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Die
Erfindung betrifft einen Abgaskühler
für eine
Abgasanlage einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, insbesondere
eines Kraftfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Für Ottomotoren
mit direkter Kraftstoffeinspritzung werden zur Stickoxidkonvertierung
regelmäßig NOx-Speicherkatalysatoren
eingesetzt. Da mit diesen NOx-Speicherkatalysatoren ausreichend hohe
Konvertierungsraten nur in relativ schmalen Abgastemperaturfenstern
erreicht werden, ist es erforderlich, den Motorbetrieb und das Katalysatorsystem so
aufeinander abzustimmen, dass die Abgastemperaturen am Eintritt
in den NOx-Speicherkatalysator möglichst
für einen
großen
Betriebsbereich innerhalb eines erwünschten Temperaturfensters
liegen. In den Betriebspunkten, in den die Brennkraftmaschine im Magerbereich
betrieben wird, ist es z. B. erforderlich, die Abgastemperaturen
in einem Temperaturfenster von ca. 250 bis 500°C zu halten. Bei Volllastbetrieb der
Brennkraftmaschine muss dagegen vermieden werden, dass Abgastemperaturen über ca.
800°C im Stickoxid-Speicherkatalysator
erreicht werden.
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Um
eine Überschreitung
dieser oberen Temperaturgrenzen zu verhindern, ist der Einsatz von
Abgasanlagen mit einer Kühlstrecke
bereits allgemein bekannt, wobei diese Kühlstrecke die Abgastemperatur
gezielt absenkt. Dazu ist es aus der
DE 100 48 580 A1 bereits bekannt, eine Kühlstrecke
vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator mehrflutig auszuführen und
diese mehrflutige Kühlstrecke
mit zusätzlichen
Kühlmitteln,
wie z. B. Kühlrippen,
zu versehen. Ein ähnlicher
Aufbau ist auch aus der
DE
100 14 266 A1 , der
DE 199 05 345 A1 , der
EP 1 031 708 A1 , der
DE 34 06 968 A1 ,
der
DE 100 38 796
A1 und der
DE 100
47 815 A1 bekannt. Bei letzterer ist zudem noch im Anschlussbereich
des Rohrbündels
an einen NOx-Speicherkatalyator ein schaltbares Verstellmittel zur
Verstellung der Strömungsquerschnitte
der Abgaszuführrohre
vorgesehen.
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Eine
Abgasreinigungsanlage für
eine Brennkraftmaschine mit integriertem Wärmetauscher für Dieselbrennkraftmaschinen
ist aus der
DE 44 10
022 A1 bekannt.
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Weiter
ist aus der
EP 0 355
489 B1 eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit
einem Leitelement zur temperaturabhängigen Aufteilung des Abgasstromes
auf einen Leitungszweig mit einem Katalysator sowie auf einen Bypass-Leitungszweig
bekannt, bei dem das Leitelement aus einem sich unter Temperatureinfluss
verformenden Material gefertigt ist und in Abhängigkeit von der jeweiligen Form
die gewünschte
Aufteilung des Abgasstromes vornimmt. Mittels derartiger Leitelemente
soll erreicht werden, dass zunächst
der gesamte Abgasstrom über
einen Start-Katalysator geleitet wird, um diesen auf die gewünschte Betriebstemperatur
zu erheizen. Um jedoch im Dauerbetrieb eine Überhitzung des Start-Katalysators
zu vermeiden, wird bei einem Temperaturanstieg das Leitelement selbsttätig betätigt, so
dass ein Teil des Abgasstroms unter Umgehung des Start-Katalysators
direkt dem stromabwärts angeordneten
Dauerbetriebs-Katalysator zugeführt wird.
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Aus
der gattungsbildenden
DE
197 42 762 C1 ist bereits ein Abgaskühler für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine
eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, bekannt, dem
in einem Abgasstrang der Abgasanlage ein Katalysator, insbesondere
ein Stickoxid-Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist. Der Abgaskühler ist
rohrförmig ausgebildet
und wird vom Abgasstrom durchströmt, wobei
ein abzukühlender
Abgasstrom den Abgaskühler
zur Ab kühlung
im Wesentlichen entlang eines Kühleraußenwandbereiches
als äußeren Kühlerabgasweg
durchströmt
und ein nicht abzukühlender
Abgasstrom den Abgaskühler
im Wesentlichen entfernt vom Kühleraußenwandbereich
entlang eines inneren Kühlerabgasweges
durchströmt.
Im Abgaskühler
ist ein Steuerelement angeordnet, mittels dem der Abgasstrom in
Richtung des äußeren oder
inneren Kühlerabgasweges
geleitet werden kann.
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Konkret
ist der Abgaskühler
hier durch ein Innenrohr und ein Außenrohr ausgebildet, wobei
der äußere Kühlerabgasweg
durch den Zwischenbereich zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr
gebildet wird, während
der innere Kühlerabgasweg
durch das Innenrohr alleine ausgebildet wird. Im Anfangsbereich
des Innenrohres ist ein Start-Katalysator integriert und im Endbereich
des Innenrohres ist eine Abgasklappe vorgesehen, mit der der innere
Abgasführungsweg
verschlossen werden kann. Diese Abgasklappe wird über ein
Stellglied von einer elektrischen Motorsteuerung angesteuert, die
neben anderen Eingangssignalen ein Temperatursignal erhält. Die
Abgasklappe wird bei Überschreiten
einer vorgegebenen Grenztemperatur vollständig geschlossen und bei Unterschreiten
einer vorgegebenen Grenztemperatur vollständig geöffnet. Zwischen dem Innenrohr und
dem Außenrohr
sind ferner noch gewellte Metallbleche vorgesehen, die zum einen
eine schnelle Leitung der Abgaswärme
zum Außenwandbereich
ermöglichen
und zum anderen den Strömungswiderstand
erhöhen
sollen. Mit diesem Aufbau soll eine möglichst kompakte und robuste
Abgasanlage geschaffen werden, die eine effektive Abgastemperaturbeeinflussung
ermöglicht.
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Weiter
beschreibt die
DE
101 43 364 A1 eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit einem
Wärmetauscher,
der aus einem Außen-
und einem Innenrohr gebildet ist, wobei zwischen den beiden Rohren
ein Radialspalt vorhanden ist, der an seinem gegen die Strömungsrichtung
weisenden vorderen Ende eine dem Eintritt von Abgas verhindernde
Abdichtung aufweist. Einzig an die Abdichtung anschließender Bereich
des Innenrohres ist von Bypass-Öffnungen durchbrochen,
wobei das in Strömungsrichtung
weisende hintere Ende des Innenrohres nach Art einer Düse verengt
ist. Mittels einer derartigen Abgasanlage soll eine lastabhängige Zu-
und Abfuhr von Abgaswärme
ermöglicht
werden.
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Schließlich ist
aus der
DE 102 01
044 B4 eine Abgasanlage für Verbrennungsmotoren bekannt,
die einen Wärmetauscher
mit einer Umfangswand und einem zugeordneten Zulaufrohr aufweist. In
dem Zulaufrohr ist ein Drallerzeuger angeordnet, der einen zentralen
Strömungsweg
durch das Zulaufrohr freilässt,
wobei ein auf die Verlängerung
des freien zentralen Strömungsweges
ausgerichteter Bereich des Wärmetauschers
permanent strömungshindernisfrei
ist. Damit soll eine Abgasanlage mit einem Wärmetauscher geschaffen werden,
der eine stark vom momentanen Lastzustand des Verbrennungsmotors
abhängige
Charakteristik der Wärmeabfuhr
aufweist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine alternative Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine
eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, zu schaffen,
mit der die Abgastemperaturen auf einfache Weise in einem gewünschten
Temperaturfenster gehalten werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Gemäß Anspruch
1 ist das Steuerelement durch eine Vielzahl von in Strömungsrichtung
hintereinanderliegenden, vorzugsweise beabstandet hintereinanderliegenden,
sowie von in Hochachsen- und/oder Querrichtung neben- und/oder übereinanderliegenden,
vorzugsweise versetzt und/oder beabstandet neben- und/oder übereinanderliegenden,
unterschiedlich anstellbaren Leitklappen gebildet.
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Mit
einer derartigen Vielzahl von unterschiedlich anstellbaren Leitklappen
lässt sich
die Abgastemperatur auf einfache Weise in einem erwünschten
Temperaturfenster halten. So ist es mit einer derartigen Vielzahl
von Leitklappen auf einfache und funktionssichere Weise möglich, den
Abgasstrom über
die gesamte Länge
des Abgaskühlers
in Strömungsrichtung
gesehen möglichst
von der Außenwand
des Abgaskühlers
fern zu halten, wenn Wärmeverluste
an der kalten Rohraußenwand
vermieden werden sollen, wie dies bei niedrigen Abgastemperaturen
der Fall ist. Andererseits kann im umgekehrten Fall mit einer derartigen
Vielzahl von Leitklappen über
die gesamte Länge
des Abgaskühlers gesehen
eine sehr gute und effiziente Lenkung des Abgasstromes in Richtung
zur Kühleraußenwand
hin erreicht werden, so dass der Abgasstrom im erforderlichen Maße abgekühlt werden
kann.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
ein Weg beschritten, bei der der bekannte Effekt der Strahlung mit
einer aktiven Umleitung der heißen Gase über eine
Vielzahl von im Abgaskühler
angeordneten Leitklappen auf funktionssichere Art und Weise erreicht
wird.
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Grundsätzlich können die
Leitklappen beliebig im gesamten Innenraum des Abgaskühlers angeordnet
sein, so z. B. bezogen auf den Querschnitt mehrere in der Art eines
Innenrohres angeordnete Leitklappen z. B. ringförmig unter Ausbildung eines ringförmigen äußeren Kühlerabgasweges
angeordnet sein, wobei die in Strömungsrichtung gesehen hintereinander
angeordneten Leitklappen dabei auch in Umfangsrichtung gesehen bezogen
auf in Strömungsrichtung
davor oder dahinter liegende Leitklappen radial versetzt sein können. Dabei
ist stets sicherzustellen, dass möglichst der gesamte Abgasstrom
in lediglich eine Richtung, d. h. in Richtung innerer Kühlerabgasweg
oder in Richtung äußerer Kühlerabgasweg
gelenkt wird. Besonders einfach ist dies zu bewerkstelligen mit
den Merkmalen des Anspruchs 2, nach denen mehrere Leitklappen in
Strömungsrichtung
gesehen so hintereinanderliegen dass diese eine Leitklappenreihe
ausbilden, wobei der Abgaskühler
in Strömungsrichtung von
wenigstens zwei im Abstand übereinanderliegenden
Leitklappenreihen durchzogen ist. Mit derartigen Leitklappenreihen
wird eine regelmäßige und
gleichmäßige Anordnung
von Leitklappen im gesamten Abgaskühlerinnenbereich erzielt, mit
der die Abgasströme
auf einfache und funktionssichere Weise in die gewünschte Richtung
geleitet werden können.
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Mit
einer derartigen Vielzahl von im Abgaskühler angeordneten Leitklappen
kann zudem, z. B. in Strömungsrichtung
gesehen, erreicht werden, dass die Abgasströme nicht nur unmittelbar zu
Beginn des Einströmens
in den Abgaskühler
in Richtung äußerer oder
innerer Kühlerabgasweg
geleitet werden, sondern dass auch noch später im weiteren Verlauf des
Abgaskühlers
durch die entsprechende Anstellung der Leitklappen eine entsprechende
gezielte Richtungsgebung für
Teilabgasströme
möglich
ist. Dies erhöht
die Funktionssicherheit eines derartigen Abgaskühlers erheblich.
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Grundsätzlich können dabei
auch mehr als zwei im Abstand übereinanderliegende
Leitklappenreihen vorgesehen sein, wobei nach Anspruch 3 für einen
kompakten und einfachen Aufbau die wenigstens zwei im Abstand übereinanderliegenden
Leitklappenreihen in etwa parallel zueinander und/oder parallel
zu den Kühleraußenwänden eines
zylinderrohrförmig
ausgebildeten Abgaskühlers
verlaufen. Besonders bevorzugt kann hierbei nach Anspruch 4 auch
noch vorgesehen sein, dass bei zwei im Abstand übereinanderliegenden Leitklappenreihen,
diese einen Abstand voneinander aufweisen, der dem Durchmesser eines
zum Abgaskühler
hinführenden Abgaszwischenrohres
und/oder eines vom Abgaskühler
wegführenden
Abgaszwischenrohres entspricht. Dadurch werden, z. B. bei einer
Lenkung des Abgasstromes in Richtung innerer Kühlerabgasweg zu Beginn des
Abgaskühlers
gute Einströmverhältnisse
erreicht, so dass unnötige
Umlenkungen und Turbulenzen im Einströmbereich vermieden werden können.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten konkreten Ausgestaltung sind die Leitklappen
der beiden Leitklappenreihen nach Anspruch 5 zur Ausbildung von übereinanderliegenden
und miteinander zusammenwirkenden Leitklappenpaaren jeweils so übereinanderliegend
angeordnet, dass die Leitklappen der einzelnen Leitklappenpaare
im aufeinander zu gerichteten Zustand einen Abgasstrom im Wesentlichen
in Richtung äußerer Kühlerabgasweg
und im voneinander weg gerichteten Zustand im Wesentlichen in Richtung
innerer Kühlerabgasweg
leiten. Dadurch wird eine effiziente und einfach realisierbare Lenkung
der Abgasströme
und auch von Teilabgasströmen
erzielt.
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Nach
Anspruch 6 ist vorgesehen, dass sich die Leitklappen jeweils zwischen
zwei bezogen auf den Querschnitt gegenüberliegenden Wandbereichen
der Kühleraußenwand
des Abgaskühlers
erstrecken. Im Falle von zwei übereinanderliegenden Leitklappenreihen
bilden diese somit in einem solchen Fall in etwa eine Art rechteckförmigen Querschnitt
aus. Nach Anspruch 7 können
die Leitklappen entweder separate, vorzugsweise im Abgaskühler schwenkbar
angelenkte Bauteile sein, oder aber auch durch teilweises Ausschneiden
bzw. Ausklinken aus einem im Abgaskühler angeordneten Innenrohr ausgebildet
sein. Dadurch ergeben sich vielfältigste konstruktive
Freiheiten bei der Auslegung des Abgaskühlers.
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Eine
vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung ist auch mit den Merkmalen
des Anspruchs 8 beansprucht, gemäß denen
die Leitklappen zweiteilig aus einem in Strömungsrichtung verlaufenden,
starren Basisteil und einem relativ dazu verschwenkbaren Klappenteil
aufgebaut sein kann. Durch dieses starre Basisteil werden im Abgaskühler in
Strömungsrichtung
liegende Wandbereiche ausgebildet, die für eine vorteilhafte Abgasführung erforderlich
sind. So bewirken diese z. B. im Falle einer Abgasführung über den äußeren Kühlerabgasweg
eine Abschottung zum inneren Kühlerabgasweg
hin und umgekehrt.
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Grundsätzlich gibt
es unterschiedliche Möglichkeiten
der Schaltung der Leitklappen. Besonders bevorzugt und auch einfach
zu realisieren ist nach Anspruch 9 die Schaltung der Leitklappen
in der Art von Bimetallen oder Flatterventilen über Temperaturveränderungen
und/oder über
den Abgasgegendruck. Alternativ dazu ist nach Anspruch 10 aber auch
eine aktive und/oder selektive Ansteuerung der Leitklappen mittels
einer Steuereinrichtung möglich.
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Besonders
bevorzugt ist auch eine Ausführungsform
nach Anspruch 11, bei der sich der Leitklappenbereich in Strömungsrichtung über die
gesamte Länge
der Abgaskühlers
erstreckt. Die Leitklappen sind ferner auch vorzugsweise so ausgebildet,
dass diese im geklappten Zustand an anderen Bauteilen, z. B. an
einem Wandbereich oder an einem benachbarten Leitklappenbereich
anliegen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines in einem Abgasstrang einer Abgasanlage
einer Brennkraftmaschine angeordneten erfindungsgemäßen Abgaskühlers, bei
dem die darin eingesetzten Leitklappen im Wesentlichen eine Strömung des
Abgasstromes entlang eines äußeren Kühlerabgasweges
bewirken, und
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2 eine
der 1 entsprechende Darstellung, bei der die Leitklappen
so angestellt sind, dass der Abgasstrom im Wesentlichen entlang
eines inneren Kühlerabgasweges
durch den Abgaskühler geleitet
wird.
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In 1 ist äußerst schematisch
eine Abgasanlage 1 für
eine hier lediglich schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 2 für ein Kraftfahrzeug dargestellt.
Im Abgasstrang dieser Abgasanlage 1 ist ein Vor-Katalysator 3,
z. B. ein Drei-Wege-Katalysator, angeordnet, der über ein
Abgaszwischenrohr 4 mit einem Abgaskühler 5 strömungsverbunden
ist. Diesem Abgaskühler 5 ist
unter Zwischenschaltung eines weiteren Abgaszwischenrohres 6 ein
als NOx-Speicherkatalysator ausgebildeter Haupt-Katalysator 7 nachgeschaltet.
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Wie
dies der 1 weiter entnommen werden kann,
sind im gesamten Abgaskühler 5 eine
Vielzahl von unterschiedlich anstellbaren Leitklappen 8 angeordnet.
Die Leitklappen 8 sind hier so im Abgaskühler 5 angeordnet,
dass im Abgaskühler 5 zwei
im Abstand übereinanderliegende
Leitklappenreihen 9, 10 ausgebildet sind, die,
wie dies hier lediglich schematisch und beispielhaft dargestellt
ist, in etwa voneinander einen Abstand aufweisen, der dem Durchmesser
des zum Abgaskühler
hin führenden
Abgaszwischenrohres 4 und auch des vom Abgaskühler 5 wegführenden
Abgaszwischenrohres 6 entspricht.
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Wie
dies der 1 weiter entnommen werden kann,
liegen die einzelnen Leitklappen 8 der beiden Leitklappenreihen 9, 10 zur
Ausbildung von übereinanderliegenden
und miteinander zusammenwirkenden Leitklappenpaaren 8' jeweils so übereinander,
dass die Leitklappen 8 der einzelnen Leitklappenpaare 8' im in der 1 dargestellten
aufeinander zu gerichteten Zustand einen Abgasstrom im Wesentlichen
in Richtung zu einem äußeren Kühlerabgasweg 11 leiten.
Durch die hintereinanderliegende Anordnung einer Vielzahl von Leitklappen 8 wird
dabei erreicht, dass noch in einem inneren Kühlerabgasweg 12 vorhandene
Teilabgasströme 13 ebenfalls
jederzeit noch in Richtung zum äußeren Kühlerabgasweg 11 hin
aus dem inneren Kühlerabgasweg 12 heraus
geleitet werden können,
um im Falle eines heißen
Abgasstromes eine Abkühlung
dieses Abgasstromes an der Kühleraußenwand 14 zu
erzielen. Durch diese Möglichkeit
der Abkühlung
eines heißen Abgasstromes
ist es z. B. möglich,
dass die Abgastemperaturen beispielsweise beim Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine
beim Eintritt in den Haupt-Katalysator 7 nicht zu hoch
sind, z. B. nicht 800°C überschreiten.
Denn durch die Abgasführung
entlang des äußeren Kühlerabgasweges 11 wird
der Wärmeübergangskoeffizient
er höht
und der Innenaufbau des Abgaskühlers 5 stark
mit heißem
Abgas umströmt,
sodass dieser gut aufgeheizt und zur Wärmestrahlung angeregt wird.
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Andererseits
kann z. B. bei niedrigeren Abgastemperaturen durch eine in der ebenfalls
stark schematisierten 2 dargestellte Stellung der
Leitklappen 8, bei der die Leitklappen 8 der einzelnen Leitklappenpaare 8' voneinander
weggerichtet sind, erreicht werden, dass der Abgasstrom im Wesentlichen
entlang des inneren Kühlerabgasweges 12 den Abgaskühler 5 umströmt, wobei
auch hier einzelne sich im äußeren Kühlerabgasweg 11 befindliche
Teilabgasströme 15 durch
die Vielzahl der angeordneten Leitklappen 8 an jeder Stelle
in Richtung vom äußeren Kühlerabgasweg 11 weg
zum inneren Kühlerabgasweg 12 hin
abgezweigt werden können.
Mit einer derartigen Leitklappenanstellung wird erreicht, dass das
einströmende
Abgas, das niedrige Abgastemperaturen aufweist, von der Kühleraußenwand 14 ferngehalten
wird, so dass Wärmeverluste
an der kalten Kühleraußenwand 14 vermieden
werden. Mit einer derartigen Abgasführung ist es z. B. möglich, die
Abgastemperaturen in denjenigen Betriebspunkten, in denen die Brennkraftmaschine 2 z.
B. im Magerbereich betrieben wird, in einem Temperaturfenster von ca.
250 bis 500°C
zu halten.
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In
den 1 und 2 ist ein Koordinatensystem
eingezeichnet, wobei die Hochachsenrichtung mit Z, die Querachsenrichtung
mit Y und die Strömungsrichtung
mit X bezeichnet ist.
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Die
Leitklappen 8 sind in den Darstellungen der 1 und 2 lediglich äußerst schematisch dargestellt
und können
beispielsweise aus einem hier lediglich punktiert und schematisch
dargestelltem Innenrohr 16 ausgeklinkt sein. Dieses Innenrohr 16 kann
z. B. so ausgebildet sein, dass um dieses herum, d. h. radial gesehen
ein ringförmiger
Freiraum als äußerer Kühlerabgasweg 11 ausgebildet
ist, oder aber z. B. auch so ausgebildet sein, dass gegenüberliegende
Kühleraußenwandbereiche
Bestandteil der Innenrohrwand sind, d. h. z. B. ein in etwa rechteckförmiger Querschnitt
ausgebildet wird. Alternativ können
die Leitklappen 8 jedoch auch separate, im Abgaskühler 5 an
gegenüberliegenden
Kühlerwandbereichen
angelenkte Bauteile sein, die z. B. auch zweiteilig aus einem starrem
Basisteil 17 und einem verschwenkbaren Klappenteil 18 aufgebaut
sind. Im Falle eines Ausklinkens aus einem Innenrohr 16 sind
die starren Basisteile 17 dann Bestandteil der Innenrohrwandung.
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Die
Leitklappen können
grundsätzlich über eine
Steuereinrichtung aktiv angesteuert werden. Es ist jedoch auch die
Ausbildung der Leitklappen 8 in der Art von Bimetallen
oder Flatterventilen vorteilhaft, die über Temperaturveränderungen
und/oder über den
Abgasgegendruck geschaltet werden können.