DE102020200105A1

DE102020200105A1 - Abgasstrangabschnitt mit Brenner und Kraftfahrzeug mit solch einem Abgasstrangabschnitt

Info

Publication number: DE102020200105A1
Application number: DE102020200105.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Kappa; Dietmar Uhlenbrock; Uwe Kulow; Matthias Lausch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-07-08
Also published as: WO2021139920A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrangabschnitt (2) für ein Kraftfahrzeug (6) mit einer Verbrennungskraftmaschine (12), mit einem Abgasrohrabschnitt (8), der derart mit der Verbrennungskraftmaschine (12) verbindbar ist, dass Abgase der Verbrennungskraftmaschine (12) den Abgasrohrabschnitt (8) in einer Abgasströmungsrichtung (10) durchströmen; einem Katalysator (14), der dem Abgasrohrabschnitt (8) in der Abgasströmungsrichtung (10) nachgeschaltet angeordnet ist und zur Reinigung der Abgase dient; und einem Brenner (4), der dazu ausgelegt ist, heiße Brennerabgase zu erzeugen, wobei der Brenner (4) separat von dem Abgasrohrabschnitt (8) und dem Katalysator (14) angeordnet ist und fluidleitend mit dem Abgasrohrabschnitt (8) verbunden ist, wobei ein Brennerabgaseinlasselement (24; 30) in der Abgasströmungsrichtung (10) stromaufwärts des Katalysators (14) angeordnet ist, wobei ein ringartiger Kanal (20) zumindest teilweise an einem Außenumfang des Abgasrohrabschnitts (8) in Umfangsrichtung ausgebildet ist und das Brennerabgaseinlasselement als eine Öffnung (24) ausgebildet ist, die sich in Umfangsrichtung um den Abgasrohrabschnitt (8) erstreckt und den ringartigen Kanal (20) fluidleitend mit dem Abgasrohrabschnitt (8) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasstrangabschnitt für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, wie z.B. ein PKW, ein LKW oder ein anderes Nutzfahrzeug, mit einem Abgasrohrabschnitt, der derart mit der Verbrennungskraftmaschine verbindbar bzw. koppelbar ist, dass Abgase der Verbrennungskraftmaschine den Abgasrohrabschnitt in einer Abgasströmungsrichtung durchströmen. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem solchen Abgasstrangabsch n itt.
Stand der Technik
Abgaskatalysatoren werden durch von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Wärme aufgeheizt. Wenn der Katalysator einer Verbrennungskraftmaschine warm ist, werden die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe Kohlenwasserstoff (C_mH_n), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x) von dem Katalysator, wie bspw. einem Drei-Wege-Katalysator, durch Oxidation bzw. Reduktion in die ungefährlichen Stoffe Stickstoff (N₂), Kohlstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) umgewandelt. Der Wirkungsgrad des Katalysators ist dabei stark temperaturabhängig. Ein Katalysator kann bei optimaler Betriebstemperatur nahezu 100% der giftigen Schadstoffe in ungiftige Stoffe umwandeln. Je stärker die Temperatur des Katalysators von der optimalen Betriebstemperatur, insbesondere nach unten, abweicht, desto geringer ist der Wirkungsgrad des Katalysators. Daher werden beim Starten der Verbrennungskraftmaschine, wenn die Verbrennungskraftmaschine und der Katalysator noch „kalt“ sind, ein Großteil der Schadstoffemissionen ausgeschieden. Diese sogenannten Kaltstartemissionen können bis zu 70-80% der gesamten Schadstoffemissionen ausmachen.
Um die Aufheizung des Katalysators beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine zu beschleunigen, damit die optimale Betriebstemperatur möglichst früh erreicht wird, werden derzeit verschiedene Zusatzheizungen verwendet.
Eine Möglichkeit ist der Einsatz eines mit Kraftstoff und Luft betriebenen Abgasbrenners, der den Katalysator direkt durch die Erzeugung heißer Brennerabgase aufheizt.
Bekannte Abgasbrenner haben jedoch den Nachteil, dass eine gleichmäßige Aufheizung der gesamten Katalysatoroberfläche durch die heißen Brennerabgase und/oder eine möglichst gleichmäßige Vermischung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine und der Brennerabgase nicht gewährleistet ist, was den Wirkungsgrad des Katalysators reduziert und somit die Schadstoffemissionen erhöht.
Offenbarung der Erfindung:

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern und insbesondere einen Abgasstrangabschnitt mit einem Abgasbrenner vorzusehen, der eine möglichst gleichmäßige Aufheizung der gesamten Katalysatoroberfläche sowie eine möglichst gute bzw. gleichmäßige Vermischung der Brennerabgase und der Abgase der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Abgasstrangabschnitt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
So ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts ein ringartiger Kanal zumindest teilweise an einem Außenumfang des Abgasrohrabschnitts in Umfangsrichtung ausgebildet. Das Brennerabgaseinlasselement ist als eine Öffnung ausgebildet, die sich in Umfangsrichtung um den Abgasrohrabschnitt erstreckt und den Kanal fluidleitend mit dem Abgasrohrabschnitt verbindet.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts sieht vor, dass das Brennerabgaseinlasselement derart ausgebildet ist, dass die beim Betrieb des Brenners erzeugten heißen Brennerabgase im Wesentlichen mittig und im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des Abgasrohrabschnitts aus dem Brennerabgaseinlasselement in den Abgasrohrabschnitt einströmen.
Durch Vermischen der heißen Brennerabgase mit den beim Kaltstart noch kalten Abgasen der Verbrennungskraftmaschine, nachfolgend als Maschinenabgase bezeichnet, wird ermöglicht, dass die Kohlenwasserstoffe der kalten Maschinenabgase noch vor dem Katalysator mit den heißen, leicht mageren, also sauerstoffreichen, Brennerabgasen reagieren. Dadurch kann schon vor dem Katalysator eine gewisse Reinigungswirkung erreicht werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat.
Der ringartige Kanal schützt die Brennerabgase vor den Maschinenabgasen, sodass die Brennerabgase in dem ringartigen Kanal einmal rings um den Abgasrohrabschnitt strömen können und sich so bereits über eine kurze Strecke gleichmäßig mit den Maschinenabgasen vermischen. Diese Ausführungsform eignet sich daher insbesondere für Abgasstränge, bei denen der Brenner nahe am Katalysator angeordnet ist und somit die Strecken, welche die Brennerabgase bis zum Katalysator zurücklegen, kurz genug sind, sodass die Wärmeverluste der heißen Brennerabgase über die Strecken vernachlässigbar sind.
Das Einströmen der Brennerabgase im Wesentlichen mittig und im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Abgasrohrabschnitts verhindert, dass die heißen Brennerabgase mit kühlen Begrenzungen bzw. Wänden des Abgasrohrabschnitts in Kontakt kommen, indem eine Luftspalt-Isolierung genutzt wird, um den Wärmeverlust der Brennerabgase, insbesondere über längere Strecken, möglichst gering zu halten. Dabei isoliert Luft, die sich zwischen den heißen Brennerabgasen und den kühlen Begrenzungen des Abgasrohrkanals befindet, die heißen Brennerabgase. Daher eignet sich diese Ausführungsform insbesondere für Abgasstränge, bei denen der Brenner weiter entfernt von dem Katalysator angeordnet ist und somit die Strecke, welche die Brennerabgase bis zum Katalysator zurücklegen, lang genug ist, so dass eine gleichmäßige Durchmischung der Brennerabgase und der Maschinenabgase selbstständig stattfindet.
Somit ermöglicht der erfindungsgemäße Abgasstrangabschnitt sowohl einen geringen Wärmeverlust der Brennerabgase bis zum Katalysator als auch eine gleichmäßige Durchmischung bzw. Vermischung der Brennerabgase und der Maschinenabgase für unterschiedliche Betriebspunkte.
Dadurch ist eine möglichst konstante Wärmeeinbringung in den Katalysator gewährleistet, unabhängig davon, ob sich die Verbrennungskraftmaschine im Leerlauf mit beispielsweise etwa 20-40 kg/h zu reinigenden Maschinenabgasen oder im Fahrbetrieb bei 70 kW mit beispielsweise etwa 300 kg/h zu reinigenden Maschinenabgasen befindet, oder gar nicht in Betrieb ist und somit 0 kg/h zu reinigende Maschinenabgase generiert.
Die Aufgabe wird auch durch ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitt gelöst.
Die abhängigen Ansprüche beanspruchen weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts, die nachfolgend erläutert werden.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Brenner parallel oder quer, insbesondere senkrecht bzw. vertikal zum Abgasrohrabschnitt angeordnet ist. Somit kann der Brenner dem verfügbaren Bauraum entsprechend positioniert werden und so zur Bauraumoptimierung beitragen.
In einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen dem Brennerabgaseinlasselement des ringartigen Kanals und dem Katalysator weniger als 0,25 m. Ein solcher Abstand ist kurz genug, sodass der Wärmeverlust der Brennerabgase entlang dieser Strecke vernachlässigbar ist. Der ringartige Kanal gewährleistet eine möglichst gleichmäßige Vermischung der Maschinenabgase und der Brennerabgase entlang eines solchen kurzen Abstands.
In einer Ausführungsform besitzt der ringartige Kanal entlang des Umfangs des Abgasrohrabschnitts einen konstanten oder einen in einer Brennerabgasströmungsrichtung kontinuierlich abnehmenden Querschnitt. Insbesondere ein in Brennerabgasströmungsrichtung kontinuierlich abnehmender Querschnitt verbessert das Strömungsverhalten des Brennerabgases im Ringkanal und ermöglicht, dass die Brennerabgase über den gesamten Umfang verteilt in den Abgasrohrabschnitt einströmen.
In einer Ausführungsform weist ein erster Teilabschnitt des Abgasrohrabschnitts in Abgasströmungsrichtung gesehen stromaufwärts des ringartigen Kanals einen kleineren Durchmesser auf als ein zweiter Teilabschnitt des Abgasrohrabschnitts stromabwärts des ringartigen Kanals.
Die Aufweitung des Abgasrohrabschnitts nach dem ringartigen Kanal schützt die Brennerabgase davor, von der Maschinenabgasströmung vorzeitig aus dem Ringkanal heraus gespült zu werden und verbessert somit die gleichmäßige Vermischung der Brennerabgase und der Maschinenabgase.
In einer Ausführungsform ist der Übergang zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt stufenartig ausgebildet. Eine zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt ausgebildete Stufe verhindert, dass die Brennerabgase in dem ringartigen Kanal vorzeitig von den Maschinenabgasen aus dem ringartigen Kanal heraus gespült werden und ermöglicht, dass zumindest ein Teil der Brennerabgase den ringartigen Kanal entlang des Umfangs vollständig durchströmt, bevor sie sich mit der Maschinenabgasströmung vermischen. Dadurch wird eine noch gleichmäßigere, homogenere Vermischung der Brennerabgase und der Maschinenabgase erreicht.
In einer Ausführungsform ist das Brennerabgaseinlasselement als ein Rohrbogen ausgebildet, der in dem Abgasrohrabschnitt angeordnet ist. Dabei ist der Rohrbogen an einem ersten axialen Ende mit einer Verbindungsstruktur, bspw. einer Rohrleitung, mit dem Brenner fluidleitend verbunden und besitzt an einem zweiten axialen Ende eine Brennerabgasausströmöffnung. Die Brennerabgasausströmöffnung ist derart positioniert, dass die Brennerabgase direkt, insbesondere mittig, in der Abgasströmungsrichtung in die Maschinenabgase einströmen, um sich mit den Maschinenabgasen zu vermischen. Insbesondere ist die Brennerabgasausströmöffnung dabei derart in dem Abgasrohrabschnitt angeordnet, dass ein Mittelpunkt der Brennabgasausströmöffnung auf der Mittelachse des Abgasrohrabschnitts liegt. Alternativ kann der Mittelpunkt der Brennabgasausströmöffnung bis zu einem Viertel des Durchmessers der Brennerabgasausströmöffnung in diesem Bereich oberhalb der Mittelachse des Abgasrohrabschnitts angeordnet sein.
Dabei können der Rohrbogen und die Verbindungsstruktur einteilig, also integral, ausgebildet sein. Alternativ können der Rohrbogen und die Verbindungsstruktur als separate Teile ausgebildet sein, die dauerhaft, bspw. mittels Schweißen etc. miteinander verbunden sind.
In einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der Brennerabgasausströmöffnung des Rohrbogens und dem Katalysator mindestens 0,25 m. Dieser Abstand ist ausreichend groß, dass sich die Brennerabgase und die Maschinenabgase entlang der Strecke selbstständig möglichst gleichmäßig vermischen.
In einer Ausführungsform beträgt ein Winkel zwischen einer Mittelachse der Brennerabgasausströmöffnung und der Mittelachse des Abgasrohrabschnitts zwischen 5° und 20°, vorzugsweise zwischen 10° und 15°, sodass die Mittelachse der Brennabgasausströmöffnung in der Abgasströmungsrichtung gesehen leicht nach oben zeigt. Dieser Winkel dient dazu, die Trägheit der Brennerabgasströmung auszugleichen, so dass diese im Ergebnis im Wesentlichen mittig und im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Abgasrohrabschnitts einströmt.
In einer Ausführungsform ist das Brennerabgaseinlasseelement, zumindest die Brennerabgasausströmöffnung, in einem ersten Teilabschnitt des Abgasrohrabschnitts angeordnet, der in der Abgasströmungsrichtung gesehen einem zweiten Teilabschnitt vorgelagert, also stromaufwärts, angeordnet ist. Dabei weist der erste Teilabschnitt einen größeren Durchmesser als der zweite Teilabschnitt auf. Der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt können kontinuierlich bzw. stufenlos ineinander übergehen.
Der größere Durchmesser des ersten Teilabschnitts, ermöglicht, dass die Brennerabgase auch bei Volllast, also bei maximaler Abgasströmung, in die Maschinenabgase einströmen können. Das bedeutet, dass die Aufweitung des Durchmessers des Abgasrohrabschnitts im Bereich des ersten Teilabschnitts verhindert, dass der Strömungswiderstand, also der Abgasgegendruck, zu stark ansteigt und dadurch ein Einströmen der Brennerabgase in den Abgasrohrabschnitt verhindert.
Figurenliste

1a zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer ersten Brenneranordnung.
1b zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit einer zweiten Brenneranordnung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine und dem erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitt gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einer Längsschnittdarstellung.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Fahrzeugs mit der Verbrennungskraftmaschine und dem erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Längsschnittdarstellung.

Figurenbeschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Elemente.
Die 1a, 1b und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts 2. Die 1a und 1b zeigen den Abgasstrangabschnitt 2 in einer perspektivischen Darstellung und unterscheiden sich lediglich in der räumlichen Anordnung eines Brenners 4 relativ zum Abgasstrangabschnitt 2. 2 zeigt den Abgasstrangabschnitt 2 in einer Längsschnittdarstellung, schematisch dargestellt, in einem Fahrzeug 6 angeordnet.
Der Abgasstrangabschnitt 2 weist einen Abgasrohrabschnitt 8 auf, der in einer Abgasströmungsrichtung 10 von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine 12 des Fahrzeugs 6, nachfolgend als Maschinenabgase bezeichnet, durchströmt wird. Dem Abgasrohrabschnitt 8 ist in der Abgasströmungsrichtung 10 gesehen ein Katalysator 14 nachgeschaltet, also stromabwärts des Abgasrohrabschnitts 8 angeordnet. Der Katalysator 14 dient dazu, die Maschinenabgase zu reinigen, das heißt, die in den Maschinenabgasen enthaltenen Schadstoffe Kohlenwasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide, durch Oxidation bzw. Reduktion in die ungiftigen Stoffe Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser umzuwandeln.
Der Abgasrohrabschnitt 8 weist einen ersten Teilabschnitt 16 und einen zweiten Teilabschnitt 18 auf. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat der erste Teilabschnitt 16 einen kleineren Durchmesser D₁ als der zweite Teilabschnitt 18, der einen größeren Durchmesser D₂ hat. Zwischen dem ersten Teilabschnitt 16 und dem zweiten Teilabschnitt 18 ist entlang des äußeren Umfangs des Abgasrohrabschnitts 8 ein ringartiger Kanal 20 angeordnet.
Der Brenner 4 erzeugt im Betriebszustand heiße Brennerabgase, die dazu dienen, den Katalysator 14 zu erwärmen und somit die Aufheizung des Katalysators 14 auf seine Betriebstemperatur, insbesondere in der sogenannten Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 12, zu beschleunigen. Die Brennerabgase strömen von dem Brenner 4 über eine Verbindungsstruktur 22, hier beispielhaft eine Rohrleitung, in den ringartigen Kanal 20.
Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der ringartige Kanal 20 zum Abgasrohrabschnitt 8 hin offen. Dadurch können die Brennerabgase in den Abgasrohrabschnitt 8 einströmen, um sich dort mit den Maschinenabgasen zu vermischen und gemeinsam mit den Maschinenabgasen zum Katalysator 14 zu strömen. Diese umlaufende Öffnung 24 wird daher als Brennerabgaseinlasselement 24 bezeichnet.
Durch das Brennerabgaseinlasselement 24 wird erreicht, dass die Brennerabgase nicht konzentriert oder punktuell in die Maschinenabgase eingebracht werden, sondern über den gesamten Umfang des Abgasrohrabschnitts 8 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt in die Maschinenabgase einströmen und sich mit diesen vermischen.
Der ringartige Kanal 20 weist in dem ersten Ausführungsbeispiel einen von der Rohrleitung 22 aus in einer Brennerabgasströmungsrichtung kontinuierlich abnehmenden Querschnitt auf (siehe 2). Das bedeutet, dass der Querschnitt des ringartigen Kanals 20 mit zunehmender Umfangsumschlingung des Abgasrohrabschnitts 8 abnimmt. Alternativ kann der ringartige Kanal 20 einen konstanten Querschnitt aufweisen.
Der kontinuierlich abnehmende Querschnitt des ringartigen Kanals 20 verbessert das Strömungsverhalten der Brennerabgase dahingehend, dass zumindest ein Teil der Brennerabgase den ringartigen Kanal 20 vollständig durchströmt, bevor sie in den Abgasrohrabschnitt 8die Maschinenabgase einströmen.
In 2 ist zu erkennen, dass der Querschnitt des ringartigen Kanals 20 unterhalb des Abgasrohrabschnitts 8 größer ist als oberhalb des Abgasrohrabschnitts 8. Somit mündet die Rohrleitung 22, die den ringartigen Kanal 20 und den Brenner 4 fluidleitend verbindet, unten in den ringartigen Kanal 20, wie in den 1a und 1b dargestellt. Alternativ kann die Rohleitung 22 auch oberhalb in den ringartigen Kanal 20 münden. In diesem Fall wäre der Querschnitt des ringartigen Kanals 20 oberhalb des Abgasrohrabschnitts 8 größer als unterhalb des Abgasrohrabschnitts 8.
In der 2 ist ferner ersichtlich, dass aufgrund des größeren Durchmessers D₂ des zweiten Teilabschnitts 18 des Abgasrohrabschnitts 8 am Übergang des ersten Teilabschnitts 16 und dem ringartigen Kanal 20 eine Stufe ausgebildet ist. Diese Stufe „schützt“ die in dem ringartigen Kanal 20 umlaufend strömenden Brennerabgase davor, vorzeitig von den Maschinenabgasen aus dem ringartigen Kanal 20 heraus gespült zu werden. Der größere Durchmesser D₂ des zweiten Teilabschnitts 18 des Abgasrohrabschnitts 8 ermöglicht es, dass sich die Abgasströmung im Bereich der Einleitstelle etwas aufweiten kann, was auch als Freistahl bezeichnet wird, aber dennoch innerhalb des Durchmessers D₁ des ersten Teilabschnitts 16 des Abgasrohrabschnitts 8 bleibt. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass zumindest ein Teil der Brennerabgase den ringartigen Kanal 20 im Wesentlichen vollständig durchströmt, ehe dieser Teil der Brennerabgase in den Abgasrohrabschnitt 8 einströmt.
Somit wird erreicht, dass die Brennerabgase entlang des gesamten Umfangs des Abgasrohrabschnitts 8 in den Abgasrohrabschnitt 8 einströmen und sich dort mit den Maschinenabgasen vermischen. Dadurch ist bereits auf einer kurzen Wegstrecke bei einem kurzen Abstand a, insbesondere einem Abstand a von weniger als 0,25 m, zwischen dem Brennerabgaseinlasselement 24 und dem Katalysator 14 eine im Wesentlichen gleichmäßige Vermischung der Brennerabgase und der Maschinenabgase möglich.
Die im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Brennerabgase in den Maschinenabgasen ermöglicht es, eine Oberfläche des Katalysators 14 möglichst gleichmäßig zu erwärmen, wodurch auf der gesamten Oberfläche des Katalysators 14 ein im Wesentlichen konstanter Wirkungsgrad zur Reinigung der Abgase erzielt wird.
In 2 ist der Abgasstrangabschnitt 2 in der Abgasströmungsrichtung 10 stromaufwärts des ringartigen Kanals 20 mit der Verbrennungskraftmaschine 12 des Fahrzeugs 6 verbunden.
Die Verbrennungskraftmaschine 12 erzeugt abhängig von ihrem Betriebszustand Maschinenabgase mit unterschiedlichen Abgasmasseströmen, welche in der Abgasströmungsrichtung 10 durch den Abgasrohrabschnitt 8 in den Katalysator 14 strömen. Der ringartige Kanal 20 ermöglicht, dass sich die Brennerabgase, unabhängig von den Abgasmasseströmen der Maschinenabgase im Wesentlichen gleichmäßig mit diesen vermischen, bevor sie den Katalysator 14 erreichen.
In den 1a und 1b sind zwei unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten des Brenners 4 relativ zum Abgasrohrabschnitt 8 dargestellt.
In 1a ist der Brenner 4 im Wesentlichen parallel zum Abgasrohrabschnitt 8 angeordnet. In 1b ist der Brenner 4 senkrecht bzw. vertikal zum Abgasrohrabschnitt 8 angeordnet. Es sind auch noch weitere Anordnungsmöglichkeiten des Brenners 4 relativ zum Abgasrohrabschnitt 8 denkbar. Die Anordnung des Brenners 4 kann abhängig vom verfügbaren Bauraum gewählt werden.
3 zeigt ein Fahrzeug 6 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasstrangabschnitts 2. Auch gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst der Abgasstrangabschnitt 2 einen Abgasrohrabschnitt 8 und einen Katalysator 14, der in der Abgasströmungsrichtung 10 stromabwärts des Abgasrohrabschnitts 8 angeordnet ist.
Der Abgasrohrabschnitt 8 besitzt einen ersten Teilabschnitt 26 und einen zweiten Teilabschnitt 28. Der zweite Teilabschnitt 28 ist in der Abgasströmungsrichtung 10 gesehen stromabwärts des ersten Teilabschnitts 26 angeordnet und hat einen kleineren Durchmesser D₄ als der erste Teilabschnitt 26. Dabei gehen der erste Teilabschnitt 26 und der zweite Teilabschnitt 28 kontinuierlich, also stufenlos, ineinander über.
Im Bereich des ersten Teilabschnitts 26 ist das Brennerabgaseinlasselement angeordnet, das in Form eines Rohrbogens 30 ausgebildet ist. Der Rohrbogen 30 besitzt an einem axialen Ende eine Brennerabgasausströmöffnung 32, aus der die Brennerabgase aus dem Rohrbogen 30 heraus und in die Maschinenabgase in dem Abgasrohrabschnitt 8 hinein strömen.
Der Rohrbogen 30 ist an einem gegenüberliegenden axialen Ende über die Verbindungsstruktur 22, hier beispielhaft in Form einer Rohrleitung 22, fluidleitend mit dem Brenner 4 verbunden.
Der Rohrbogen 30 ist in dem Abgasrohrabschnitt 8 derart angeordnet, dass ein Mittelpunkt 34 der Brennerabgasausströmöffnung 32 auf einer Mittelachse 36 des zylinderförmig ausgebildeten Abgasrohrabschnitts 8 liegt. Alternativ kann der Mittelpunkt 34 auch bis zu einem Viertel des Durchmessers der Brennerabgasausströmöffnung 32 gegenüber der Mittelachse 36 nach oben versetzt angeordnet sein.
Die Brennerabgase strömen innerhalb des Rohrbogens 30 an einer äußeren Rohrbogen-Innenwand 42 entlang. Beim Austritt aus der Brennerabgasausströmöffnung 32 kommt es aufgrund der Trägheit der Brennerabgase dazu, dass diese nicht exakt in der Normalenrichtung der Brennerabgasausströmöffnung 32 ausströmen, sondern etwas nach unten versetzt. Um dies auszugleichen, ist der Rohrbogen 30 derart in dem Abgasrohrabschnitt 8 angeordnet, dass eine Mittelachse 36 des Rohrbogens 30, welche senkrecht, also in Normalenrichtung zur Brennerabgasausströmöffnung 32 angeordnet ist, zur Mittelachse 36 des Abgasrohrabschnitts 8 geneigt ist. Die Mittelachse 36 des Rohrbogens 30 ist beispielsweise um einen Winkel 40 von 5° bis 20°, insbesondere um einen Winkel 40 von 10° bis 15°, gegenüber der Mittelachse 36 des Abgasrohrabschnitts 8 nach oben geneigt.
Nach oben geneigt bedeutet, dass sich der Rohrbogen 30 etwas zurück in die Richtung erstreckt, aus der er gekommen ist, damit die Brennerabgase im Wesentlichen achsparallel zur Mittelachse 36 und im Wesentlichen mittig im Abgasrohrabschnitt 8 aus der Brennerabgasausströmöffnung 32 austreten. Dadurch wird erreicht, dass die Brennerabgase von kalten Begrenzungen, insbesondere den Wänden 44 des Abgasrohrabschnitts 8, fernbleiben. Luft, die zwischen den mittig im Abgasrohrabschnitt 8 strömenden heißen Brennerabgasen und den Begrenzungen 44 vorhanden ist, dient als Isolation für die heißen Brennerabgase. Die Brennerabgase weisen dadurch über Distanzen von 0,25 m oder mehr nur geringe Wärmeverluste auf.
Der Rohrbogen 30 ist aus den gleichen Gründen, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert worden sind, in dem ersten Teilabschnitt 26 mit dem größeren Durchmesser D₃ angeordnet. Der größere Durchmesser D₃ im Bereich des Brennerabgaseinlasselements 30 verhindert, dass der Strömungswiderstand der Maschinenabgase bei Volllast, also der sogenannte Abgasgegendruck, zu stark ansteigt. Stromaufwärts des ersten Teilabschnitts 26 des Abgasrohrabschnitts 8 kann ein damit fluidleitend verbundener Abgasrohrabschnitt 46 den gleichen Durchmesser D₄ aufweisen wie der zweite Teilabschnitt 28 des Abgasrohrabschnitts 8. Somit kann der erste Teilabschnitt 26 als eine lokale Aufweitung 48 bezeichnet werden.
Der Abgasrohrabschnitt 46 und der Abgasrohrabschnitt 8 können einstückig, also integral oder als separate Teile ausgebildet sein, die dauerhaft miteinander verbunden sind.
Das erste, in der 2 gezeigte, Ausführungsbeispiel wird insbesondere für Abgasstrangabschnitte 2 eingesetzt, bei denen ein Abstand a bzw. eine Distanz zwischen dem Brennerabgaseinlasselement 24, 30 und dem Katalysator 14 kleiner als 0,25 m ist. Die Wärmeverluste der Brennerabgase sind über eine solch kurze Distanz vernachlässigbar und durch den ringartigen Kanal 20 werden die Brennerabgase über den gesamten Umfang des Abgasrohrabschnitts 8 verteilt in die Maschinenabgase eingebracht, und eine möglichst gleichmäßige Vermischung der beiden Abgase miteinander über die kurze Distanz von weniger als 0,25 m ermöglicht.
Das zweite, in der 3 gezeigte, Ausführungsbeispiel wird insbesondere für Abgassstrangabschnitte 2 eingesetzt, bei denen der Abstand a bzw. die Distanz zwischen dem Brennerabgaseinlasselement 24, 30 und dem Katalysator 14 0,25 m oder mehr beträgt. Über eine solche Distanz findet eine möglichst gleichmäßige Vermischung der Brennerabgase mit den Maschinenabgasen von alleine statt. Durch die im Wesentlichen parallele und im Wesentlichen mittige Einbringung der Brennerabgase in den Abgasrohrabschnitt 8 wird verhindert, dass die heißen Brennerabgase mit den kalten Begrenzungen 44 des Abgasrohrabschnitts 8 in Kontakt kommen. Dadurch werden die Wärmeverluste der Brennerabgase über eine Distanz von 0,25 m oder mehr möglichst gering gehalten.

Claims

Abgasstrangabschnitt (2) für ein Kraftfahrzeug (6) mit einer Verbrennungskraftmaschine (12), mit: einem Abgasrohrabschnitt (8), der derart mit der Verbrennungskraftmaschine (12) verbindbar ist, dass Abgase der Verbrennungskraftmaschine (12) den Abgasrohrabschnitt (8) in einer Abgasströmungsrichtung (10) durchströmen; einem Katalysator (14), der dem Abgasrohrabschnitt (8) in der Abgasströmungsrichtung (10) nachgeschaltet angeordnet ist und zur Reinigung der Abgase dient; und einem Brenner (4), der dazu ausgelegt ist, heiße Brennerabgase zu erzeugen, wobei der Brenner (4) separat von dem Abgasrohrabschnitt (8) und dem Katalysator (14) angeordnet ist und fluidleitend mit dem Abgasrohrabschnitt (8) verbunden ist, wobei ein Brennerabgaseinlasselement (24; 30) in der Abgasströmungsrichtung (10) stromaufwärts des Katalysators (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringartiger Kanal (20) zumindest teilweise an einem Außenumfang des Abgasrohrabschnitts (8) in Umfangsrichtung ausgebildet ist und das Brennerabgaseinlasselement als eine Öffnung (24) ausgebildet ist, die sich in Umfangsrichtung um den Abgasrohrabschnitt (8) erstreckt und den ringartigen Kanal (20) fluidleitend mit dem Abgasrohrabschnitt (8) verbindet, oder dass das Brennerabgaseinlasselement (30) derart ausgebildet ist, dass die beim Betrieb des Brenners (4) erzeugten heißen Brennerabgase im Wesentlichen mittig und im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse (36) des Abgasrohrabschnitts (8) aus dem Brennerabgaseinlasselement (30) in den Abgasrohrabschnitt (8) einströmen.
Abgasstrangabschnitt (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (4) parallel oder quer, insbesondere vertikal zum Abgasrohrabschnitt (8) angeordnet ist.
Abgasstrangabschnitt (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, ein Abstand (a) zwischen dem Brennerabgaseinlasselement (24) des ringartigen Kanals (20) und dem Katalysator (14) höchstens 0,25 m beträgt.
Abgasstrangabschnitt (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ringartige Kanal (20) entlang des Umfangs des Abgasrohrabschnitts (8) einen konstanten Querschnitt oder einen in einer Brennerabgasströmungsrichtung kontinuierlich abnehmenden Querschnitt aufweist.
Abgasstrangabschnitt (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilabschnitt (16) des Abgasrohrabschnitts (8) stromaufwärts des ringartigen Kanals (20) einen kleineren Durchmesser (D₁) aufweist als ein zweiter Teilabschnitt (18) des Abgasrohrabschnitts (8) stromabwärts des ringartigen Kanals (20).
Abgasstrangabschnitt (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennzeichnet, dass das Brennerabgaseinlasselement als ein Rohrbogen (30) ausgebildet ist, der in dem Abgasrohrabschnitt (8) angeordnet ist, wobei der Rohrbogen (30) an einem ersten axialen Ende mit einer Verbindungsstruktur (20) mit dem Brenner (4) fluidleitend verbunden ist und an einem zweiten axialen Ende eine Brennerabgasausströmöffnung (34) besitzt.
Abgasstrangabschnitt (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) zwischen der Brennerabgasausströmöffnung (34) und dem Katalysator (14) mindestens 0,25 m beträgt.
Abgasstrangabschnitt (2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (40) zwischen einer Mittelachse (38) der Brennerabgasausströmöffnung (34) und der Mittelachse (36) des Abgasrohrabschnitts (8) zwischen 5° und 20°, insbesondere zwischen 10° und 15°, beträgt.
Abgasstrangabschnitt (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennerabgaseinlasselement (30) in einem ersten Teilabschnitt (26) des Abgasrohrabschnitts (8) angeordnet ist, der in der Abgasströmungsrichtung (10) einem zweiten Teilabschnitt (28) vorgelagert angeordnet ist, wobei der erste Teilabschnitt (26) einen größeren Durchmesser (D₃) aufweist als der zweite Teilabschnitt (28) und der erste Teilabschnitt (26) und der zweite Teilabschnitt (28) kontinuierlich ineinander übergehen.
Kraftfahrzeug (6), mit: einer Verbrennungskraftmaschine (12), die mit einem Abgasstrangabschnitt (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche fluidleitend verbunden ist.