung leitet, einem Vollbypass-Akustikmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung leitet, einem Übergangsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, und einem Teilbypass-Akustikmodus bewegbar ist, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 1, bei der das Umleitventil ein einziges Ventil zur Abgaswärmerückgewinnung und Schalldämpfung umfasst.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 1, bei der die Wärmerückgewinnungsvorrichtung parallel zur Abgasleitung angebracht ist und einen Vorrichtungseinlass in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung und einen Vorrichtungsauslass in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung aufweist, wobei der Vorrichtungsauslass stromabwärts des Vorrichtungseinlasses liegt.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 3, bei der das Umleitventil am Vorrichtungsauslass angebracht ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 3, die ein Zylindergehäuse aufweist, das die Abgasleitung mit dem Vorrichtungsauslass verbindet, und wobei das Umleitventil drehbar im Zylindergehäuse gelagert ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 5, bei der das Umleitventil einen Ventilkörper umfasst, der eine erste Öffnung, eine zur ersten Öffnung entgegengesetzt weisende zweite Öffnung und eine dritte Öffnung aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Öffnung angeordnet ist, und wobei der Ventilkörper einen gekrümmten Abschnitt aufweist, der einer Innenfläche des Zylindergehäuses zugewandt ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 6, bei der der gekrümmte Abschnitt zur dritten Öffnung entgegengesetzt gewandt ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 7, bei der im Wärmerückgewinnungsmodus: der gekrümmte Abschnitt die Strömung durch die Abgasleitung blockiert, die erste Öffnung vom Zylindergehäuse versperrt ist, die zweite Öffnung strömungsmäßig mit dem Vorrichtungsauslass verbunden ist und die dritte Öffnung die Strömung vom Vorrichtungsauslass stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung zurück in die Abgasleitung leitet.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 7, bei der im Vollbypass-Akustikmodus: der gekrümmte Abschnitt die Strömung vom Vorrichtungsauslass blockiert, die erste Öffnung die Strömung von der Abgasleitung aufnimmt, die zweite Öffnung die Strömung von der ersten Öffnung stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in die Abgasleitung leitet und die dritte Öffnung vom Zylindergehäuse versperrt ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 7, bei der im Übergangsmodus: der gekrümmte Abschnitt die Strömung am Vorrichtungsauslass teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, die erste Öffnung eine Teilströmung von der Abgasleitung aufnimmt, die zweite Öffnung eine Teilströmung vom Vorrichtungsauslass aufnimmt und die dritte Öffnung eine Strömung von der ersten und der zweiten Öffnung in die Abgasleitung stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung leitet.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 7, bei der im Teilbypass-Akustikmodus: der gekrümmte Abschnitt die Strömung vom Vorrichtungsauslass blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, die erste Öffnung die Strömung von der Abgasleitung aufnimmt, die dritte Öffnung die Strömung von der Abgasleitung aufnimmt und die zweite Öffnung die Strömung von der ersten und der dritten Öffnung stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in die Abgasleitung leitet.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 5, bei der das Umleitventil eine äußerste Umfangsfläche aufweist, die nicht mit einer Innenfläche des Zylindergehäuses in Berührung kommt, wenn sich das Umleitventil im Zylindergehäuse dreht.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 4, die ein gekrümmtes Ventilgehäuse aufweist, das die Abgasleitung mit dem Vorrichtungsauslass verbindet, wobei das gekrümmte Ventilgehäuse eine erste Öffnung in Strömungsverbindung mit einem stromaufwärtigen Abschnitt der Abgasleitung, eine zweite Öffnung stromabwärts der ersten Öffnung und in Strömungsverbindung mit der Abgasleitung und eine dritte Öffnung in Strömungsverbindung mit dem Vorrichtungsauslass aufweist, und wobei das Umleitventil einen Ventilkörper umfasst, der bezüglich des gekrümmten Ventilgehäuses drehbar auf einer Welle gelagert ist, wobei der Ventilkörper einen gekrümmten Abschnitt aufweist, der durch einen Spalt von einer Innenfläche des gekrümmten Ventilgehäuses beabstandet ist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 13, bei der der gekrümmte Abschnitt eine halbkugelförmige Gestalt oder eine Keilform aufweist.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 13, bei der im Wärmerückgewinnungsmodus: der gekrümmte Abschnitt die erste Öffnung versperrt, die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung geleitet wird, die Strömung aus dem Vorrichtungsauslass austritt und durch die dritte Öffnung strömt und die Strömung über die zweite Öffnung aus dem Gehäuse austritt und zur Abgasleitung zurückkehrt.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 13, bei der im Volibypass-Akustikmodus: der gekrümmte Abschnitt die dritte Öffnung am Vorrichtungsauslass versperrt und Abgas von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung durch das Gehäuse strömt und die Wärmerückgewinnungsvorrichtung umgeht.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 13, bei der im Übergangsmodus: der gekrümmte Abschnitt die erste Öffnung teilweise versperrt, der gekrümmte Abschnitt die dritte Öffnung teilweise versperrt und die Strömung, die von der ersten und der dritten Öffnung in das Gehäuse eintritt, durch die zweite Öffnung stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in die Abgasleitung geleitet wird.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 13, bei der im Teilbypass-Akustikmodus: der gekrümmte Abschnitt die dritte Öffnung am Vorrichtungsauslass versperrt, der gekrümmte Abschnitt die zweite Öffnung teilweise versperrt und Abgas von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung durch das Gehäuse und stromabwärts der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in die Abgasleitung strömt.
Fahrzeugabgaskomponente nach Anspruch 1, die eine elektronische Steuereinheit aufweist, die die Bewegung des Umleitventils zwischen dem Wärmerückgewinnungsmodus, dem Vollbypass-Akustikmodus, dem Übergangsmodus und dem Teilbypass-Akustikmodus steuert.
Verfahren zur Steuerung einer Abgasströmung durch eine Fahrzeugabgasanlage, bei dem: eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung mit einer Abgasleitung verbunden wird und ein Umleitventil zur Steuerung der Abgasströmung zwischen der Abgasleitung und der Wärmerückgewinnungsvorrichtung so angeordnet wird, dass das Umleitventil zwischen zumindest einem Wärmerückgewinnungsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Abgasleitung blockiert und die Strömung in die Wärmerückgewinnungsvorrichtung leitet, einem Vollbypass-Akustikmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung leitet, einem Übergangsmodus, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung teilweise blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert, und einem Teilbypass-Akustikmodus bewegbar ist, bei dem das Umleitventil die Strömung durch die Wärmerückgewinnungsvorrichtung blockiert und die Strömung durch die Abgasleitung teilweise blockiert.