DE10304053A1 - Temperaturgesteuerter Wärmeaustauscher für Abgasanlagen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft temperaturgesteuerte Wärmetauscher für Abgasanlagen an Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die Temperaturen der Abgase von Verbrennungsmotoren variieren stark. Nach dem Start des Motors und im Leerlauf sind die Temperaturen niedrig, nach längerer Betriebsdauer und insbesondere bei Volllast sind die Temperaturen sehr hoch. Da die Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren aufgrund gesetzlicher Vorschriften mit Katalysatoren ausgerüstet sein müssen, die jedoch nur oberhalb einer Mindesttemperatur und unterhalb einer Maximaltemperatur arbeiten, muss die Temperatur der Abgase so gesteuert werden, dass der Katalysator in seinem Betriebstemperaturfenster bleibt.
• Dies gilt ganz besonders für NOx-Speicherkatalysatoren, wie sie in den Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung verwendet werden müssen. Speicherkatalysatoren haben ein besonders enges Betriebstemperaturfenster. Die katalytische Wirkung tritt erst beim Temperaturen oberhalb 250°C ein und erreicht ihren maximalen Wert bei ca. 550°C. Erreicht die Temperatur 800°C, was bei voller Motorleistung in Verbindung mit den exothermen katalytischen Reaktionen schnell der Fall ist, altert der Katalysator.
• Es hat selbstverständlich nicht an Versuchen gefehlt, die Abgase so zu behandeln, dass ihre Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturfensters bleibt. Dazu werden die Abgase wechselweise durch Rohre geschickt, die einerseits eine kleine Wärmeabgabe, andererseits eine große Wärmeabgabe an die Atmosphäre aufweisen. Die Aufteilung der Abgase auf die beiden Rohre erfolgt mit Hilfe einer temperaturgesteuerten Regeleinheit.
• Diese Regeleinheit kann aktiv oder passiv ausgeführt werden. Die aktiven Regeleinheiten besitzen einen Temperatursensor und einen mit Fremdenergie gespeisten Aktor, beispielsweise eine Klappe im Abgasstrom. Man vergleiche z. B. US 3 638 625, US 3 963 447 oder DE 39 31 812 C. Diese Konstruktionen sind aufwändig. Außerdem bedingen sie eine Öffnung in dem gasführenden Ventilelement und sind deshalb nicht gasdicht.
• Aus den EP 0 355 489 B, DE 39 03 803 A, DE 43 11 574 A und US 4 079 808 sind passive Regeleinheiten bekannt, die als temperaturgesteuertes Element eine Bimetall-Zunge verwenden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Konstruktionen für den praktischen Einsatz nicht geeignet sind, weil der Verstellbereich und die Verstellgeschwindigkeit zu klein sind.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturabhängigen Wärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, der rein passiv gesteuert ist und auch große gasführende Querschnitte absperren bzw. freigeben kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinheit ist ihre Einfachheit, ihre rein passive Wirkungsweise, die Freiheit von Störgeräuschen, ein minimaler Druckabfall und die Fähigkeit, auch große gasführende Querschnitte absperren und freigeben zu können. Dafür verantwortlich sind die beiden Bimetall-Zungen, die im kalten Zustand eine V-Form haben. Dadurch, dass die Spitze des V stromaufwärts gerichtet ist, wird der geringe Druckabfall erreicht.
• Sobald die Temperatur der Abgase ansteigt, nähern sich die beiden Zungen einander an und geben den Querschnitt des Rohres mit dem hohen k-Wert, d. h. mit der hohen Wärmeabgabe an die Umgebung, kontinuierlich frei.
• Der Ausdruck "Bimetall-Zunge" ist allgemein zu verstehen. Er umfasst nicht nur ein metallische Zungen sondern auch Zungen aus einem Metall-Keramik-Verbund.
• Vorzugsweise bestehen die Zungen aus einem Trägerblech aus einer Nickel- Basislegierung, auf dem sich eine Zirkondioxid-Beschichtung mit kolumnarer, senkrecht zum Trägerblech orientierter Struktur befindet. Diese Materialkombination zeichnet sich durch große Robustheit und schnelles Ansprechen aus. Außerdem ist sie auch bei Temperaturen größer 1000°C noch funktionsfähig.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besitzt das erste Rohr mit dem großen k- Wert einen größeren Querschnitt als das zweite Rohr. Das zweite Rohr dient sozusagen als Bypassrohr, welches die Abgase ohne wesentliche Abkühlung einem nachgeordneten Speicherkatalysator zuleitet. Dabei kann durch geschickte Formgebung erreicht werden, dass bei größerer Strömungsgeschwindigkeit und - menge der Strömungswiderstand im Bypassrohr derart ansteigt, dass die Abgase praktisch nur noch durch das inzwischen geöffnete Rohr mit dem größeren Querschnitt und der großen Wärmeabgabe strömen.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt das erste Rohr eine strukturierte Wand. Durch eine solche Strukturierung werden die randnahen laminaren Strömungen verwirbelt und die Wärmeabgabe erhöht.
• Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass etwa kugelkalottenförmige Einprägungen in der Wand des ersten Rohres eine deutliche Erhöhung der Wärmeabgabe bewirken, während der Strömungswiderstand im wesentlichen unverändert bleibt.
• Vorteilhafterweise sind die beiden Rohre als Doppel-D-Rohr ausgebildet.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Zungen mit Hilfe eines stabilen Haltebolzens im Gehäuse gelagert. Ein solcher Bolzen gibt den Zungen die Möglichkeit, sich nicht nur in Längsrichtung, sondern auch in Querrichtung zu verbiegen, so dass die inneren Spannungen in den Zungen deutlich reduziert werden können.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Rohr, welches als Bypassrohr dient, wärmeisoliert. Diese Wärmeisolation kann beispielsweise durch eine Luftspaltisolierung erreicht werden.
• Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Farm eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen rein schematisch
• Fig. 1 einen Ausschnitt aus der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem gasführenden Rohr, einem Regelelement und einem aus zwei parallelen Rohren bestehenden Wärmetauscher und
• Fig. 2 einen Querschnitt durch die Abgasanlage der Fig. 1 entlang der Linie II-II.
• Fig. 1 zeigt einen Teil einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Otto-Motors mit Benzin-Direkteinspritzung. Man erkennt ein gasführendes Rohr 10, welches von den vom Motor kommenden Abgasen, symbolisiert durch den Pfeil 1, durchströmt wird.
• Dem Rohr 10 nachgeordnet ist eine Regeleinheit 20, bestehend aus einem etwa quaderförmigen Gehäuse 21, welches links eine Zuströmöffnung und rechts eine Abströmöffnung 25 besitzt. Um das Innere der Regeleinheit 20 sichtbar zu machen, ist die Vorderwand entfernt. Im Betrieb ist die Regeleinheit 20 gasdicht verschlossen.
• In die Abströmöffnung 25 sind zwei parallele Rohre 31, 33 gasdicht eingesetzt. Wie in der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab zu erkennen ist, sind die beiden Rohre 31, 33 als Doppel-D-Rohr ausgebildet.
• Das in der Zeichnung obere Rohr 31 besitzt einen deutlich größeren gasführenden Querschnitt als das in der Zeichnung unten dargestellte Rohr 33. Außerdem ist die Wand des Rohrs 31 mit Hilfe von etwa kugelkalottenförmigen Einprägungen 32 strukturiert, wodurch der k-Wert, d. h. die Wärmeabgabe gegenüber einem Rohr mit glatter Wand, deutlich erhöht wird, ohne dass der Strömungswiderstand störend ansteigt.
• Das in der Zeichnung untere Rohr 33 besitzt einen kleineren Strömungsquerschnitt und glatte Wände. Es besitzt daher nur einen kleinen k-Wert und nur eine geringe Wärmeabgabe und dient als Bypass zu dem Wärmetauscherrohr 31.
• Im Inneren der Regeleinheit 20 erkennt man zwei Bimetall-Zungen 22, 23. Diese bilden im kalten Zustand ein "V", dessen Spitze der Zuströmöffnung bzw. dem die Gase zuführenden Rohr 10 zugewandt ist. Gehalten werden die Zungen 22, 23 durch einen stabilen Haltebolzen 24, der sich quer durch das Gehäuse 21 erstreckt.
• Die Zungen 22, 23 sind so angeordnet, dass sie im kalten Zustand des Querschnitt des Wärmetauscherrohrs 31 komplett verschließen. Im kalten Zustand können die Abgase daher nur durch das Bypassrohr 33 strömen, ohne sich dabei wesentlich abzukühlen.
• Sobald die Temperatur der vom Motor kommenden Abgase steigt, nähern sich die beiden Zungen 22, 23 kontinuierlich aneinander an und geben dabei ebenso kontinuierlich den Querschnitt des Wärmetauscherrohrs 31 frei. Auf diese Weise ist es möglich, durch geschickte Dimensionierung der Zungen 22, 23 sowie der k- Werte der beiden Rohre 31, 33 sicherzustellen, dass die Temperatur der die parallelen Rohre 31, 33 verlassenden Abgase innerhalb des Betriebstemperaturfensters eines nachgeordneten Speicherkatalysators (nicht dargestellt) bleibt.

Claims (9)

1. Temperaturgesteuerter Wärmetauscher für Abgasanlagen an Verbrennungsmotoren, mindestens umfassend
ein erstes Rohr (31) mit einem hohen k-Wert,
ein zweites Rohr (33) mit einem niedrigen k-Wert,
und eine den beiden Rohren (31, 33) zugeordnete Regeleinheit (20), die den Gasfluss auf die beiden Rohre (31, 33) aufteilt,
gekennzeichnet durch die Merkmale:
die Regeleinheit (20) besitzt ein quaderförmiges Gehäuse (21) mit einer Zuströmöffnung und einer Abströmöffnung (25),
in die Abströmöffnung (25) sind die Enden der beiden Rohre (31, 33) gasdicht eingesetzt,
im Gehäuse (21) sind zwei Bimetall-Zungen (22, 23) gelagert,
die Zungen (22, 23) bilden im kalten Zustand ein "V",
die Spitze des "V" befindet sich im Bereich der Zuströmöffnung,
im kalten Zustand versperren die Zungen (22, 23) das erste Rohr (31).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:
die Zunge (22, 23) besteht aus einem Trägerblech aus einer Nickel- Basislegierung, auf dem sich eine Zirkondioxid-Beschichtung mit kolumnarer, senkrecht zum Trägerblech orientierter Struktur befindet.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:
das erste Rohr (31) besitzt einen größeren Querschnitt als das zweite Rohr (33).

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
das erste Rohr (31) besitzt eine strukturierte Wand.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:
die Wand des ersten Rohrs (31) besitzt etwa kugelkalottenförmige Einprägungen (32).

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:
die beiden Rohre (31, 33) sind als Doppel-D-Rohr ausgebildet.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:
die Zungen (22, 23) sind mit Hilfe eines stabilen Haltebolzens (24) im Gehäuse (21) gelagert.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:
das zweite Rohr (33) ist wärmeisoliert.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch das Merkmal:
das zweite Rohr (33) ist luftspalt-isoliert.