DE102019206877A1

DE102019206877A1 - Anordnung mit Brennkraftmaschine und Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102019206877A1
Application number: DE102019206877.4A
Authority: DE
Inventors: Richard Brümmer; Klaus Irmler; Falk Schneider
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (1) mit einer Brennkraftmaschine (2) sowie einem Wärmeübertrager (4) zum Kühlen von Abgas der Brennkraftmaschine (2). Eine kostengünstige Herstellung sowie eine erhöhte Beständigkeit der Anordnung (1), insbesondere des Wärmeübertragers (4), werden dadurch erreicht, dass ein stromauf eines Kanalsystems (20) des Wärmeübertragers (4) angeordneter Kühlgasauslass (25) in das Abgas ein Kühlgas (26) beimischt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine sowie einem Wärmeübertrager zum Kühlen von in der Brennkraftmaschine entstehendem Abgas.
Im Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht Abgas, das gewöhnlich über eine Abgasanlage abgeführt wird. Das Abgas weist hohe Temperaturen auf, welche üblicherweise mit Hilfe eines Wärmeübertragers reduziert werden, der in der Abgasanlage eingebunden ist. Derartige Wärmeübertrager weisen in der Regel ein Kanalsystem auf, das einerseits vom Abgas und andererseits, vom Abgas fluidisch getrennt und mit dem Abgas wärmeübertragend verbunden, von einem Kühlmittel durchströmt ist. Im Betrieb nimmt das Kühlmittel Wärme vom Abgas auf und kühlt somit das Abgas. Der Wärmeübertrager und insbesondere das Kanalsystem sind somit hohen Abgastemperaturen ausgesetzt und sind derart ausgebildet, insbesondere aus derartigen Materialien hergestellt, dass sie den Abgastemperaturen und chemischen Belastungen durch das Abgas standhalten.
Die Entwicklung energieeffizienterer Brennkraftmaschinen und/oder erhöhte Anforderungen an die Umweltverträglichkeit führen, insbesondere auch durch den Einsatz neuer Brennstoffe oder veränderter Brennverfahren, dazu, dass das in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas erhöhte Temperaturen aufweist. Auch abhängig von dem in der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommenden Brennstoff kann das Abgas unterschiedliche Temperaturen aufweisen, so dass für unterschiedliche Brennstoffe entsprechende Anpassungen des Wärmeübertragers, insbesondere hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung, notwendig sind. Bei steigenden Abgastemperaturen im Bereich des Wärmeübertragers sind insbesondere hochwertigere Materialien notwendig, welche die Herstellungskosten des Wärmeübertragers erhöhen. Ohne eine derartige Anpassung der Materialien wäre eine Lebensdauer des Wärmeübertragers reduziert, so dass der Wärmeübertrager und eine Anordnung mit dem Wärmeübertrager und der Brennkraftmaschine anfälliger sind, insbesondere eine reduzierte Lebensdauer haben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine sowie einem Wärmeübertrager zum Kühlen von Abgas der Brennkraftmaschine eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kostengünstige Herstellung und/oder verbesserte Beständigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem Wärmeübertrager zum Kühlen von Abgas der Brennkraftmaschine, dem Abgas stromauf des Wärmeübertragers ein Kühlgas beizumischen, so dass die Temperaturen des Abgases beim Erreichen des Wärmeübertragers reduziert werden. Die reduzierte Temperatur des Abgases führt einerseits dazu, dass der Wärmeübertrager aus günstigeren Materialien hergestellt werden kann, so dass die Herstellungskosten des Wärmeübertragers an sich und der Anordnung im Gesamten reduziert sind. Zudem führt die reduzierte Temperatur des Abgases dazu, dass durch das Abgas bedingte Beschädigungen des Wärmeübertragers reduziert sind, so dass der Wärmeübertrager sowie die Anordnung eine erhöhte Beständigkeit aufweisen. Insbesondere erlaubt es der erfindungsgemäße Gedanke, durch eine bedarfsgerechte Kühlung des Abgases vor dem Wärmeübertrager den gleichen Wärmeübertrager in Anordnungen einzusetzen, in welchen Brennkraftmaschinen mit unterschiedlichen Arten von Brennstoffen betrieben sind.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Anordnung neben der Brennkraftmaschine und dem Wärmeübertrager eine Abgasanlage auf, welche dem Abführen des Abgases der Brennkraftmaschine dient und durch welche ein Abgaspfad des Abgases führt. Der Wärmeübertrager weist ein Kanalsystem auf, das im Betrieb einerseits vom Abgas und andererseits von einem Kühlmittel durchströmt ist, wobei das Kühlmittel Wärme vom Abgas aufnimmt und das Abgas somit kühlt. Das Kanalsystem weist zumindest einen Abgaskanal auf, durch den der Abgaspfad führt. Das Kanalsystem weist zu diesem Zweck zumindest einen Abgaskanal auf, durch den der Abgaspfad führt. Zudem weist das Kanalsystem zumindest einen Kühlmittelkanal auf, durch welchen ein Kühlmittelpfad des Kühlmittels, vom Abgaspfad fluidisch getrennt und wärmeübertragend mit dem Abgaspfad verbunden, führt. Erfindungsgemäß ist stromauf des Kanalsystems ein in den Abgaspfad mündender Kühlgasauslass zum Auslassen des Kühlgases in den Abgaspfad vorgesehen, durch den im Betrieb ein Kühlgas zum Kühlen des Abgases bedarfsgerecht beigemischt wird.
Die Anordnung kann prinzipiell in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen.
Die Anordnung kann beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Lastkraftwagens, sein. Im Kraftfahrzeug kommt die Brennkraftmaschine beispielsweise zum Antreiben des Kraftfahrzeugs zum Einsatz.
Das Kühlgas kann zumindest teilweise Frischluft mit oder ohne Wasseranteil sein, die aus der Umgebung der Anordnung stammt.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Anordnung eine Frischluftanlage zur Versorgung der Brennkraftmaschine und/oder anderer Komponenten des zugehörigen Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Fahrzeuginnenraums, mit Frischluft aufweist, wobei ein Frischluftkanal den Kühlgasauslass fluidisch mit der Frischluftanlage verbindet, so dass Frischluft durch den Kühlgasauslass in den Abgaspfad strömt. Das Kühlgas ist in diesem Fall also Frischluft aus der Frischluftanlage oder enthält zumindest Frischluft aus der Frischluftanlage.
Vorteilhaft weist die Anordnung ferner eine Fördereinrichtung auf, die im Betrieb Frischluft durch den Frischluftkanal fördert und nachfolgend auch als Frischluft-Fördereinrichtung bezeichnet wird. Mit der Frischluft-Fördereinrichtung erfolgt im Betrieb eine Erhöhung des Drucks in der Frischluft, derart, dass diese stromauf des Kanalsystems dem Abgaspfad zugeführt und dem Abgas beigemischt wird.
Grundsätzlich kann die Frischluft-Fördereinrichtung eine solche sein, die gesondert für die Förderung der Frischluft durch den Kühlgasauslass vorgesehen ist. Bevorzugt ist es, wenn die Frischluft-Fördereinrichtung eine solche ist, die in der Anordnung auch anderweitig zum Einsatz kommt. Insbesondere kann die Frischluft-Fördereinrichtung ein Verdichter eines Abgasturboladers der Anordnung sein, der vom Abgas angetrieben ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Frischluft-Fördereinrichtung ein Kompressor sein, der beispielsweise auch einer Bremsanlage eines zugehörigen Kraftfahrzeugs Druckluft bereitstellt.
Das Beimischen des Kühlgases zum Abgas stromauf des Wärmeübertragers erfolgt zweckmäßig bedarfsweise, das heißt, wenn eine Kühlung des Abgases stromauf des Wärmeübertragers notwendig und/oder erwünscht ist. Zu diesem Zweck weist die Anordnung eine entsprechende Einrichtung auf.
Vorteilhaft sind Varianten, bei denen die Anordnung eine Ventileinrichtung aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass sie eine Einstellung und/oder Regelung des Massenstroms durch den Kühlgasauslass erlaubt. Die Ventileinrichtung ist dabei vorteilhaft stromauf des Kühlgasauslasses angeordnet. Mit der Ventileinrichtung erfolgt also ein bedarfsgerechtes Beimischen des Kühlgases zum Abgas. Die Anordnung kann zudem eine Steuereinrichtung aufweist, welche die Ventileinrichtung entsprechend betreibt.
Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen dem Abgaspfad über den Kühlgasauslass zumindest teilweise Abgas als Kühlgas beigemischt wird. Dies hat zur Folge, dass das Kühlgas eine reduzierte Senkung der Temperatur im Abgaspfad stromauf des Kanalsystems zur Folge hat, weil die Temperatur des Kühlgases in der Regel unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Bei gleicher Zieltemperatur erhöht sich also der Gesamtmassenstrom im Abgaspfad des Kanalsystems. Somit nimmt das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Kanalsystems mehr thermische Energie auf, so dass die Effizienz der Wärmeübertragung auf das Kühlmedium erhöht ist. Diese verbesserte Wärmeübertragung kann dadurch erreicht werden, dass das Abgas stromab des Kanalsystems entnommen wird, so dass ein Teil des Abgases das Kanalsystem mehrmals passiert. Zudem weist das somit entnommene und rückgeführte Abgas eine niedrigere Temperatur auf, als das Abgas stromauf des Kanalsystems. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Kühlmittel nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers die aufgenommene thermische Energie abgibt, wobei diese Energie in der Anordnung anderweitig eingesetzt wird, also insbesondere wenn der Wärmeübertrager über den Kühlmittelpfad in einer Einrichtung zum Gewinnen und/oder Umsetzen von Wärmeenergie des Abgases, insbesondere in einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung, eingebunden ist.
Bevorzugt weist die Anordnung zu diesem Zweck einen Abgasrückführkanal auf, der von dem zumindest einen Abgaskanal und dem zumindest einen Kühlmittelkanal des Kanalsystems separat ist und einen stromauf des Kanalsystems angeordneten Abgasentnahmeeinlass im Abgaspfad fluidisch mit dem Kühlgasauslass verbindet, derart, dass im Betrieb vom Abgasentnahmeeinlass stammendes Abgas durch den Kühlgasauslass in den Abgaspfad strömt. Das Kühlgas ist in diesem Fall also Abgas oder enthält zumindest Abgas.
Vorteilhaft ist es, wenn das Kühlgas sowohl Abgas als auch Frischluft enthält, also eine Mischung aus Abgas und Frischluft ist. Dies erlaubt es, eine Kühlung des Abgases stromauf des Kanalsystems bedarfsgerecht einzustellen.
Alternativ kann auch ohne Zugabe von Frischluft durch Einstellen des Massenstroms des rückgeführten Abgases die Temperatur bedarfsgerecht eingestellt werden, solange die Temperatur stromab des Kanalsystems unter der Solltemperatur stromauf des Kanalsystems liegt. Dies ist im normalen Betrieb gewöhnlich der Fall.
Ist das Kühlgas ausschließlich Frischluft, kann die Temperatur des Abgases stromauf des Wärmeübertragers durch Einstellen des Massenstroms der Frischluft bedarfsgerecht eingestellt werden.
Zum Einbringen von Abgas, das stromab des Kanalsystems stammt, in den Abgaspfad durch den Kühlgasauslass weist die Anordnung zweckmäßig eine Fördereinrichtung auf, die nachfolgend auch als Abgas-Fördereinrichtung bezeichnet wird. Die Abgas-Fördereinrichtung überwindet hierbei insbesondere den Druckunterschied im Abgas zwischen dem Abgasentnahmeeinlass und dem Kühlgasauslass, derart, dass das entnommene Abgas über den Kühlgasauslass dem Abgaspfad rückgeführt werden kann. Eine solche Abgas-Fördereinrichtung kann stromab des Abgasentnahmeeinlasses und stromauf des Kühlgasauslasses, insbesondere im Abgaskanal, angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Venturi-Düse für das Überwinden des Druckunterschieds vorgesehen sein, die vorzugsweise durch eine Verengung in der Abgasanlage stromauf des Wärmeübertragers ausgebildet und/oder geformt ist. Hierbei kann der Kühlgasauslass in der Venturi-Düse angeordnet sein und/oder in die Venturi-Düse münden.. Mit der Venturi-Düse erfolgt das Erzeugen eines lokalen Druckminimums, das besagten Druckunterschied ausgleicht oder reduziert. Vorstellbar ist es auch, dass die Venturi-Düse derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass das mit der Venturi-Düse erzeugte lokale Druckminimum kleiner ist als der Druck an der Entnahmestelle des Kühlgases, insbesondere des Abgases stromab des Wärmeübertragers. Somit kann eine separate Fördereinrichtung entfallen.
In diesem Fall kann durch eine variable Querschnittsverengung in der Venturi-Düse und/oder durch Drosselung der Frischluftzufuhr die Temperatur des Abgases stromauf des Wärmeübertragers bedarfsgerecht eingestellt werden.
Auch ist es vorstellbar, die Abgas-Fördereinrichtung als ein Gebläse auszubilden oder mit einem Gebläse zu versehen, um den Druckunterschied zumindest auszugleichen.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Anordnung eine Saugstrahlpumpe aufweist, die als Abgas-Fördereinrichtung dient. Die Saugstrahlpumpe saugt im Betrieb von stromab des Kanalsystems stammendes Abgas an und fördert es durch den Kühlgasauslass in den Abgaspfad stromauf des Kanalsystems. Dies führt dazu, dass die Abgas-Fördereinrichtung, welche den hohen Temperaturen und Belastungen des Abgases ausgesetzt ist, keine sich bewegenden, insbesondere rotierenden und/oder gelagerten, Bestandteile aufweist. Es wird somit eine Beständigkeit der Abas-Fördereinrichtung vereinfacht, effektiv und kostengünstig realisiert.
Vorteilhaft ist die Saugstrahlpumpe von Frischluft angetrieben. Bevorzugt stammt diese Frischluft von der Frischluftanlage.
Die Saugstrahlpumpe weist einen Treibfluideinlass, einen Saugeinlass sowie einen Pumpenauslass auf. Bevorzugt ist der Pumpenauslass fluidisch mit dem Kühlgasauslass, der Treibfluideinlass fluidisch mit dem Frischluftkanal und der Saugeinlass fluidisch mit dem Abgasentnahmeeinlass, insbesondere über den Abgasrückführkanal, verbunden. Zudem ist die Frischluft-Fördereinrichtung stromauf des Treibfluideinlasses angeordnet. Die Frischluft-Fördereinrichtung treibt also die Frischluft durch den Treibfluideinlass und somit die Saugstrahlpumpe an, welche über den Saugeinlass Abgas über den Abgasentnahmeeinlass fördert, der Frischluft beimischt und über den Pumpenauslass sowie dem Kühlgasauslass dem Abgaspfad stromauf des Kanalsystems zuführt.
Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Frischluft-Fördereinrichtung besagter Abgasturbolader oder Kompressor der Anordnung ist, so dass zum Einbringen des Kühlgases in den Abgaspfad stromauf des Kanalsystems keine weiteren, separaten Fördereinrichtungen notwendig sind.
Bevorzugt ist es, wenn stromauf des Treibfluideinlasses, insbesondere im Frischluftkanal, zumindest ein Ventil angeordnet ist. Das Ventil erlaubt eine Einstellung und/oder Regelung des durch den Kühlgasauslass strömenden Massenstroms und somit des in den Abgaspfad zur Kühlung des Abgases eingebrachten Kühlgases. Somit ist es möglich, das Abgas stromauf des Kanalsystems bedarfsgerecht zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann eine entsprechende Einstellung und Regelung unmittelbar über die Förderleistung der Frischluft-Fördereinrichtung erfolgen.
Die Saugstrahlpumpe ist bevorzugt als ein Luftverstärker mit Coanda-Effekt ausgebildet. Die Saugstrahlpumpe weist zu diesem Zweck am Saugeinlass angrenzend eine ringförmige Kammer sowie eine daran anschließende Ringdüse auf, wobei die Ringdüse über ein Coanda-Profil fluidisch mit dem Treibfluideinlass verbunden ist. Zudem ist der Frischluftkanal zusätzlich unter Umgehung des Treibfluideinlasses fluidisch mit dem Pumpenauslass verbunden
Alternativ oder zusätzlich kann die Saugstrahlpumpe zumindest einen Injektor aufweisen.
Die Frischluft kann zudem zum Kühlen von weiteren Komponenten verwendet werden, indem sie stromauf des Kühlgasauslasses an diesen Komponenten vorbei oder hindurchgeführt wird und dabei Wärme aufnimmt. Zu solchen Komponenten zählt ein Expander einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung. Somit werden der Volumenstrom durch die Saugstrahlpumpe und somit die Effizienz der Saugstrahlpumpe erhöht und/oder und die Energieverluste bei der Mischung der beiden Gasströme verringert.
Der Wärmeübertrager weist zweckmäßig ein Gehäuse mit einem Volumen auf, in dem das Kanalsystem angeordnet ist und durch das im Betrieb der Abgaspfad und der Kühlmittelpfad führen.
Bevorzugt ist es, wenn der von den Kanälen des Kanalsystems separate Abgasrückführkanal zumindest teilweise, besonders bevorzugt gänzlich, innerhalb des Gehäuses verläuft. Dies führt dazu, dass das durch den Abgasrückführkanal strömende Abgas weniger Wärme verliert und/oder weiter Wärme an das Kühlmittel abgibt, so dass insgesamt mehr Wärme auf das Kühlmittel übertragen wird. Es wird also die thermische Effizienz des Wärmeübertragers verbessert. Insbesondere kann innerhalb des Gehäuses eine Trennwand vorgesehen sein, welche die Kanäle des Kanalsystems vom Abgasrückführkanal trennt, insbesondere das Volumen und/oder den Abgaskanal begrenzt. Alternativ oder zusätzlich kann es ich bei der Trennwand um eine äußere Außenwand des Kanalsystems handeln.
Vorstellbar sind Ausführungsformen, bei denen die Anordnung eine Abgasbehandlungseinrichtung zum Reduzieren schädlicher Bestandteile des Abgases aufweist, welche insbesondere einen Katalysator aufweist oder als ein solcher ausgebildet ist. Die Abgasbehandlungseinrichtung ist zweckmäßig in der Abgasanlage eingebunden, so dass der Abgaspfad durch die Abgasbehandlungseinrichtung führt.
Denkbar sind dabei auch Ausführungsformen, bei denen der Kühlgasauslass stromauf der Abgasbehandlungseinrichtung in den Abgaspfad mündet. Somit erfolgt eine Kühlung des Abgases bereits vor der Abgasbehandlungseinrichtung, so dass die Bestandteile der Abgasbehandlungseinrichtung, insbesondere des Katalysators, entsprechend kostengünstiger hergestellt werden können.
Der Wärmeübertrager ist vorteilhaft Bestandteil eines Kreislaufs, durch den der Kühlmittelpfad zirkulierend verläuft, in dem also das Kühlmittel zirkuliert. Der Kreislauf ist insbesondere in der Art eines Rankine-Prozesses ausgestaltet, in dem der Wärmeübertrager als ein Verdampfer des Kühlmittels zum Einsatz kommt.
Vorteilhaft ist der Wärmeübertrager Bestandteil einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung, mit der vom Abgas auf das Kühlmittel übertragene Wärme rückgewonnen und der Anordnung zurückgeführt wird.
Der Wärmeübertrager ist in der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung als ein Verdampfer ausgebildet, in dem das Kühlmittel durch die Wärmeaufnahme vom Abgas verdampft wird. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung weist zweckmäßig neben dem Verdampfer einen Expander zum Expandieren des Kühlmittels auf, wobei mit dem Expander mechanische Arbeit geleistet und/oder elektrische Energie gewonnen werden kann. Vorstellbar ist es auch, in der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Kondensator zum Kondensieren des Kühlmittels vorzusehen.
Insbesondere kann mit dem Expander somit ein elektrischer Strom erzeugt und/oder ein mechanischer Antrieb realisiert werden.
Das Kanalsystem kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern es zumindest einen Abgaskanal und zumindest einen Kühlmittelkanal aufweist.
Das Kanalsystem kann insbesondere ein Rohrbündel aufweisen, durch das einerseits der Abgaspfad und andererseits der Kühlmittelpfad führen. Insbesondere kann das Kanalsystem ein solches Rohrbündel sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Kanalsystem einen Plattenwärmetauscher aufweisen, der einerseits vom Abgas und andererseits vom Kühlmittel durchströmt wird, oder als ein solcher Plattenwärmetauscher ausgebildet sein.
Die Brennkraftmaschine kann prinzipiell beliebig betrieben sein, sofern im Betrieb der Brennkraftmaschine Abgas entsteht. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere mit Diesel oder Benzin betrieben sein.
Zu denken ist ferner an Ausführungsformen, bei denen die Brennkraftmaschine mit Erdgas betrieben ist. Beim Erdgas kann es sich insbesondere um CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquified Natural Gas) und/oder LPG (Liquified Petroleum Gas) handeln. Bei derartigen Brennkraftmaschinen weist das Abgas im Vergleich zu mit Diesel und/oder Benzin betriebenen Brennkraftmaschinen erhöhte Temperaturen auf. Dementsprechend eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere für solche Brennkraftmaschinen, da darin Wärmeübertrager zum Einsatz kommen können, welche auch in Anordnungen mit Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen, welche mit Diesel betrieben sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer Anordnung mit einer Brennkraftmaschine und einem Wärmeübertrager,
2 einen Schnitt durch die Anordnung im Bereich des Wärmeübertragers,
3 die Ansicht aus 2 bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
4 die Ansicht aus 3 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 die Ansicht aus 2 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Eine Anordnung 1, wie sie in 1 stark vereinfacht und schaltplanartig dargestellt ist, weist eine Brennkraftmaschine 2, eine Abgasanlage 3 sowie einen Wärmeübertrager 4 auf. In der Brennkraftmaschine 2 entsteht im Betrieb Abgas, das über die Abgasanlage 3 abgeführt wird. Mit dem Wärmeübertrager 4 erfolgt eine Kühlung des Abgases. Der Wärmeübertrager 4 ist dementsprechend in der Abgasanlage 3 eingebunden, derart, dass ein durch die Abgasanlage 3 verlaufender Abgaspfad 5 des Abgases durch den Wärmeübertrager 4 führt. Die Anordnung 1 weist ferner eine Frischluftanlage 16 auf, mit der im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 Frischluft zugeführt. Die Brennkraftmaschine 2 verbrennt im Betrieb eine Mischung aus Frischluft und einem Brennstoff. Bei dieser Verbrennung entsteht das Abgas. Beim Brennstoff kann es sich insbesondere um Erdgas handeln.
Zum Kühlen des Abgases ist der Wärmeübertrager 4, vom Abgas fluidisch getrennt, von einem Kühlmittel durchströmt, das Wärme vom Abgas aufnimmt und das Abgas somit kühlt. Im gezeigten Beispiel ist der Wärmeübertrager 4 Bestandteil eines Kreislaufs 6, durch den ein Kühlmittelpfad 7 des Kühlmittels zirkulierend verläuft, so dass das Kühlmittel im Betrieb im Kreislauf 6 zirkuliert und durch dabei den Wärmeübertrager 4 verläuft. Der Kreislauf 6 ist vorteilhaft in der Art eines Rankine-Prozesses betrieben und bevorzugt Bestandteil einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 8, mit welcher aus dem Abgas gewonnene Wärme anderweitig verwendet wird. Der Kreislauf 6 weist neben dem Wärmeübertrager 4, der als Verdampfer 9 zum Verdampfen des Kühlmittels dient, einen entlang des Kühlmittelpfads 7 stromab des Wärmeübertragers 4 angeordneten Expander 10 zum Expandieren des Kühlmittels, einen stromab des Expanders 10 angeordneten Kondensator 11 zum Kondensieren des Kühlmittels sowie einen stromab des Kondensators 11 und stromauf des Wärmeübertragers 4 angeordnete Fördereinrichtung 12 zum Fördern von Kühlmittel durch den Kreislauf 6, nachfolgend auch Kühlmittel-Fördereinrichtung 12 genannt, auf. Die Kühlmittel-Fördereinrichtung 12 ist beispielsweise als eine Kühlmittelpumpe 13 ausgebildet.
Mit dem Expander 10 kann dem Kühlmittel kinetische und/oder thermische Energie entnommen und anderweitig, beispielsweise zum Erzeugen eines elektrischen Stroms, eingesetzt werden.
Die Anordnung 1 kann ferner einen Abgasturbolader 14 mit einer Turbine 15, welche in der Abgasanlage 3 eingebunden ist und durch den der Abgaspfad 5 führt, sowie einem Verdichter 17 aufweisen, der in der Frischluftanlage 16 eingebunden ist und die Frischluft in der Frischluftanlage 16 verdichtet.
Die Anordnung 1 ist insbesondere Bestandteil eines Kraftfahrzeugs 18, insbesondere eines Lastkraftwagens 19, in dem die Brennkraftmaschine 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 18 zum Einsatz kommen kann.
In 2 ist ein Schnitt durch die Anordnung 1 im Bereich des Wärmeübertragers 4 zu sehen. Der Wärmeübertrager 4 weist demnach ein Kanalsystem 20 auf, das als ein Plattenwärmetauscher 21 ausgebildet oder einen solchen Plattenwärmetauscher 21 aufweisen kann. Das Kanalsystem 20 weist zumindest einen Abgaskanal 22 auf, wobei im gezeigten Beispiel mehrere solche Abgaskanäle 22 vorgesehen sind. Durch die Abgaskanäle 22 strömt im Betrieb Abgas, so dass der Abgaspfad 5 durch die Abgaskanäle 22 führt.. Das Kanalsystem 20 weist ferner zumindest einen Kühlmittelkanal 24 auf, wobei im gezeigten Beispiel mehrere solche Kühlmittelkanäle 24 vorgesehen sind. Durch die Kühlmittelkanäle 24 führt, vom Abgas bzw. dem Abgaspfad 5 fluidisch getrennt, damit aber wärmeübertragend verbunden, der Kühlmittelpfad 7. Die Abgaskanäle 22 und die Kühlmittelkanäle 24 können durch zueinander beabstandete Platten 23 des Plattenwärmetauschers 21 gebildet, insbesondere von diesen begrenzt, sein.
Die Anordnung 1 weist einen Kühlgasauslass 25 auf, der stromauf des Kanalsystems 20 in den Abgaspfad 5 mündet, so dass in den Abgaspfad 5 stromauf des Kanalsystems 20 ein Kühlgas 26 eingebracht werden kann. Das Kühlgas 26 wird also dem Abgas beigemischt, so dass die Temperatur des Gemisches aus Kühlgas 26 und Abgas stromauf des Kanalsystems 20 reduziert ist. Dementsprechend kann das Kanalsystem 20 aus kostengünstigeren Materialien hergestellt werden und/oder ist weniger thermischen und/oder thermochemischen Belastungen ausgesetzt, so dass die Beständigkeit des Wärmeübertragers 4 und somit der gesamten Anordnung 1 verbessert ist.
Im gezeigten Beispiel weist der Wärmeübertrager 4 ein Gehäuse 27 auf, das ein Volumen 28 aufweist, in dem das Kanalsystem 20 angeordnet ist und durch das der Abgaspfad 5 und der Kühlmittelpfad 7 führen. Die Anordnung 1 weist ferner entlang des Abgaspfads 5 stromauf des Kanalsystems 20 einen Diffusor 29 auf, durch den der Abgaspfad 5 führt, wobei der Diffusor 29 in Richtung des Abgaspfads 5 einen sich vergrößernden durchströmbaren Querschnitt aufweist. In Richtung des Abgaspfads 5 stromab des Kanalsystems 20 weist die Anordnung 1 eine Düse 30 auf, durch welche der Abgaspfad 5 führt und die in Richtung des Abgaspfads 5 einen sich verkleinernden durchströmbaren Querschnitt aufweist. Der Diffusor 29 und die Düse 30 schließen im gezeigten Beispiel unmittelbar am Kanalsystem 20 an. Im gezeigten Beispiel sind der Diffusor 29 sowie die Düse 30 zudem Bestandteile des Gehäuses 27, insbesondere gemeinsam mit dem Gehäuse 27 hergestellt.
Das Kühlgas 26 wird mit Hilfe einer Saugstrahlpumpe 31 durch den Kühlgasauslass 25 gefördert und stromauf des Kanalsystems 2 in den Abgaspfad 5 gebracht. Die Saugstrahlpumpe 31 ist beispielsweise als ein Luftverstärker 32 ausgebildet. Die Saugstrahlpumpe 1 weist einen Treibfluideinlass 33 sowie einen Pumpenauslass 35 auf, wobei der Pumpenauslass 35 im gezeigten Beispiel dem Kühlgasauslass 25 entspricht. Der Treibfluideinlass 33 ist über einen Frischluftkanal 36, der in 2 lediglich angedeutet ist, fluidisch mit der Frischluftanlage 16 verbunden, derart, dass der Verdichter 17 als Fördereinrichtung 37, nachfolgend Frischluft-Fördereinrichtung 37 genannt, Frischluft durch den Frischluftkanal 36 und in den Treibfluideinlass 33 fördert. Dementsprechend ist der Frischluftkanal 36 stromauf des Verdichters 17 mit der Frischluftanlage 16 verbunden. Der Frischluftkanal 36 kann stromauf des Treibfluideinlasses 33 wärmeübertragend mit dem Expander 10 verbunden sein (nicht gezeigt), so dass im Betrieb stromauf des Treibfluideinlasses 33 Wärme des Expanders 10 auf die Frischluft übertragen wird. Im Frischluftkanal 36 und stromauf des Treibfluideinlasses 33 ist ein steuerbares Ventil 38 angeordnet, das kommunizierend mit einer in 1 lediglich angedeuteten Steuereinrichtung 39 derart verbunden ist, dass die Steuereinrichtung 39 das Ventil 38 ansteuern und verstellen kann. Somit ist es möglich, die Strömung in den Treibfluideinlass 33, vorliegend also die Strömung von Frischluft als Treibgas, durch die Saugstrahlpumpe 31 und folglich den Massenstrom des Kühlgases 26 in den Abgaspfad 5 bedarfsgerecht zu ändern.
Der Saugeinlass 34 der Saugstrahlpumpe 31 ist über einen Abgasrückführkanal 40 mit einem entlang des Abgaspfads 35 stromab des Kanalsystems 20 angeordneten Abgasentnahmeeinlasses 41 fluidisch verbunden, wobei der Abgasentnahmeeinlass 41 derart angeordnet ist, dass stromab des Kanalsystems 20 strömendes Abgas in den Abgasentnahmeeinlass 41 strömen kann. Die Saugstrahlpumpe 31 saugt hierbei über den Saugeinlass 34 Abgas durch den Abgasentnahmeeinlass 41 und den Abgasrückführkanal 40 an, wobei dieses Abgas, wie mit gestrichelten Pfeilen angedeutet, der Frischluft beigemischt und durch den Pumpenauslass 35 bzw. den Kühlgasauslass 25 stromauf des Kanalsystems 20 dem Abgaspfad 5 bzw. dem Abgas beigemischt wird. Im gezeigten Beispiel ist das Kühlgas 26 also eine Mischung aus Frischluft und stromab des Kanalsystems 20 stammendem Abgas. Die Saugstrahlpumpe 31 dient dabei als eine Abgas-Fördereinrichtung 45 für das Abgas durch den Abgasrückführkanal 40.
Im gezeigten Beispiel ist der Kühlgasauslass 25 im Diffusor 29 angeordnet, insbesondere im Diffusor 29 ausgebildet. Zudem ist der Abgasentnahmeeinlass 41 in der Düse 30 angeordnet.
Im gezeigten Beispiel ist der Abgaskanal 40 gänzlich innerhalb des Gehäuses 27 und dem Kanalsystem 20 benachbart angeordnet. Zu diesem Zweck weist der Wärmeübertrager 4 innerhalb des Gehäuses 27 eine Trennwand 41 auf, welche einerseits den Abgaskanal 40 und andererseits das Volumen 28 begrenzt. Vorstellbar ist es auch, dass die Trennwand 41 eine Außenwand 42 des Kanalsystems 20 ist.
Alternativ zur gezeigten Anordnung des Kühlgasauslasses 25 ist es vorstellbar, den Kühlgasauslass 25 stromauf einer in 1 angedeuteten Abgasbehandlungseinrichtung 43, insbesondere eines Katalysators 44, zur Behandlung des Abgases zwecks Reduzierung schädlicher Bestandteile im Abgas, anzuordnen. Die Abgasbehandlungseinrichtung 43 ist hierbei entlang des Abgaspfads 5 zweckmäßig stromauf des Wärmeübertragers 4 angeordnet.

Claims

Anordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (18) - mit einer Brennkraftmaschine (2), in der im Betrieb Abgas entsteht, - mit einer Abgasanlage (3) zum Abführen des Abgases, durch welche ein Abgaspfad (4) des Abgases führt, - mit einem Wärmeübertrager (4) zum Kühlen des Abgases, der ein Kanalsystem (20) aufweist, - wobei das Kanalsystem (20) zumindest einen Abgaskanal (22), durch welchen der Abgaspfad (5) führt, und zumindest einen Kühlmittelkanal (24), durch welchen ein Kühlmittelpfad (7) eines Kühlmittels vom Abgaspfad (5) fluidisch getrennt und mit dem Abgaspfad (5) wärmeübertragend führt, aufweist, derart, dass das Abgas im Betrieb mit dem Kühlmittel Wärme austauscht, - mit einem stromauf des Kanalsystems (20) in den Abgaspfad (5) mündenden Kühlgasauslass (25) zum Einbringen eines Kühlgases (26) in den Abgaspfad (5) stromauf des Kanalsystems (20).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Frischluftanlage (16) aufweist, durch welche im Betrieb Frischluft strömt, wobei ein Frischluftkanal (36) den Kühlgasauslass (25) fluidisch mit der Frischluftanlage (16) verbindet, derart, dass Frischluft durch den Kühlgasauslass (25) in den Abgaspfad strömt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Frischluft-Fördereinrichtung (37) aufweist, die im Betrieb Frischluft durch den Frischluftkanal (36) fördert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführkanal (40) einen stromauf des Kanalsystems (20) angeordneten Abgasentnahmeeinlass (41) im Abgaspfad (5) fluidisch mit dem Kühlgasauslass (25) verbindet, derart, dass im Betrieb vom Abgasentnahmeeinlass (41) stammendes Abgas durch den Kühlgasauslass (25) stromauf des Kanalsystems (20) in den Abgaspfad (5) strömt.
Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, - dass die Anordnung (1) eine Saugstrahlpumpe (31) mit einem Treibfluideinlass (33), einem Saugeinlass (34) und einem Pumpenauslass (35) aufweist, - dass der Pumpenauslass (35) fluidisch mit dem Kühlgasauslass (25) verbunden ist oder dem Kühlgasauslass (25) entspricht, - dass der Treibfluideinlass (33) fluidisch mit dem Frischluftkanal (36) verbunden und die Frischluft-Fördereinrichtung (37) stromauf des Treibfluideinlasses (33) angeordnet ist, - dass der Saugeinlass (34) fluidisch mit dem Abgasentnahmeeinlass (41) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlpumpe (31) als ein Luftverstärker (32) mit Coanda-Effekt ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass der Wärmeübertrager (4) ein Gehäuse (27) mit einem Volumen (28) aufweist, in dem das Kanalsystem (20) angeordnet ist, - dass der Abgasrückführkanal (40) vom Kanalsystem (20) separat ist und zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses (27) verläuft.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaspfad (5) stromauf des Wärmeübertragers (4) durch eine Venturi-Düse (47) führt, wobei, der Kühlgasauslass (25) in die Venturi-Düse mündet.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Venturi-Düse (47) derart ausgestaltet ist, dass im Betrieb der Druck in der Venturi-Düse (47) kleiner als der Druck der Luft in der Umgebung ist, derart, dass die Luft aus der Umgebung angesaugt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaspfad (5) stromauf des Wärmeübertragers (4) durch eine Abgasbehandlungseinrichtung (43) zum Reduzieren schädlicher Bestandteile des Abgases, insbesondere einen Katalysator (44), führt, wobei der Kühlgasauslass (25) stromauf der Abgasbehandlungseinrichtung (43) in den Abgaspfad (5) mündet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) einen Kreislauf (6) aufweist, durch welchen der Kühlmittelpfad (7) zirkulierend verläuft.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (6) Bestandteil einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (8) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (2) mit Erdgas betrieben ist.
Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Frischluftkanal (36) stromauf des Kühlgasauslasses (25), insbesondere stromauf des Treibfluideinlasses (33) wärmeübertragend mit der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (8) verbunden ist, derart, dass im Betrieb durch den Frischluftkanal (36) strömende Frischluft von der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (8) Wärme aufnimmt.