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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschinenanordnung mit einer Brennkraftmaschine und einer damit verbundenen Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschinenanordnung.
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Gattungsgemäße Brennkraftmaschinenanordnungen sind hinlänglich bekannt und ermöglichen über eine entsprechende Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Reinigung des Abgases und damit eine Schonung der Umwelt. Über eine zusätzlich unter Umständen vorgesehene Wärmerückgewinnungseinrichtung lässt sich die im Abgas enthaltende Wärmeenergie zumindest teilweise rückgewinnen und nutzen, wodurch der Energieverbrauch der Brennkraftmaschinenanordnung bzw. weiterer damit verbundener Komponenten gesenkt werden kann.
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In bestimmten Betriebszuständen ist dabei ein Durchströmen des Verdampfers mit Abgas und dadurch ein Erhitzen des Verdampfers unerwünscht und muss dementsprechend vermieden werden. Bislang ist dies lediglich durch eine vergleichsweise aufwendige Ventilmechanik möglich, welche nicht nur konstruktiv aufwendig, sondern zudem auch teuer ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Brennkraftmaschinenanordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Brennkraftmaschinenanordnung mit einer Brennkraftmaschine und einer damit verbundenen Abgasnachbehandlung sowie einem davon abgehenden Abgaskanal, den Abgaskanal, eine darin angeordnete Klappe und/oder einen Abzweig zu einem Verdampfer einer Wärmerückgewinnungseinrichtung derart auszubilden, dass bei geöffneter Klappe kein Abgas oder weniger als 10% des gesamten Abgases, bevorzugt weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt weniger als 2% des gesamten Abgases, vom Abgaskanal in Richtung des Verdampfers strömt und diesen in unerwünschter Weise erwärmt. In dem Abgaskanal ist dabei ein Abzweig in einen ersten Verbindungskanal zum Verdampfer der Wärmerückgewinnungseinrichtung vorgesehen, wobei stromab dieses Abzweigs in dem Abgaskanal eine Klappe angeordnet ist, über welche ein Querschnitt des Abgaskanals reduzierbar, vorzugsweise sogar verschließbar, ist, und dadurch ein im Abgaskanal bzw. im Verbindungskanal zum Verdampfer der Rückgewinnungseinrichtung strömender Abgasstrom regulierbar ist. Der Abgaskanal, der Abzweig und/oder die Klappe sind dabei so ausgebildet, dass bei geöffneter Klappe kein Abgas oder weniger als 10% des gesamten Abgasmassenstroms, bevorzugt weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt weniger als 2% des gesamten Abgases, vom Abgaskanal in Richtung des Verdampfers strömt, so dass dieser bei vollständig geöffneter Klappe nicht durch Abgas erwärmt wird. Im Vergleich zu bislang bekannten Brennkraftmaschinenanordnungen stellt diese eine deutliche konstruktive Vereinfachung im Bereich des Abgaskanals, des Abzweigs und/oder der Klappe dar, wobei zugleich auf eine bislang oftmals erforderlich aufwendige und damit teure Ventiltechnik verzichtet werden kann. Insgesamt kann so mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung ein unerwünschtes Durchströmen des Verdampfers der Wärmerückgewinnungseinrichtung zuverlässig ausgeschlossen werden und dies zusätzlich vergleichsweise kostengünstig.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist im Bereich des Abgaskanals und/oder des Abzweigs zumindest ein Strömungsleitelement vorgesehen, welches derart ausgebildet ist, dass bei geöffneter Klappe eine Rückströmung im ersten Verbindungskanal vom Verdampfer zum Abgaskanal erfolgt. Ein derartiges Strömungsleitelement kann beispielsweise eine Verengung des Abgaskanals bewirken und dadurch insbesondere stromab des Abzweigs im Abgaskanal einen zumindest geringfügigen Unterdruck erzeugen, der ein Ansaugen von Luft aus dem mit dem Verdampfer verbundenen ersten Verbindungskanal bewirkt. Durch die hierdurch erzeugte, wenn auch lediglich sehr geringfügige, Rückströmung vom Verdampfer in den Abgaskanal, kann ein Abgasaustritt aus dem Abgaskanal über den ersten Verbindungskanal in den Verdampfer besonders zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Das zumindest eine Strömungsleitelement kann dabei beispielsweise im Bereich des Abzweigs oder stromab dazu angeordnet sein. Der Abgaskanal kann somit beispielsweise im Abzweig in der Art einer Venturi-Düse ausgebildet sein und eine Querschnittsverengung aufweisen. Über die in diesem Bereich erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und den erhöhten Druck, wird Fluid, beispielsweise noch vorhandenes Abgas oder Luft, aus dem ersten Verbindungskanal in den Abgaskanal angesaugt und dadurch auf jeden Fall ein unerwünschter Übertritt von Abgas über den ersten Verbindungskanal in den Verdampfer verhindert.
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Zweckmäßig weist die im Abgaskanal stromab des Abzweigs angeordnete Klappe eine geometrische Form auf, die bei geöffneter Klappe einen Unterdruck im Abgaskanal stromab des Abzweigs erzeugt. Eine derartige geometrische Form kann beispielsweise in einer Tropfenform sein. Über eine derartige geometrische Form wird im Bereich des Abzweigs, bzw. im Bereich der Einmündung des ersten Verbindungskanals ein Unterdruck erzeugt, der eine Fluidansaugung aus dem ersten Verbindungskanal in den Abgaskanal bewirkt und dadurch ebenfalls die in dem vorherigen Absatz beschriebenen Folgen hervorruft.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist ein zweiter Verbindungskanal vorgesehen, der aus dem ersten Verbindungskanal abzweigt und stromab des Abzweigs und stromauf der Klappe in den Abgaskanal mündet. Über einen derartigen zweiten Verbindungskanal, welcher im Querschnitt deutlich kleiner ist als der erste Verbindungskanal und/oder der Abgaskanal, kann ebenfalls eine unterdruckbedingte Rückströmung von Fluid aus dem ersten Verbindungskanal in den Abgaskanal bewirkt und dadurch ein Durchströmen des Verdampfers mit Abgas bei gleichzeitig geöffneter Klappe verhindert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind ein zuvor beschriebener zweiter Verbindungskanal sowie eine Klappe vorgesehen, die in geöffnetem Zustand einen Unterdruck im Abgaskanal stromab des Abzweigs erzeugt. Der Verbindungskanal endet dann vorzugsweise auf Höhe der Klappe, die beispielsweise als Butterflyklappe ausgebildet sein kann, das heißt im Bereich der Querschnittsverengung.
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Zweckmäßig ist an einer Mündung des zweiten Verbindungskanal in den Abgaskanal eine federbeaufschlagte Rückschlagklappe angeordnet, die bei geöffneter Klappe im Abgaskanal geschlossen ist. Die Rückschlagklappe wird dabei über den im Abgaskanal bei geöffneter Klappe strömenden Abgasmassenstrom mitgerissen und dadurch geschlossen. Sobald die Klappe im Abgaskanal geschlossen ist, stellt sich ein Gleichgewicht hinsichtlich des Drucks ein, der stromauf der Klappe im Abgaskanal, sowie im ersten und zweiten Verbindungskanal herrscht. Durch ein derartiges Gleichgewicht wird die Rückschlagklappe aufgrund der Federkraft geöffnet.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung ist der Abgaskanal im Bereich des Abzweigs als gelochtes Rohr mit Durchgangsöffnungen ausgebildet, die den Abzweig in den ersten Verbindungskanal bilden. Der Abgaskanal quert somit den Abzweig, der rein theoretisch auch Teil eines Diffusors des Verdampfers sein kann, wobei eine derartige Ausführungsform besonders einfach herzustellen ist, da der Abzweig des ersten Verbindungskanals aus dem Abgaskanal vergleichsweise einfach hergestellt werden kann. Der Abgaskanal selbst ist ebenfalls einfach herzustellen und lediglich im Bereich des Abzweigs mit entsprechenden Durchgangsöffnungen bzw. Löcher zu versehen. Durch die mögliche Ausführungsform, wonach der erste Verbindungskanal im Bereich des Abzweigs Teil eines Diffusors des Verdampfers ist, kann auf einen separaten ersten Verbindungskanal bis zum Diffusor des Verdampfers ebenfalls verzichtet werden, wodurch eine kompakte Bauweise sowie eine Reduzierung der Teilevielfalt und eine Reduzierung der Montagekosten erreicht werden können.
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Zweckmäßig weisen die Durchgangsöffnungen im Abgaskanal einen schräg zu einer Achse des Abgaskanals ausgerichteten Umfangsrand auf. Die Ränder sind dabei so ausgerichtet, dass diese eine Art Einfädelspur des ersten Verbindungskanals in den Abgaskanal bilden. Hierdurch ist es möglich, bei geöffneter Klappe im Abgaskanal, insbesondere bei vollständig geöffneter Klappe im Abgaskanal, einen Unterdruck im Bereich der Durchgangsöffnungen zu erzeugen, wodurch in dem gelochten Bereich des Abgaskanals Fluid, beispielsweise Abgas und/oder Luft, aus dem ersten Verbindungskanal bzw. dem Diffusor des Verdampfers angesaugt und in den Abgaskanal eingesaugt und dadurch eine Rückströmung von Fluid aus dem Verdampfer in den Abgaskanal bewirkt wird, wodurch eine unerwünschte Abgasströmung vom Abgaskanal in den Verdampfer bei geöffneter, insbesondere bei vollständig geöffneter, Klappe zuverlässig vermieden werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches die zuvor beschriebene Brennkraftmaschinenanordnung aufweist, wodurch die zuvor beschriebenen Vorteile, insbesondere eine konstruktiv einfachere und kostengünstigere Ausbildung auch auf das Kraftfahrzeug übertragen werden können, so dass auch dieses insgesamt konstruktiv einfacher und kostengünstiger ausgebildet werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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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.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch.
- 1 eine erste mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem zweiten Verbindungskanal,
- 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung,
- 4 eine Schnittdarstellung durch einen Abgaskanal 4 entsprechend der gemäß der 3 dargestellten Brennkraftmaschinenanordnung,
- 5 eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung mit einer Verjüngung des Abgaskanals im Bereich des Abzweigs.
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Entsprechend den 1 bis 3 und 5, weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschinenanordnung 1 eine Brennkraftmaschine 2 sowie eine damit verbundene Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 mit einem davon abgehenden Abgaskanal 4 auf. Erfindungsgemäß ist in dem Abgaskanal 4 ein Abzweig 5 in einen ersten Verbindungskanal 6 bzw. zu einem Verdampfer 7 einer Wärmerückgewinnungseinrichtung 8 vorgesehen. Stromab des Abzweigs 5 ist in dem Abgaskanal 4 darüber hinaus eine Klappe 9 angeordnet, über die ein Querschnitt des Abgaskanals 4 reduziert, vorzugsweise sogar verschlossen werden kann, so dass im verschlossenen Zustand vorzugsweise sämtliches aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung 3 über den Abgaskanal 4 ausströmendes Abgas über den ersten Verbindungskanal 6 zum Verdampfer 7 geleitet wird. Ist die Klappe 9 hingegen geöffnet, so ist ein Abgasstrom zum Verdampfer 7 hin unerwünscht, insbesondere um dessen Aufheizen zu verhindern.
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Erfindungsgemäß sind deshalb der Abgaskanal 4, der Abzweig 5 und/oder die Klappe 9 derart ausgebildet, dass bei geöffneter Klappe 9 kein Abgas oder weniger als 10% des gesamten Abgases (Gesamtabgasmassenstrom), bevorzugt weniger als 5%, ganz besonders bevorzugt weniger als 2% des gesamten Abgases, vom Abgaskanal 4 in Richtung des Verdampfers 7 strömt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, beispielsweise mit Strömungsleitelementen 10, kann im Vergleich zu bislang aus dem Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinenanordnungen auf eine vergleichsweise aufwendige und dadurch auch teure Ventiltechnik verzichtet werden. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung 1 ist es somit konstruktiv einfach und kostengünstig möglich, eine unerwünschte Durchströmung des Verdampfers 7 mit Abgas bei gleichzeitig geöffneter Klappe 9 zuverlässig auszuschließen.
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Betrachtet man beispielsweise die 1, so kann man erkennen, dass im Bereich des Abgaskanals 4 und/oder des Abzweigs 5 zumindest ein Strömungsleitelement 10 vorgesehen ist, welches derart ausgebildet ist, dass bei geöffneter Klappe 9 eine Rückströmung im ersten Verbindungskanal 6, das heißt generell vom Verdampfer 3 zum Abgaskanal 4 erfolgt, beispielsweise durch Erzeugen eines Unterdrucks stromab der Abzweigung 5, die ein Ansaugen von Abgas bzw. Luft aus dem ersten Verbindungskanal 6 bzw. dem Verdampfer 7 bewirkt. Denkbar ist hierbei beispielsweise, dass der Abgaskanal 4 im Bereich des Abzweigs 5 als sogenannte Venturi-Düse ausgebildete ist, so dass in diesem Bereich ein Abgasmassenstrom beschleunigt und ein Unterdruck erzeugt wird, wodurch ein Ansaugen von Luft bzw. noch verbliebenem Abgas aus dem Verdampfer bewirkt werden kann. Durch die hierdurch erzwungene Rückströmung kann ein unerwünschtes Übertreten von Abgas aus dem Abgaskanal 4, den Abzweig 5 in den Verdampfer 7 und damit auch ein unerwünschtes Aufheizen desselben zuverlässig vermieden werden.
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Das zumindest eine Strömungsleitelement 10 kann dabei im Bereich des Abzweigs 5 oder stromauf bzw. stromab dazu angeordnet sein, wobei gemäß der 1 zwei Strömungsleitelemente 10 vorgesehen sind, eines im Bereich des Abzweigs 5, und das andere auf der gegenüberliegende Seite des Abgaskanals 4, wobei die beiden Strömungsleitelemente 10 in diesem Bereich eine Reduzierung des Strömungsquerschnitts und damit einen Venturi-Effekt bewirken.
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Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die Klappe 9 eine geometrische Form aufweist, die bei geöffneter Klappe 9 einen Unterdruck im Abgaskanal 4 stromab des Abzweigs 5 erzeugt und dadurch ebenfalls ein Ansaugen von Abgas und/oder Luft aus dem ersten Verbindungskanal 6 bzw. dem Verdampfer 7 bewirkt. Eine derartige geometrische Ausführungsform kann beispielsweise eine Tropfenform sein, wie dies bei der Klappe 9 gemäß der 2 dargestellt ist.
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Betrachtet man die erfindungsgemäße Brennkraftmaschinenanordnung 1 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass hier ein zweiter Verbindungskanal 11 vorgesehen ist, der aus dem ersten Verbindungskanal 6 abzweigt und stromab des Abzweigs 5 bzw. stromauf der Klappe 9 in den Abgaskanal 4 mündet. Durch den Umstand, dass der zweite Verbindungskanal 11 stromauf der Klappe 9 in den Abgaskanal 4 mündet, kann bei geschlossener Klappe 9, die selbstverständlich auch die gemäß der 1 dargestellte geometrische Form aufweisen kann, ein Druckausgleich zwischen dem Abgaskanal 4 und den beiden Verbindungskanälen 6, 11 erreicht werden.
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An einer Mündung 12 des zweiten Verbindungskanals 11 in den Abgaskanal 4 kann darüber hinaus eine Rückschlagklappe 13 angeordnet sein, die federbeaufschlagt in eine Öffnungsrichtung ist und die bei geöffneter Klappe 9 aufgrund des im Abgaskanal strömenden Abgasmassenstroms geschlossen ist. Wird die Klappe 9 geschlossen, so liegt im Abgaskanal 4 stromauf der Klappe 9 sowie im ersten und zweiten Verbindungskanal 6, 11 der gleiche Druck an, wodurch die Rückschlagklappe 12 aufgrund der Federvorspannung in ihre Öffnungsstellung verstellt wird. Eine derartige Rückschlagklappe 12 ist selbstverständlich optional vorgesehen, so dass der zweite Verbindungskanal 11 rein theoretisch auch ohne derartige Rückschlagklappe 12 angeordnet sein kann und aufgrund seiner ähnlich einer Einfädelspur in den Abgaskanal 4 einmündenden Form ein Ansaugen von Fluid bzw. Abgas und/oder Luft aus dem ersten Verbindungskanal 6 und damit dem Verdampfer 5 bewirken kann, wodurch ebenfalls ein unerwünschter Übertritt von Abgas aus dem Abgaskanal 4 in den ersten Verbindungskanal 6 und den Verdampfer 7 zuverlässig verhindert werden kann.
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Betrachtet man die gemäß der 3 dargestellte alternative Ausführungsform, so kann man erkennen, dass bei dieser der Abgaskanal 4 im Bereich des Abzweigs 5 als gelochtes Rohr mit Durchgangsöffnungen 14 ausgebildet ist und die Durchgangsöffnungen 14 den Abzweig 5 in den ersten Verbindungskanal 6 bilden. In diesem Fall ist der erste Verbindungskanal 6 im Bereich des Abzweigs 5 Teil eines Diffusors 15 des Verdampfers 7. Hierdurch kann der bislang separate zum Diffusor 15 ausgebildete erste Verbindungskanal 6 gänzlich entfallen, wodurch eine konstruktiv einfache, kompakte und zugleich kostengünstige Bauweise erreicht werden kann.
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Betrachtet man noch die 4, so kann man erkennen, dass die Durchgangsöffnungen 14 einen schräg bzw. gebogenen schräg zu einer Achse 16 des Abgaskanals 4 ausgerichteten Umfangsrand 17 aufweisen, der bei geöffneter Klappe 9 im Abgaskanal 4 einen gewissen Unterdruck erzeugt, der zur Ansaugung von Abgas und/oder Luft aus dem ersten Verbindungskanal 6 bzw. dem Diffusor 15 führt.
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Betrachtet man noch die 5, so kann man erkennen, dass sich der Abgaskanal 4 im Bereich des Abzweigs 5 verjüngt und stromab des Abzweigs 5 im Bereich der Klappe 9 wieder aufweitet. Eine derartige Verjüngung 19 bewirkt einen zumindest ähnlichen Effekt wie das Strömungsleitelement 10, nämlich eine Reduzierung des Strömungsquerschnitts und damit einen Venturi-Effekt. Dieser trägt dazu bei, dass bei geöffneter Klappe 9 kein Abgas oder weniger als 10% des gesamten Abgases (Gesamtabgasmassenstrom) vom Abgaskanal 4 in Richtung des Verdampfers 7 strömt und ein zumindest geringer Unterdruck erzeugt wird, der ein Ansaugen von Luft aus dem mit dem Verdampfer 7 verbundenen ersten Verbindungskanal 6 bewirkt. Hierdurch kann ein unerwünschtes Aufheizen von Abgas zuverlässig vermieden werden.
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Alles in allem kann mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung 1, die beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeugs 18 sein kann, ein unerwünschtes Durchströmen des Verdampfers 7 bei vollständig geöffneter Klappe 9 im Abgaskanal 4 zuverlässig, konstruktiv äußerst einfach und zugleich kostengünstig erreicht werden.
