DE102021214992A1

DE102021214992A1 - Abgassensorvorrichtung und Abgas-Bypasskühler mit einem Abgassensor

Info

Publication number: DE102021214992A1
Application number: DE102021214992.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Bypasskühler (70) mit einem Einlass (72) und einem Auslass (74) zur Verbindung des Abgas-Bypasskühlers (70) mit einer Abgasleitung (62) beispielsweise einer Brennkraftmaschine und mit einer Bypassleitung (78), die den Einlass (72) mit dem Auslass (74) verbindet und einen zur Abgasleitung (62) parallelen Pfad darstellt, und mit einer an der Bypassleitung (78) vorgesehenen Anschlussstelle (95) zum Anschluss eines Abgassensors (16).Es kann sich bei dem Abgassensor beispielsweise um einen optischen Partikelsensor handeln.Die Erfindung betrifft auch eine Abgassensorvorrichtung, die einen Abgas-Bypasskühler und einen in ihm montierten Abgassensor umfasst.

Description

Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 044 171 A1 der Anmelderin ist bereits ein Abgassensor bekannt, dessen wesentliche Bestandteile in einem Bypass zu einer Abgasleitung angeordnet sind.
Die DE 10 2018 218 734 A1 der Anmelderin offenbart andererseits einen Partikelsensor mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht auf einen Laserfokus und mit Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung, der zumindest einen optischen Zugang aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich von einem dem Messgas abgewandten Bereich, der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt, wobei die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung in dem dem Messgas abgewandten Bereich angeordnet sind, der ein Gehäuse aufweist, in dem der optische Zugang angeordnet ist, wobei das Gehäuse zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Gehäuses einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt der Teilströmung aus dem Gehäuse aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgas-Bypasskühler mit einem Einlass und einem Auslass zur Verbindung des Abgas-Bypasskühlers mit einer Abgasleitung beispielsweise einer Brennkraftmaschine und mit einer Bypassleitung, die den Einlass mit dem Auslass verbindet und einen zur Abgasleitung parallelen Pfad darstellt, und mit einer an der Bypassleitung vorgesehenen Anschlussstelle zum Anschluss eines Abgassensors.
Dahinter verbirgt sich die Zielsetzung, mit Abgassensoren, die eine gewisse Temperaturempfindlichkeit aufweisen, zum Beispiel in der Art des eingangs genannten Partikelsensors aus dem Stand der Technik, auch im Abgas von hoch performanten Brennkraftmaschinen Messungen durchführen zu können, also ausgehend von sehr heißen Abgasen und sehr hohen Abgasgeschwindigkeiten bzw. sehr hohen Abgasmassenströmen. Der Abgas-Bypasskühler vermindert hierbei die Temperatur und ggf. auch die Geschwindigkeit bzw. den Massenstrom des Abgases, dem der Abgassensor ausgesetzt ist.
Der Einlass kann zum Beispiel eine als Flansch ausgebildete Schnittstelle umfassen, die an einem komplementär ausgebildeten Flansch der Abgasleitung dichtend fixiert werden kann.
Sinngemäß verhält es sich bei dem Auslass: Er kann zum Beispiel eine als Flansch ausgebildete Schnittstelle umfassen, die an einem komplementär ausgebildeten Flansch der Abgasleitung dichtend fixiert werden kann.
Die Anschlussstelle zum Anschluss des Abgassensors kann ebenfalls eine einen Flansch umfassende Schnittstelle sein. An ihr kann ein komplementär ausgebildeter Flansch des Abgassensors dichtend fixiert werden. Alternativ kann die Anschlussstelle ein Gewinde umfassen, das mit einem Gewinde des Abgassensors verschraubbar ist.
Zur wirksamen Abkühlung des Abgases in der Bypassleitung kann vorgesehen sein, dass in der Bypassleitung Durchmischungselemente angeordnet sind. Es können beispielsweise Durchmischungselemente derart angeordnet werden, dass ein statischer Mischer realisiert wird, der die Wegstrecke des die Bypassleitung durchströmenden Gases signifikant erhöht. Dadurch verbessert sich die thermische Wechselwirkung des Gases mit dem Abgas-Bypasskühler, also dessen Kühlwirkung. Eine Drosselung des Durchflusses durch den Abgas-Bypasskühler durch die Durchmischungselemente kann und soll hingegen nur geringfügig sein.
Alternativ kann die Bypassleitung als Rohrbündel ausgebildet sein, beispielsweise mit einer Vielzahl von zueinander parallelen Rohren innerhalb der Bypassleitung.
Zur Kühlung der Bypassleitung und damit mittelbar zur wirksamen Abkühlung des Abgases in der Bypassleitung kann vorgesehen sein, dass außen an der Bypassleitung ein Kühlelement bzw. Kühlelemente vorgesehen sind. Bei den Kühlelementen kann es sich beispielsweise um Kühlrippen handeln. Beispielsweise kann auf der Bypassleitung ein Kühlkörper mit Kühlrippen, insbesondere ein Spiralrippen-Kühlkörper, fixiert, beispielsweise aufgeschweißt, sein.
Es kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass sich entlang der Erstreckung der Bypassleitung die Durchmischungselemente und die Kühlelemente überlappen, insbesondere vollständig in dem gleichen Bereich angeordnet sind. Das zu kühlende Abgas wechselwirkt dann intensiv genau mit dem Bereich der Wand der Bypassleitung der von außen durch die Kühlelemente gekühlt ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Sensorvorrichtung, die einen Abgas-Bypasskühler der beschriebenen Art umfasst und einen Abgassensor, der an der Anschlussstelle angeschlossen, beispielsweise gasdicht montiert ist. Beispielsweise kann der Abgassensor einen Montageflansch aufweisen, der mit der Anschlussstelle des Abgas-Bypasskühlers verbunden ist.
Der Abgassensor kann derart beschaffen sein, dass er Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und Mittel zur Fokussierung von Laserlicht auf einen Laserfokus aufweist und Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung aufweist. Der Abgassensor weist insbesondere zumindest einen optischen Zugang auf, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich von einem dem Messgas abgewandten Bereich, der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt. Dabei sind die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung insbesondere in dem dem Messgas abgewandten Bereich angeordnet.
Ein derartiger Abgassensor vermag insbesondere Rußpartikel mit dem Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz nachzuweisen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Mittel zur Erzeugung von Laserlicht ein Laser ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Mittel zur Fokussierung eine Linse umfasst, insbesondere der als Linse ausgebildete optische Zugang ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung ein Photodetektor ist, beispielsweise eine Single Photon Avalanche Diode (SPAT). Es kann vorgesehen sein, dass der optische Zugang ein Fenster ist.
Es kann vorgehen sein, dass der Abgassensor ein Gehäuse aufweist, in dem der optische Zugang angeordnet ist, und dass der Abgassensor, insbesondere das Gehäuse, zumindest eine Eintrittsöffnung aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung entnehmbar und in das Innere des Abgassensors, insbesondere des Gehäuses, einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung zum Austritt der Teilströmung aus dem Abgassensor, insbesondere aus dem Gehäuse, aufweist, und dass das Gehäuse ein erstes Teilgehäuse umfasst, in dem die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung angeordnet sind, und dass das Gehäuse ein zweites Teilgehäuse umfasst, das an dem ersten Teilgehäuse montiert ist, wobei das zweite Teilgehäuse rohrförmig ausgebildet ist und wobei in dem zweiten Teilgehäuse die Mittel zur Fokussierung von Laserlicht auf den Laserfokus angeordnet sind.
Durch die Vorsehung von zwei Teilgehäusen wird eine thermische Entkopplung zwischen den im Allgemeinen relativ temperaturempfindlichen Komponenten zur Erzeugung und zur Detektion von Strahlung und dem Abgas möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein drittes Teilgehäuse umfasst, das insbesondere an dem ersten Teilgehäuse montiert ist, insbesondere rohrförmig ausgebildet ist und das insbesondere konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse ist. Das dritte Teilgehäuse vermag das zweite Gehäuse und somit mittelbar auch das erste Gehäuse thermisch abzuschirmen. Wenn das dritte Teilgehäuse auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist, ist dies umso mehr der Fall.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in oder an dem dritten Teilgehäuse der optische Zugang montiert ist, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses. Der Wärmefluss von dem eher heißen optischen Zugang zum ersten Teilgehäuse wird in diesem Fall durch das dritte Teilgehäuse behindert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem dritten Teilgehäuse, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses, ein insbesondere kragenförmiges Hitzeschutzschild montiert ist. Es unterbricht den Wärmefluss zu bzw. durch das dritte Teilgehäuse.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem dritten Teilgehäuse, insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses, ein Schutzrohrmodul fixiert ist. Es kann beispielsweise wie in dem eingangs genannten Stand der Technik ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Teilgehäuse auf seiner Außenseite Kühlrippen aufweist. Die optischen Komponenten in seinem Inneren werden dadurch gekühlt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Mittel zur Fokussierung zwei Sammellinsen umfasst, die in den beiden axialen Endbereichen des zweiten Teilgehäuses angeordnet sind und auf diese Weise ein Teleskop bilden. Das Teleskop kann auf diese Weise besser thermisch und mechanisch vom Abgas entkoppelt sein, außerdem sind die beiden Sammellinsen auf diese Weise relativ zueinander räumlich fixiert, was die Abbildung durch das Teleskop besonders robust macht.
Die Erfindung betrifft auch einen Abgastrakt, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, mit einem derartigen Abgas-Bypasskühler oder mit einer derartigen Sensorvorrichtung, wobei der Abgastrakt eine Abgasleitung mit einer Ausleitungsstelle und einer Einleitungsstelle aufweist, wobei die Ausleitungsstelle des Abgastrakts mit dem Einlass des Abgas-Bypasskühlers verbunden ist und wobei die Einleitungsstelle des Abgastrakts mit dem Auslass des Abgas-Bypasskühlers verbunden ist.
Dabei ist die das Abgas kühlende Wirkung des Abgas-Bypasskühlers verbessert, wenn zwischen der Abgasleitung des Abgastrakts und der Bypassleitung des Bypasskühlers eine Hitzeschutzvorrichtung montiert ist. Es kann sich dabei um ein Hitzeschutzblech handeln. Es kann beispielsweise entlang der Erstreckung der Bypassleitung den überwiegenden Teil der Bypassleitung gegenüber der Abgasleitung abschirmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen:

1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung vorzugsweise verwendet wird;
2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Sensors, wie er bei der Erfindung vorzugsweise verwendet wird;
3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines Abgassensors, der im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann;
4 einen Abgassensor, der im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann;
5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 - 10 Detailansichten des Ausführungsbeispiels aus 5

1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 ohne Vorzugsrichtung Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 die für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 µm, sodass den Spot 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann meistens davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Partikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche grundsätzlich sogar die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16.
Der Partikelsensor 16 weist ein Schutzrohrmodul 200 aus einem ersten, äußeren Schutzrohr 210 und einem zweiten, inneren Schutzrohr 220 auf. Die Anordnung der Schutzrohre ist hier nur grob und schematisch gezeigt, insofern wird auf die 4 verwiesen.
Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Diese Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nahinfraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, wird von der Sammellinse 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Der Laser 18 weist eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt kollimiert. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt kollimierte Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 fokussiert.
Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 210, 220 und den optischen Elementen des Partikelsensors 16 verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem Abgas 32. In der Trennwand 16.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein als Fenster ausgebildeter optischer Zugang 40 angebracht, durch den hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über den vom Fokus 22 ausgehende Strahlung 14 auf die Sammellinse 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Fokus 22 und das Erfassen der von Partikeln im Fokus 22 ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
Es ist auch denkbar, den Fokus 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Partikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
Die 4 zeigt einen eines Partikelsensors 16 zum Nachweis von Partikeln 12. Erweist ein erstes Teilgehäuse 101 auf, das auf seinen Seitenflächen mit Kühlrippen 101.1 versehen ist, und in dem ein Laser 18, ein Photodetektor 26 und weitere elektronische Komponenten 500, beispielsweise zur Signalerfassung und Signalauswertung, angeordnet sind.
Der Partikelsensor 16 weist ferner ein zweites Teilgehäuse 102 auf, das an dem ersten Teilgehäuse 101 montiert ist und rohrförmig ausgebildet ist. In den beiden axialen Endbereichen des zweiten Teilgehäuses 102 sind zwei plan-konvexe Linsen 20 angeordnet und bilden auf diese Weise ein Teleskop.
Der Partikelsensor 16 weist ferner ein drittes Teilgehäuse 103 auf, das an dem ersten Teilgehäuse 101 montiert ist, das rohrförmig ausgebildet ist und das konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse 102 ist. Zwischen dem zweiten und dem dritten Teilgehäuse 103 ist ein Ringraum ausgebildet, der beispielsweise mit Luft gefüllt oder evakuiert sein kann. Das dritte Teilgehäuse 103 weist auf seiner Außenseite Kühlrippen 103.1 auf.
Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist der optische Zugang 40 in Form eines in einem Fensterhalter 41 montierten Fensters 42 montiert.
Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist ferner ein kragenförmiges Hitzeschutzschild 44 montiert. Es besteht beispielsweise aus zwei metallischen Blechen und einem dazwischen ausgebildeten Spalt, der beispielsweise mit Luft gefüllt sein kann.
Auf der vom ersten Teilgehäuse 101 abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses 103 ist ferner ein Montageflansch 46 zur Montage des Partikelsensors 16 an einer Messgasleitung vorgesehen. Er liegt beispielweise auf einem Einschweißnippel 50 einer Abgasleitung plan auf und ist mittels einer an sich bekannten V-Band-Schelle 52 fixiert.
Überdies ist auf der vom ersten Teilgehäuse abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses auch ein Schutzrohrmodul 200 fixiert.
Das Schutzrohrmodul 200 besteht in diesem Beispiel aus einem ersten Schutzrohr 210, einem zweiten Schutzrohr 220 und einem dritten Schutzrohr 230.
Das erste Schutzrohr 210 ist topförmig ausgebildet, mit einer eine Mantelfläche bildenden Topfwand auf sowie einen Topfboden. In der Topfwand ist in der Nähe des Topfbodens ein umlaufender Lochkranz aus beispielsweise 12 Eintrittsöffnungen 301 des Partikelsensors 16 ausgebildet.
Das zweite Schutzrohr 220 hat eine im wesentlichen hutförmige Gestalt und ist im Wesentlichen im Inneren des ersten Schutzrohrs 210 angeordnet. Das zweite Schutzrohr 220 liegt radial an der Innenseite der Topfwand des ersten Schutzrohrs 210 an. In einem Überströmöffnungsabschnitt ist ein Lochkranz aus im Beispiel 12 Überströmöffnungen 303 vorgesehen, die einen zwischen dem ersten Schutzrohr 210 und dem zweiten Schutzrohr 220 ausgebildeten Ringraum 240 mit einem im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ausgebildet Gasraum 250 verbinden. An den Überströmöffnungsabschnitt des zweiten Schutzrohres 220 schließt sich ein sich konisch verjüngender Bereich an und an diesen schließt sich ein becherförmiger Endbereich des zweiten Schutzrohrs 220 an, der mit seiner Mantelfläche in eine Öffnung in dem Topfboden des ersten Schutzrohrs 210 eingepresst ist. In der Stirnseite des Endbereichs des zweiten Schutzrohrs 220 ist die Austrittsöffnung 302 des Partikelsensors 16 vorgesehen, die im vorliegenden Beispiel nur wenig kleiner ist als die Stirnseite selbst.
Wiederum im Inneren des zweiten Schutzrohrs 220 ist das dritte Schutzrohr 230 angeordnet. Es weist einen ersten, geraden zylindrischen Abschnitt auf. An den geraden zylindrischen Abschnitt des dritten Schutzrohrs 230 schließt sich ein sich konisch verjüngender Abschnitt an, der auf der dem Abgas zugewandten Seite des dritten Schutzrohrs 230 offen ist.
Entlang einer axialen Richtung 400, die beispielsweise durch die von dem optischen Zugang 40 zu der Austrittsöffnung 302 weisenden Richtung definiert ist, liegt der sich konisch verjüngende Abschnitt dritten Schutzrohrs 230 auf gleicher axialer Höhe wie die Überströmöffnungen 303 im zweiten Schutzrohr 220.
5 zeigt einen Abgastrakt 60 einer Brennkraftmaschine als Ausführbeispiel der Erfindung. Eine Abgasleitung 62 weist dabei eine Ausleitungsstelle 64 und eine stromabwärts davon gelegene Einleitungsstelle 66 auf. Die Ausleitungsstelle 64 des Abgastrakts 60 ist mit einem Einlass 72 eines Abgas-Bypasskühlers 70 verbunden und die Einleitungsstelle 66 des Abgastrakts 60 ist mit dem Auslass 74 des Abgas-Bypasskühlers 70 verbunden.
Die Verbindungen erfolgen im Beispiel jeweils über einen abgasleitungsseitigen Flansch 68, auf dem ein bypasskühlerseitiger Flansch 76 plan aufliegt und beispielsweise über eine V-Band-Schelle oder Verschraubungen fixiert ist.
Zwischen zwei aufeinander aufliegenden Flanschen kann eine Dichtung, beispielsweise aus dem thermisch gut isolierenden Material Glimmer bzw. Phlogopit-Glimmer vorgesehen sein, beispielsweise als Dichtring und/oder aus dem Material, das unter dem Markennamen novamica bekannt ist. Die Glimmer-Dichtung trägt wesentlich dazu bei, einen Wärmefluss von der Abgasleitung in den Bypass-Kühler zu vermindern.
Der Abgas-Bypasskühler 70 weist ferner eine rohrförmige Bypassleitung 78 auf, die den Einlass 72 mit dem Auslass 74 verbindet und einen zur Abgasleitung 62 parallelen Pfad darstellt. Die Bypassleitung 78 kann, wie in der 5 gezeigt, im Bereich der beiden Verbindungen in die Abgasleitung 62 eintauchen. Die eintauchenden Leitungsenden 78a, können als Halbrohre ausgebildet sein, die (z.B. im Fall des Einlasses 72 des Abgas-Bypasskühlers 70) in die stromaufwärtige Richtung offen sind, oder (z.B. im Fall des Auslasses 74 des Abgas-Bypasskühlers 70) in die stromabwärtige Richtung offen sind, siehe 8.
Innerhalb der Bypassleitung 78 sind Durchmischungselemente 80 angeordnet, siehe auch 6. Sie sind im vorliegenden Beispiel als entlang der Erstreckung der Bypassleitung 78 hintereinander angeordnete Bleche ausgebildet, die jeweils in sich um 180° verdrillt sind, sodass sie die Form einer Wendel haben. Dabei ist jede Wendel relativ zu ihrer Nachbarwendel nochmals um 90° verdreht angeordnet. Der Drehsinn der Verdrillung jeder Wendel ist dabei dem Drehsinn ihrer Nachbarwendel entgegengesetzt orientiert. Im Beispiel sind 8 Wendeln hintereinander angeordnet.
Durch die Anordnung der Durchmischungselemente 80 in der Bypassleitung 78 ist ein statischer Mischer realisiert, der die Wegstrecke des die Bypassleitung 78 durchströmenden Gases signifikant erhöht. Dadurch verbessert sich die thermische Wechselwirkung des Gases mit dem Abgas-Bypasskühler 70, also dessen Kühlwirkung. Eine Drosselung des Durchflusses durch den Abgas-Bypasskühler 70 aufgrund der Durchmischungselemente 80 kann und soll hingegen höchstens geringfügig sein (z.B. <10%).
Die Durchmischungselemente 80, insbesondere die Wendeln, können mit der Bypassleitung 78 stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen oder Hartlöten.
Es ist vorgesehen, dass außen an der Bypassleitung 78 zumindest ein Kühlelement 90 vorgesehen ist. Im Beispiel handelt es sich um Kühlrippen 92 bzw. um ein spiralförmiges Rippenband 94, die/das außen auf der Bypassleitung 78 aufgeschweißt sind/ist. Im Beispiel (5) ist der Abgas-Bypasskühler 70 als Spiralrippenrohr-Kühlkörper mit beispielsweise 86 Windungen ausgebildet.
Eine alternative Ausführungsform verwendet zwar ebenfalls ein Kühlelement 90, wie vorstehend erläutert, anstelle von Durchmischungselementen 80 wird die Oberfläche im Inneren der Bypassleitung allerdings durch ein Rohrbündel 81 erhöht, beispielsweise mit einem Rohrbündel 81, das aus 7 Einzelrohren 81` besteht. Eine aufgeschnittene Ansicht eines derartigen Rippenrohr-Rohrbündelkühler ist in der 7 gezeigt. Er kann beispielsweise als Spiralrippenrohr-Rohrbündelkühler ausgeführt sein, also mit einem spiralförmigen Rippenband 94.
An der Bypassleitung 78 ist in einem beispielsweise von den Durchmischungselementen 80 und von dem Kühlelement 90 aus gesehen stromabwärtigen Bereich eine mit einem Anschlussflansch 50 ausgebildete Anschlussstelle 95 zum Anschluss eines Abgassensors 16 vorgesehen.
Bei der Anschlussstelle 95 kann es sich beispielsweise um einen in die Bypassleitung 78 eingeschweißten Anschlussflansch 50 bzw. Einschweißnippel handeln. Es kann vorgesehen sein, dass zur Erzielung eines Venturi-Effektes, der Querschnitt der Bypassleitung 78 innerhalb des Anschlussflansches 50 vermindert ist, beispielsweise um mindestens 10%. Die Durchströmung eines an der Anschlussstelle 95 montierten Abgassensors 16 kann auf diese Weise intensiviert werden, siehe 9a und 9b, die zwei zueinander senkrechte Querschnitte durch den Anschlussflansch 50 zeigen.
Der Abgassensor 16 ist in der 5 nur noch schematisch dargestellt. Insofern kann es sich beispielsweise um den im Detail in der 4 gezeigten und oben beschriebenen Partikelsensor 16 handeln. Auch andere Abgassensoren 16, insbesondere solche, die nur begrenzt Hitze zu ertragen vermögen, sind selbstverständlich vorsehbar.
Die Anschlussstelle 95 und der Abgassensor 16 können auch anders als in der 5 gezeigt orientiert werden, beispielsweise so, dass die Anschlussstelle 95 und der Abgassensor 16 mit ihrer Längsachse 400 senkrecht zu der Bypassleitung 78 und/oder senkrecht zu der Abgasleitung 62 orientiert sind (z.B. in der 5 nach vorne oder nach hinten).
Die Kühlleistung des Bypasskühlers ist durch die Wahl der Länge des Kühlkörpers skalierbar. Es besteht ein etwa linearer Zusammenhang zwischen der Kühlleistung und der Länge.
Um einen Massestrom durch den Bypasskühler 70 unabhängig vom Massestrom und von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Abgasrohr 62 wählen zu können, kann vorgesehen sein, dass im Bypasskühler 70 eine kurze Drossel 82 mit dem erforderlichen Querschnitt eingefügt ist. Es kann sich dabei beispielsweise um ein beispielsweise 5 mm langes Rohrstück handeln, dass in den Bypasskühler 70, beispielsweise in seinem Eingangsbereich eingepresst ist.
Bypasskühler für viele Anwendungen können dann mit gleichem Durchmesser gefertigt werden und sich lediglich durch die in ihrem Innendurchmesser angepasste Drossel 82 voneinander unterscheiden. Auch der Außendurchmesser der Drossel kann für viele Anwendungen gleich gewählt werden.
Im vorliegenden Beispiel ist vorgesehen, dass zwischen der Abgasleitung 62 des Abgastrakts und der Bypassleitung 78 des Bypasskühlers eine Hitzeschutzvorrichtung 87 montiert ist, siehe 5 und 10. Dabei handelt es sich um ein Edelstahlblech, dass zur Versteifung gekrümmt und mit einer umlaufend abgewinkelten Kante versehen ist. Es weist im Beispiel zwei gesickte und vertiefte Schraubanschlüsse auf.
Komplementär weist die Abgasleitung 62 zwei angeschweißte Halterungen 89 aus Edelstahlblech auf, an denen die Hitzeschutzvorrichtung 87 mit Edelstahlschrauben anschraubbar ist. Die Hitzeschutzvorrichtung 87 kann alternativ auch an die Halterungen 89 genietet oder geschweißt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008044171 A1 [0001]
DE 102018218734 A1 [0002]

Claims

Abgas-Bypasskühler (70) mit einem Einlass (72) und einem Auslass (74) zur Verbindung des Abgas-Bypasskühlers (70) mit einer Abgasleitung (62) beispielsweise einer Brennkraftmaschine und mit einer Bypassleitung (78), die den Einlass (72) mit dem Auslass (74) verbindet und einen zur Abgasleitung (62) parallelen Pfad darstellt, und mit einer an der Bypassleitung (78) vorgesehenen Anschlussstelle (95) zum Anschluss eines Abgassensors (16).
Abgas-Bypasskühler (70) nach Anspruch 1, wobei innerhalb der Bypassleitung (78) Durchmischungselemente (80) angeordnet sind.
Abgas-Bypasskühler (70) nach Anspruch 1 oder 2, wobei außen an der Bypassleitung (78) zumindest ein Kühlelement (90) vorgesehen ist.
Sensorvorrichtung (86) mit einem Abgas-Bypasskühler (70) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei an der Anschlussstelle (95) des Abgas-Bypasskühlers (70) ein Abgassensor (16) angeschlossen ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (16) einen Montageflansch (46) aufweist, der mit der Anschlussstelle (95) des Abgas-Bypasskühlers (70) verbunden ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Abgassensor Mittel zur Erzeugung von Laserlicht (10) und mit Mittel zur Fokussierung von Laserlicht (10) auf einen Laserfokus (22) aufweist und Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) aufweist, wobei der Abgassensor (16) zumindest einen optischen Zugang (40) aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich (16.1) von einem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2), der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt, wobei die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht (10) und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) in dem dem Messgas abgewandten Bereich (16.2) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Abgassensor (16) ein Gehäuse (100) aufweist, in dem der optische Zugang (40) angeordnet ist, und wobei der Abgassensor (16), insbesondere das Gehäuse (100), zumindest eine Eintrittsöffnung (301) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Abgassensors (16), insbesondere des Gehäuses (100), einführbar ist, und zumindest eine Austrittsöffnung (302) zum Austritt der Teilströmung aus dem Abgassensor, insbesondere aus dem Gehäuse (100), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (100) ein erstes Teilgehäuse (101) umfasst, in dem die Mittel zur Erzeugung von Laserlicht (10) und die Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung angeordnet sind, und dass das Gehäuse (100) ein zweites Teilgehäuse (102) umfasst, das an dem ersten Teilgehäuse (101) montiert ist, das rohrförmig ausgebildet ist und in dem die Mittel zur Fokussierung von Laserlicht (10) auf den Laserfokus (22) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (100) ein drittes Teilgehäuse (103) umfasst, das an dem ersten Teilgehäuse (101) montiert ist und das rohrförmig ausgebildet ist und das konzentrisch zu dem zweiten Teilgehäuse (102) ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei an dem dritten Teilgehäuse (103), insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse (101) abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses (103), der Montageflansch (46) zur Montage des Abgassensors (16) fixiert ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei an dem dritten Teilgehäuse (103), insbesondere auf der vom ersten Teilgehäuse (101) abgewandten Seite des dritten Teilgehäuses (103), ein Schutzrohrmodul (200) fixiert ist, das zumindest eine Eintrittsöffnung (101) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls (200) einführbar ist und das zumindest eine Austrittsöffnung (302) aufweist, durch die die Teilströmung (321) das Schutzrohrmodul (200) verlässt, und das im Inneren des Schutzrohrmoduls (200) eine Abschirmung vorgesehen ist, die die Teilströmung (321) in eine von dem optischen Zugang (40) weggerichtete Richtung umlenkt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei das Schutzrohrmodul (200) ein erstes Schutzrohr (210) aufweist, das zumindest eine Eintrittsöffnung (301) aufweist, durch die der Strömung des Messgases eine Teilströmung (321) entnehmbar und in das Innere des Schutzrohrmoduls (200) einführbar ist, und dass das Schutzrohrmodul (200) ein zweites Schutzrohr (220) aufweist, das in dem ersten Schutzrohr (210) angeordnet ist, sodass zwischen dem ersten Schutzrohr (210) und dem zweiten Schutzrohr (220) ein Ringraum (240) ausgebildet ist, und dass das zweite Schutzrohr (220) zumindest eine Überströmöffnung (303) aufweist, durch die die Teilströmung (321) aus dem Ringraum (240) in einen im Inneren des zweiten Schutzrohrs (220) angeordneten Gasraum (250) strömt, und dass die Austrittsöffnung (302) am ersten Schutzrohr (210) oder am zweiten Schutzrohr (220) ausgebildet ist und dass ein Mittel vorgesehen ist, das die Teilströmung (321) bei dem oder in Anschluss an das Durchströmen der Überströmöffnung (303) in eine von dem optischen Zugang (40) weg zu der Austrittsöffnung (302) gerichteten Richtung umlenkt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung von Laserlicht (10) ein Laser (18) ist und/oder dass das Mittel zur Fokussierung eine Linse (20) umfasst, insbesondere der als Linse (20) ausgebildete optische Zugang (40) ist, und/oder dass das Mittel zur Detektion von Temperaturstrahlung ein Photodetektor (26) ist und/oder dass der optische Zugang (40) ein Fenster (42) ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei das Mittel zur Fokussierung zwei Sammellinsen (20) umfasst, die in den beiden axialen Endbereichen des zweiten Teilgehäuses (102) angeordnet sind und auf diese Weise ein Teleskop bilden.
Abgastrakt (60), beispielsweise einer Brennkraftmaschine, mit einem Abgas-Bypasskühler (70) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder einer Sensorvorrichtung (86) nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei der Abgastrakt (60) eine Abgasleitung (62) mit einer Ausleitungsstelle (64) und einer Einleitungsstelle (66) aufweist, wobei die Ausleitungsstelle (64) des Abgastrakts (60) mit dem Einlass (72) des Abgas-Bypasskühlers (70) verbunden ist und wobei die Einleitungsstelle (66) des Abgastrakts (60) mit dem Auslass (74) des Abgas-Bypasskühlers (70) verbunden ist.
Abgastrakt (60) nach Anspruch 14, wobei zwischen der Abgasleitung (62) des Abgastrakts (60) und der Bypassleitung (78) des Bypasskühlers (70) eine Hitzeschutzvorrichtung (87) montiert ist.