DE10346432A1

DE10346432A1 - Kühleinrichtung für eine Abgasanlage

Info

Publication number: DE10346432A1
Application number: DE10346432A
Authority: DE
Inventors: Michael Kastenmaier; Gerhard Prys; Peter Müller; Stephan Ramatschi; Hans-Jürgen Penzkofer; Jürgen Dr. Sauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-05-19

Abstract

Fahrzeugunterbodenseitig angeordnete Einrichtung zur Luftkühlung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Funktionsbereich zur Strömungsanhebung und einem zweiten Funktionsbereich zur Strömungszwangsführung, so dass eine wirksame Umströmung der Abgasanlage bei gleichzeitig großer Unterbodenfreiheit erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine fahrzeugunterbodenseitig angeordnete Einrichtung zur Luftkühlung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine.
Zur Abgasnachbehandlung von Abgasen insbesondere bei magerbetriebenen Ottomotoren, wie saug- oder direkteinspritzend, kommen häufig NO_x-Speicherkatalysatoren zum Einsatz. Die Brennkraftmaschinenabgase werden üblicherweise über die Abgasanlage von der Brennkraftmaschine durch den Brennkraftmaschinenraum in den Unterbodenbereich geführt, wo ein oder mehrere durchströmbare NO_x-Speicherkatalysatoren angeordnet sind.
Bei hohen Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise bei hoher Last auftreten, kann der NO_x-Speicherkatalysator bis hin zu einer irreversiblen Schädigung überhitzen. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, die Abgasanlage derart zu gestalten, dass fahrtwindbedingt eine möglichst gute Umspülung und somit Kühlung ihrer Oberfläche, insbesondere im Bereich stromauf des NO_x-Speicherkatalysators, erfolgt.
Werden die Abgasrohre nicht ausreichend gekühlt, ist eine Kühlung durch Anfettung des Abgases entsprechend einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit λ<1 notwendig, was einen deutlich erhöhten Kraftstoffverbrauch zufolge hat. Darüber hinaus ist bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit λ<1 eine vollständige Reinigung des Abgases mittels des Katalysators nicht mehr möglich.

Beispielhaft wird die DE 100 38 796 A1 genannt, welche zur Abgaskühlung vor dem NO_x-Speicherkatalysator eine mehrflutige Ausgestaltung der Abgasanlage vorsieht. Darüber hinaus werden keine weiteren Maßnahmen ergriffen, eine effektive Umspülung der Abgasanlage zu erreichen, so dass die Abgaskühlung ausschließlich auf einer Vergrößerung der Oberfläche basiert. Nachteiligerweise ergibt sich so ein sehr hohes Gesamtgewicht der Abgasanlage und es besteht die Gefahr eines Wärmestaus in schlecht belüfteten Bereichen zwischen den einzelnen Rohren.

Zwar wird gemäß eines Ausführungsbeispiels vorgeschlagen, ein Gehäuse vorzusehen, welches die Rohre umgibt und welches mittels eines Kühlmittels beaufschlagbar ist, jedoch wird auch diese Maßnahme als sehr aufwändig angesehen und erhöht das Gewicht der Abgasanlage weiter.

Ein hohes Abgasanlagengewicht ist nicht nur in Bezug auf das Gesamtfahrzeuggewicht und die bekannten damit verbundenen Nachteile unvorteilhaft, es wird auch aufgrund der größeren Wärmekapazität ein notwendiges schnelles Aufheizen der Katalysatoranlage behindert, so dass erst zu einem relativ späten Zeitpunkt der verbrauchs- und emissionsgünstige Magerbetrieb gefahren werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache und kostengünstige Weise fahrtwindbedingt eine effektive Umspülung und somit Kühlung der Abgasanlage zu erreichen, jedoch ohne die Unterbodenfreiheit des Fahrzeuges wesentlich einzuschränken.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrundeliegenden Idee ein erster Funktionsbereich zur Strömungsanhebung und ein zweiter Funktionsbereich zur Strömungszwangsführung dient.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erste Funktionsbereich dem zweiten Funktionsbereich in Fahrtrichtung vorgeordnet, so dass fahrtwindbedingt zuerst der erste und dann der zweite Funktionsbereich angeströmt wird.

Sehr von Vorteil ist es, wenn mittels des ersten Funktionsbereiches unterdruckbedingt eine Strömungsanhebung in Richtung der Abgasanlage erfolgt.

Zweckmäßigerweise wird mittels des ersten Funktionsbereiches der Luftstrom derart gelenkt, dass eine optimierte Anströmung des zweiten Funktionsbereiches erfolgt.

Ferner wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn mittels des zweiten Funktionsbereiches eine Zwangsführung der Luftströmung zur Umspülung der Abgasanlage erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl der erste als auch der zweite Funktionsbereich oberhalb einer vorbestimmten Unterbodenfreiheitslinie angeordnet, so dass die Unterbodenfreiheit des Fahrzeuges zumindest nicht wesentlich eingeschränkt ist.

Zweckmäßigerweise ist bei einem Fahrzeug, dessen Abgasanlage einen NO_x-Speicherkatalysator umfasst, die Einrichtung im Eintrittsbereich der Abgasanlage in den Unterboden und in Strömungsrichtung vor dem NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist.

Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weist der erste Funktionsbereich eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche mit schmalen Ein- und erweitertem Auslauf auf, der zweite Funktionsbereich weist eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche mit zumindest annähernd gleich breitem Ein- und Auslauf auf, welche im wesentlichen kürzer, jedoch steiler ansteigend als die Leitfläche des erste Funktionsbereiches ist. Einem weiteren Ausführungsbeispiel zufolge weist der erste Funktionsbereich eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche mit über die Länge zumindest annähernd konstanter Breite auf.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figuren ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1a einen Strömungsverlauf im Vorrohrbereich,
1b eine Strömungsanhebung in Richtung Abgasrohr mittels Unterdruck,
1c eine Zwangsführung einer Luftströmung zur Umspülung der Abgasrohre,
1d eine Kombination der Wirkprinzipien Strömungsanhebung und Zwangsführung,
2 ein Luftleitblech zur Strömungsanhebung,
3a eine Kühleinrichtung für eine Abgasanlage von unten, sowie
3b eine Kühleinrichtung für eine Abgasanlage im Schnitt.
Zur Abgasnachbehandlung bei brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Katalysatoren verwendet. Beispielsweise kommen bei saugrohr- und direkteinspritzenden Ottomotoren fahrzeugunterbodenseitig angeordnete NO_x-Speicherkatalysatoren zum Einsatz. Bei hohen Abgastemperaturen, wie sie bei hohen Lastanforderungen an die Brennkraftmaschine auftreten, besteht die Gefahr, dass die Katalysatoren überhitzen und irreversibel geschädigt werden, so dass eine Kühlung der Abgasrohre mittels eines fahrtwindbedingten Luftstromes angestrebt wird.
In diesem Zusammenhang zeigt 1 den Verlauf einer fahrtwindbedingten Unterbodenströmung 100a im Vorrohrbereich unterhalb einer Unterbodenfreiheitslinie 102. Das Abgasrohr 104, welches das heiße Abgas 106 führt, verläuft in diesem Bereich ausgehend von der Brennkraftmaschine in Richtung des Fahrzeugunterbodens, tritt durch diesen hindurch und verläuft weiter zum Fahrzeugheck, wobei der Abgasstrang hier nicht näher dargestellte Katalysatoren umfasst. Es sind keine besonderen Maßnahmen zur Umströmung des Abgasrohrs 104 getroffen, die Strömung 100a strömt im wesentlichen ohne entsprechende Kühlwirkung unterhalb des Abgasrohres 104 vorbei.
Gemäß 1b wird zur Kühlluftumspülung des Abgasrohres 104 eine Luftleitmaßnahme verwendet, welche auf dem Prinzip einer Strömungsanhebung durch Unterdruck basiert. Es ist ein in Strömungsrichtung leicht ansteigendes Luftleitblech 108 vorgesehen, wobei bei Anströmung im Bereich 110 ein Unterdruck entsteht, so dass die Unterbodenströmung 110b in Richtung des Abgasrohres 104 angehoben wird und so eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht ist. Eine Strömungsanhebung ist möglich, ohne dass die Unterbodenfreiheit des Fahrzeuges eingeschränkt wird, allerdings wird das Abgasrohr relativ unwirksam nur unterseitig vom Luftstrom 100b angeströmt, eine weitere Strömungsanhebung bis auf Höhe der Rohrmittelachse ist nicht möglich, da die Gefahr einer Strömungsablösung besteht, mit der Folge, dass die Kühlmaßnahme nicht ausreichend wirksam wäre.
1c zeigt ein Luftleitblech 112, weiches eine Luftleitmaßnahme nach dem Prinzip Zwangsluftführung zur Umspülung darstellt. Der unterbodenseitige, fahrtwindbedingte Luftstrom 100c strömt das in Strömungsrichtung ansteigende Luftleitblech 112 an, es erfolgt eine starke Ablenkung und zwangsweise Umströmung des Abgasrohres 104 durch den Luftstrom 114. Gleichzeitig wird unterdruckbedingt an der Luftleitblechrückseite ein Luftstrom 116 in Richtung des Angasrohres 104 gelenkt, welcher ebenfalls zur Kühlung beiträgt. Damit diese Anordnung ausreichend wirksam ist, ist es erforderlich, dass das Luftleitblech 112 relativ nach unten ragt, so dass die Unterbodenfreiheit des Fahrzeugs eingeschränkt ist.
Eine Kombination den beiden in den 1b und 1c dargestellten Wirkprinzipien zeigt 1d. Ein erstes Luftleitblech 118, welches im wesentlichen oberhalb der Unterbodenfreiheitslinie 102 angeordnet ist, steigt in Richtung der fahrtwindbedingten Unterbodenströmung 100d leicht an, so dass eine ablösungsfreie Anhebung der Strömung im Bereich 122 erfolgt.
Dem ersten Luftleitblech 118 ist in Strömungsrichtung ein zweites Luftleitblech 120 nachgeordnet. Aufgrund der bereits angehobenen Strömung kann das zweite Luftleitblech 120 baulich ebenfalls im wesentlichen oberhalb der Unterbodenfreiheitslinie 102 angeordnet sein und wird von dem angehobenen Luftstrom dennoch wirksam angeströmt. Das Luftleitblech 120 steigt in Strömungsrichtung stärker an, als das Luftleitblech 118, es wird eine zwangsweise Umspülung des Abgasrohres 104 mit den Luftströmen 124, 126 erreicht (vgl. 1c). Auch wenn vorliegend nur ein Abgasrohr 104 gezeigt ist, kann der Abgasstrang selbstverständlich auch mehrere parallele Abgasrohre umfassen.
Eine Ausgestaltung eines Luftleitbleches 200 zur Realisierung einer wie mit 1b gezeigten Luftleitmaßnahme durch Strömungsanhebung, ist in 2 dargestellt. Das Luftleitblech 200 steigt in Strömungsrichtung 202 leicht an, so dass unterdruckbedingt an der Blechunterseite 208 ablösungsfrei eine Strömungsanhebung erfolgt. Zur gezielten Anströmung des Abgasrohres respektive eines zweiten Luftleitbleches sind seitliche Führungen 204, 206 vorgesehen.
Eine konstruktive Ausgestaltung einer Kühleinrichtung 300 für eine Abgasanlage gemäß dem mit 1d dargestellten Prinzip zeigt 3a von unten und 3b im Schnitt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Abgasanlage zwei Abgasrohre 304, 306, welche entsprechend der Pfeilrichtung 308 durchströmt werden. Die Abgasrohre 304, 306 führen von der hier nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine kommend in den Bereich des Fahrzeugunterbodens 302 und weiter zum Fahrzeugheck. Der fahrtwindbedingte, unterbodenseitige Luftstrom 310 wird zur Kühlung der Abgasrohre entsprechend dem mit 1d gezeigten und beschriebenen Prinzip genutzt. Zur Anhebung der Luftströmung ist eine erste Luftleiteinrichtung 312 vorgesehen, die zweite Luftleiteinrichtung 314 für die Luftströmung zwangsweise zu den Abgasrohren 304, 306, so dass eine wirksame Umspülung bei gleichzeitig hoher Bodenfreiheit erreicht ist. Die erste Luftleiteinrichtung 312 weist eine Schürze 316 zur Befestigung am Fahrzeugunterboden beispielsweise mittels Schrauben 320 auf. Sie ist in Strömungsrichtung 310 leicht ansteigend ausgebildet, wobei die Breite zunimmt; Eine Strömungsanhebung ohne Ablösung wird erreicht. Die zweite Luftleiteinrichtung 314 ist in Strömungsrichtung kürzer, jedoch steiler und progressiv ansteigend angeordnet und ist im Anströmbereich flügelartig ausgebildet. Auf der Abströmseite 318 umgibt die Luftleiteinrichtung 314 die beiden Abgasrohre 304, 306 mantelartig, so dass die Kühlluftströmung die Abgasrohre 304, 306 zwangsgeführt umströmt. Vorliegend nicht näher dargestellte Katalysatoren, wie ein NO_x-Speicherkatalysator, sind beispielsweise im weiteren Verlauf stromab der Kühleinrichtung 300 angeordnet.

Claims

Fahrzeugunterbodenseitig angeordnete Einrichtung zur Luftkühlung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen ersten Funktionsbereich (118, 312) zur Strömungsanhebung und einen zweiten Funktionsbereich (120, 314) zur Strömungszwangsführung.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Funktionsbereich (118, 312) dem zweiten Funktionsbereich (120, 314) in Fahrtrichtung vorgeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Funktionsbereiches (118, 312) unterdruckbedingt eine Strömungsanhebung (122) in Richtung der Abgasanlage (104) erfolgt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Funktionsbereiches (118, 312) die Strömung (100d) derart gelenkt wird, dass eine optimierte Anströmung des zweiten Funktionsbereiches (120, 314) erfolgt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Funktionsbereiches (120, 314) eine Zwangsführung der Luftströmung (124, 126) zur Umspülung der Abgasanlage (104) erfolgt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste als auch der zweite Funktionsbereich oberhalb einer vorbestimmten Unterbodenfreiheitslinie (102) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasanlage einen NO_x-Speicherkatalysator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung im Eintrittsbereich der Abgasanlage (104, 304, 306) in den Unterboden (302) und in Strömungsrichtung vor dem NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Funktionsbereich (118) eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche (312) mit schmalen Ein- und erweitertem Auslauf aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Funktionsbereich (118) eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche (208) mit über die Länge zumindest annähernd konstanter Breite aufweist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Funktionsbereich (120) eine in Strömungsrichtung ansteigende Leitfläche (314) mit zumindest annähernd gleich breitem Ein- und Auslauf aufweist, welche im wesentlichen kürzer, jedoch steiler ansteigend als die Leitfläche (208, 312) des erste Funktionsbereiches (118) ist.