DE10357950A1

DE10357950A1 - Abgassystem mit Abgasrückführung und einem Pulsationsdämpfungselement

Info

Publication number: DE10357950A1
Application number: DE10357950A
Authority: DE
Inventors: Naroa-Moreno Zaldua; Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-07-07

Abstract

Das erfindungsgemäße Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine (1) hat mindestens eine Abgasleitung (5), eine Turbine (9), mindestens ein Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zur zeitlichen und/oder örtlichen Vergleichmäßigung eines Abgasstroms, mindestens eine Rückführleitung (7) zur Rückführung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (1), wobei die Rückführleitung (7) zwischen Gasauslass (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) und Turbine (9) über Kopplungsmittel (6) so mit der Abgasleitung (5) verbunden ist, dass Abgas durch die Rückführleitung (7) geführt werden kann, und zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) in der Abgasleitung (5) zwischen Verbrennungskraftmaschine (1) und der Turbine (9) in Strömungsrichtung (10) vor dem Kopplungsmittel (6) und/oder in der Rückführleitung (7) ausgebildet ist. Dadurch wird die Rückführung eines vergleichmäßigten Abgasstroms ermöglicht, so dass eine vereinfachte Steuerung der Abgasrückführung möglich ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassystem mit Abgasrückführung und einem Pulsationsdämpfer, insbesondere ein Abgassystem eines Automobils.

Eine Vielzahl von Automobilen weist Abgassysteme auf, die einen Abgasturbolader und/oder eine Abgasrückführung umfassen. Ein Abgasturbolader nutzt die thermische Energie des Abgases zur Kompression der Luft beziehungsweise des Gases, das in die Verbrennungskraftmaschine des Automobils eingeführt wird. Insbesondere bei Dieselmaschinen haben sich Abgasturbolader und Abgasrückführung durchgesetzt. Im Regelfall wird dabei zumindest ein Teil des Abgases stromabwärts des Abgasturboladers rückgeführt und mit dem Frischgas, insbesondere Luft, vermischt in den Gaseinlass der Verbrennungskraftmaschine geführt. Solch ein System ist beispielsweise aus der WO 00/34630 A1 bekannt.

Aufgrund der Nutzung der thermischen Energie des Abgases durch den Abgasturbolader ist jedoch der Druck und/oder die Temperatur, unter dem das Abgas in der Rückführleitung vorliegt, deutlich niedriger als der Druck und/oder die Temperatur des Abgases der Verbrennungskraftmaschine vor dem Turbolader. Für bestimmte Anwendungsfälle ist jedoch insbesondere ein erhöhter Druck des Abgases bei der Rückführung nötig und/oder vorteilhaft, beispielsweise beim Betrieb von HCCI-Motoren (Homogeneous Charge Compression Ignition), die einen sehr hohen Abgasanteil bei der Befüllung der Zylinder benötigen. Wird jedoch die Rückführleitung vor dem, also stromaufwärts des Abgasturboladers) abgezweigt, kommt es aufgrund der Pulsatilität des Abgases dazu, dass dann, wenn Abgas rückgeführt wird, auch das rückgeführte Abgas pulsatil vorliegt. Damit können kurzfristige Situationen entstehen, in denen rückgeführtes Abgas in der Verbrennungskraftmaschine benötigt wird, aber aufgrund der Pulsatilität des rückgeführten Abgasstroms kein Abgas zuströmt. Dies verkompliziert die Steuerung der Abgasrückführung und das Motormanagement beträchtlich und verhindert gegebenenfalls den Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine im HCCI-Modus.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgassystem vorzuschlagen, bei dem diese aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere für ein Automobil geeignet. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass. Das erfindungsgemäße Abgassystem umfasst mindestens eine im wesentlichen in einer Strömungsrichtung durchströmbare Abgasleitung, die zum Abführen der Abgase der Verbrennungskraftmaschine mit dem mindestens einen Gasauslass verbunden ist, eine Turbine, die zumindest teilweise in der Abgasleitung ausgebildet ist, mindestens ein Pulsationsdämpfungselement zur zeitlichen und/oder örtlichen Vergleichmäßigung eines Abgasstroms, mindestens eine Rückführleitung zur Rückführung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine vom Gasauslass zum Gaseinlass, wobei die Rückführleitung zwischen Gasauslass und Turbine mit der Abgasleitung verbindbar ist. Dies erfolgt vorzugsweise über Kopplungsmittel derart, dass zwischen 0 und 100%, des Abgases durch die Rückführleitung geführt werden. Das erfindungsgemäße Abgassystem zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine Pulsationsdämpfungselement in der Abgasleitung zwischen Verbrennungskraftmaschine und der Turbine in Strömungsrichtung vor dem Kopplungsmittel und/oder in der Rückführleitung ausgebildet ist.

Das Pulsationsdämpfungselement bewirkt eine zeitliche und/oder räumliche Vergleichmäßigung des Abgasstroms. Dies bedeutet beispielsweise, dass bei gleichbleibenden Rückführbedingungen, insbesondere konstantem mittleren Rückführvolumen an Abgas, dieses bei zeitlicher Vergleichmäßigung im wesentlichen kontinuierlich, insbesondere unter relativ kleinen Druckschwankungen dem Gaseinlass zugeführt wird. Eine räumliche Vergleichmäßigung bedeutet insbesondere, dass sich in der Abgasströmung im wesentlichen gleichmäßig geformte Isobaren und/oder Bereiche gleicher Strömungsgeschwindigkeit ausbilden, beispielsweise ein laminares, quasilaminares oder Propfenströmungsprofil („Plug Flow").

Die Ausbildung des Pulsationsdämpfungselements in der Abgasleitung zwischen Gasauslass und Turbine in Strömungsrichtung vor dem Kopplungsmittel bewirkt insbesondere, dass in der Rückführleitung stromabwärts des Pulsationsdämpfüngselements ein Abgasstrom vorliegt, dessen Pulsatilität deutlich geringer ist als stromaufwärts des Pulsationsdämpfungselements, wenn das Abgas zumindest teilweise rückgeführt wird, so dass das rückgeführte Abgas auf einfache Art und Weise dosiert und geregelt werden kann. Als Kopplungsmittel kann jedes aktive oder passive Bauteil ausgebildet sein, welches eine Kopplung der Abgasleitung mit der Rückführleitung ermöglicht, insbesondere ein Mehrwegeventil oder eine einfache Ableitung der Rückführleitung mit gegebenenfalls weiteren Regelmitteln wie beispielsweise einer Drosselklappe oder ähnliches.

Die Ausbildung des Pulsationsdämpfungselements in der Rückführleitung führt in vorteilhafter Weise dazu, dass am Gaseinlass der Verbrennungskraftmaschine ein zeitlich und/oder räumlich vergleichmäßigter rückgeführter Abgasstrom vorliegt. Dies vereinfacht die Bemessung und Steuerung der Abgasrückführung insbeson dere in Bezug auf das rückgeführte Volumen und/oder die rückgeführte Menge des Abgases im Vergleich zu einer Rückführleitung ohne Pulsationsdämpfungselement. Im Vergleich zu einer Abgasrückführung, die nach der Turbine abzweigt, weist das rückgeführte Abgas eine deutlich höhere Temperatur und/oder einen höheren Druck auf, was insbesondere beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine von Vorteil ist.

Insbesondere ist es möglich und erfindungsgemäß, mehrere Pulsationsdämpfungselemente, insbesondere eines zwischen Gasauslass und Turbine und eines in der Rückführleitung, auszubilden. Vergleichmäßigung kann eine teilweise oder auch eine im wesentlichen vollständige Homogenisierung in zeitlicher und/oder räumlicher Hinsicht bedeuten.

Als Pulsationsdämpfungselement kann jedes Bauteil eingesetzt werden, welches zu der benötigten Vergleichmäßigung des Abgasstroms führt. Beispielsweise ist es möglich und erfindungsgemäß, das Pulsationsdämpfungselement in Form einer Mehrzahl von Schaufeln auszubilden, die sich jeweils in den Querschnitt eines Rohres hineinerstrecken, welches vom Abgas durchströmt wird. Hierbei sind die Schaufeln so in Strömungsrichtung hintereinander versetzt ausgebildet, dass ein direktes Durchströmen, also ohne Auftreffen auf mindestens eine Schaufel, nicht möglich ist. Die Schaufeln dienen insbesondere als Prallplatten und führen zu einer Umlenkung zumindest eines Teils des Abgases und somit zu einer zeitlichen und/oder räumlichen Homogenisierung des Abgasstroms.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems umfasst das Pulsationsdämpfungselement einen Wabenkörper.

Wabenkörper lassen sich in besonders vorteilhafter Weise als oder als Teil von Pulsationsdämpfungselemente(n) einsetzen. Wabenkörper weisen regelmäßig eine Vielzahl von Hohlräumen, insbesondere Kanälen auf, die sich bevorzugt von einer Stirnseite des Wabenkörpers zur anderen Stirnseite des Wabenkörpers hin erstrecken. Solche Hohlräume führen beispielsweise zur Ausbildung laminarer oder quasilaminarer Strömungsprofile in den einzelnen Hohlräumen und allgemein sowohl zu einer zeitlichen als auch zu einer räumlichen Vergleichmäßigung der Strömung des Abgases, da die Strömung durch die Hohlräume die Strömungsgeschwindigkeit von Teilen der Strömung senkt und von Teilen der Strömung erhöht. Insbesondere kann es auch vorteilhaft sein, den Wabenkörper so anzupassen, dass eine besonders gute Vergleichmässigung der Strömung erfolgt, beispielsweise dadurch, dass über den Querschnitt des Wabenkörpers betrachtet inhomogene Zelldichten ausgebildet werden. Unter der Zelldichte versteht man die Zahl der Hohlräume, insbesondere Kanäle, pro Querschnittsfläche. Die Zelldichte wird im allgemeinen als cpsi (cells per square inch, Zellen pro Quadratzoll) angegeben. Insbesondere können auch Hohlräume mit sich über die Länge des Wabenkörpers ändernden Querschnittsflächen ausgebildet sein, die nach dem Diffusor- bzw. Konfusorprinzip für eine Verlangsamung bzw. Beschleunigung der jeweiligen Komponente führen. Auch hierbei ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Ausbildung der einzelnen Diffusor- bzw. Konfusorkanäle an die üblichen Strömungsverhältnisse des Abgases vor dem Pulsationsdämpfungselement anzupassen.

Ein weiterer Vorteil eines Wabenkörpers als Pulsationsdämpfungselementes ist insbesondere, dass diese in einer großen Vielfalt verfügbar sind, so dass hierdurch preiswert ein Pulsationsdämpfungselement zur Verfügung gestellt werden kann. Zudem werden Wabenkörper oftmals für eine oder mehrere Funktionen im Abgassystem eingesetzt, so zum Beispiel als Katalysatorträgerkörper, Partikelfilter und/oder Adsorberstruktur für mindestens eine Komponente des Abgases. Als Katalysatorträgerkörper dienende Wabenkörper weisen im Regelfall eine Beschichtung, insbesondere eine keramische Beschichtung wie einen Washcoat auf, welche Katalysatorpartikel, wie beispielsweise Edelmetallpartikel, insbesondere aus der Platingruppe, enthalten. Diese Katalysatoren katalysieren eine Umsetzung zumindest von Teilen des Abgases, durch welche der Anteil von Komponenten im Abgas reduziert wird, welche schädlich für Mensch und/oder Umwelt sind. Bei einer Partikelfalle werden Feststoffanteile des Abgases wie beispielsweise Ruß, der oft insbesondere bei Dieselmaschinen auftritt, ausgefiltert. Solche Partikelfilter können als geschlossene oder offene Partikelfilter ausgebildet sein. Unter einer Adsorberstruktur versteht man eine Struktur, die beispielsweise bei niedrigen Betriebstemperaturen zumindest eine Komponente des Abgases, beispielsweise Stickoxide (NO_X), adsorbiert und diese beispielsweise bei höheren Betriebstemperaturen wieder abgibt. Solche Adsorberstrukturen können aus Wabenkörpern bestehen, die mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems erfolgt eine zeitliche Vergleichmäßigung des Drucks.

Durch eine zeitliche Vergleichmäßigung des Drucks liegt trotz der Pulsatilität des Abgases stets ein gewisser Druck zur Rückführung von Abgas in den Gaseinlass der Verbrennungskraftmaschine vor, so dass praktisch zu jedem Zeitpunkt eine Rückführung des Abgases erfolgen kann. Dies vereinfacht zudem die Motorsteuerung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM, full width half maximum) des zeitlichen Verlaufs eines Druckpulses nach dem Pulsationsdämpfungselement zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) des zeitlichen Verlaufs eines Druckpulses vor dem Pulsationsdämpfungselement größer als eins.

Eine Ausbildung des Pulsationsdämpfungselements, die dies erreicht, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gute Vergleichmäßigung der Strömung.

Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM, full width half maximum) des zeitlichen Verlaufs eines Druckpulses nach dem Pulsationsdämpfungselement zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) des zeitlichen Verlaufs eines Druckpulses vor dem Pulsationsdämpfungselement mindestens 1,5, bevorzugt mindestens 2, besonders bevorzugt mindestens 3 beträgt.

Je nach Ausgestaltung des Pulsationsdämpungselement kommt es so in vorteilhafter Weise dazu, dass zwei aufeinanderfolgende Druckpulse „ineinanderlaufen", also praktisch zu jedem Zeitpunkt ein gewisser Druck zur Rückführung bereitsteht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems erfolgt eine räumliche Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit.

Dies ermöglicht eine räumlich deutlich einfacher zu steuernde Abgasrückführung, die zu besonders gleichmäßigen Ergebnissen in der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise im HCCI-Betrieb führt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Pulsationsdämpfungselement zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten vor dem Pulsationsdämpfungselement kleiner als eins.

Die Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten oder auch die Wahrscheinlichkeit der Strömungsgeschwindigkeiten (Propagatoren) berechnen sich durch eine entsprechende Integration der räumlich aufgelösten Geschwindigkeiten und gegebenenfalls eine entsprechende Normierung, beispielsweise eine Normierung dermaßen, dass das Integral über die gesamte Verteilung eins ergibt.

Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Pulsationsdämpfungselement zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung der Strömungsgeschwindigkeiten vor dem Pulsationsdämpfungselement kleiner als Einhalb, bevorzugt kleiner als ein Drittel, besonders bevorzugt kleiner als ein Viertel ist.

Eine Ausbildung des Pulsationsdämpfungselements, die dies erfüllt, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gute räumliche Vergleichmäßigung der Strömung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wabenkörper aus keramischem Material und/oder Metall ausgebildet.

Die Ausbildung des Wabenkörpers aus keramischem und/oder metallischem Material bietet je nach Anwendungsfall Vorteile. Einerseits ist die Ausbildung des Wabenkörpers aus Keramik preiswert, jedoch sind den Gestaltungsmöglichkeiten der Hohlräume regelmäßig Grenzen gesetzt. Bei metallischen Wabenkörpern, insbesondere bei metallischen Wabenkörpern, die durch Wickeln oder Verwinden einer oder mehrerer metallischer Lagen wie beispielsweise Blechlagen ausgebildet werden, ist es in einfacher Weise insbesondere durch Manipulation der eingesetzten metallischen Lagen möglich, Strukturen zur Strömungsbeeinflussung wie beispielsweise Mikrostrukturen, Umstülpungen und ähnliches, Löcher mit Ausmaßen größer als die Abmessungen der Kanäle und ähnliches auszubilden. Solche Maß nahmen können die Vergleichmäßigung der Strömung positiv beeinflussen. Insbesondere können solche Maßnahmen in Abhängigkeit von und angepasst auf die Strömungsverhältnisse vor dem Pulsationsdämpfungselement ausgebildet werden. Unter einer metallischen Lage ist in diesem Zusammenhang nicht nur eine Blechlage aus dünnen hochtemperatur- und korrosionsfesten Blechen, insbesondere mit einer Dicke von weniger als 80μm, bevorzugt weniger als 50μm, besonders bevorzugt weniger als 30μm, zu verstehen sondern auch metallische Lagen aus einem Material, welches zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbar ist. Ein solches stellen sowohl Faservliese als auch aus Pulver und/oder Spänen gegebenenfalls auf ein Trägermaterial gesinterte entsprechende metallische Elemente dar. Solche zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Materialien können mit Blechbereichen verstärkt und/oder kombiniert sein. Unter den Begriff einer metallischen Lage im Sinne dieser Erfindung fällt auch ein Material, dass beispielsweise teilweise aus metallischem und teilweise aus keramischem Material aufgebaut ist. Insbesondere können so kombinierte Lagen aus Composit-Material ausgebildet werden, die aus metallischen und keramischen Fasern, aus mit metallischem Material, insbesondere Blech verstärkten keramischen Fasern und/oder keramischen Fasern, die im wesentlichen unverlierbar in einer zumindest teilweise durchströmbaren metallischen Hülle gelagert sind.

Bei Ausbildung des Wabenkörpers aus metallischen Lagen können die einzelnen Lagen zumindest bereichsweise zumindest teilweise fügetechnisch miteinander verbunden sein, insbesondere hartverlötet und/oder geschweißt, jedoch ist es gleichfalls möglich und erfindungsgemäß, die Lagen nicht fügetechnisch miteinander zu verbinden, so dass in vorteilhafter Weise eine erhöhte Flexibilität des Wabenkörpers erreicht wird. Der Wabenkörper kann in einem üblichen Mantelrohr gehalten werden und mit diesem gegebenenfalls in Teilbereichen und/oder über ein Zwischenelement fügetechnisch verbunden werden, insbesondere hartverlötet und/oder geschweißt. So kann ein Wabenkörper als Pulsationsdämpfung selement ausgebildet sein, welcher aus metallischen Lagen ausgebildet ist, die untereinander nicht fügetechnisch miteinander verbunden sind, welcher jedoch fügetechnisch zumindest in Teilbereichen und/oder über ein Zwischenelement mit einem Mantelrohr verbunden ist.

Eine Kombination aller hier erwähnten Maßnahmen in einem Pulsationsdämpfungselement ist erfindungsgemäß möglich.

Beim Aufbau des Wabenkörpers aus metallischen Lagen werden oftmals im wesentlichen glatte, beispielsweise nur ein Mikrostrukturierung aufweisende, und zumindest teilweise strukturierte metallische Lagen eingesetzt, die beispielsweise eine Strukturierung in Form einer Wellung, beispielsweise einer Sinus- oder Dreiecksförmigen Wellung zumindest in Teilbereichen aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, einen Wabenkörper aus mindestens einer im wesentlichen glatten und mindestens einer zumindest teilweise strukturierten metallischen Lage oder einer zumindest teilweise strukturierten metallischen Lage spiralförmig aufzuwickeln. Es ist ebenso möglich, jeweils eine Mehrzahl von im wesentlichen glatten und zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen zu stapeln und einen oder mehrere dieser Stapel gleich- oder gegensinnig miteinander zu verwinden. Es ist erfindungsgemäß möglich, jeweils nur eine Art metallischer Lagen, beispielsweise Blechlagen, oder auch mehrere Arten metallischer Lagen zum Aufbau eines einzigen Wabenkörpers zu verwenden. Auch ein extrudierter oder schichtweise aus metallischem Pulver nach Art der „Rapid Manufacturing Technology" aufgebauter metallischer Wabenkörper ist erfindungsgemäß einsetzbar.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist die Turbine als ein Turbolader ausgebildet.

Ein Turbolader oder Abgasturbolader nutzt in vorteilhafter Weise die thermische Energie des Abgases zur Komprimierung des in die Verbrennungskraftmaschine strömenden Frischgases.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems weist der Wabenkörper Hohlräume auf und die Hohlräume sind so ausgestaltet, dass der Wabenkörper im wesentlichen blickdicht ist.

Blickdicht heißt insbesondere, dass eine solche Vielzahl von Hohlräumen wie beispielsweise Kanälen ausgebildet ist, dass im wesentlichen nur längs der Kanäle durch den Wabenkörper durchgesehen werden kann, nicht aber unter einem Winkel. Dies lässt sich durch relativ dicke Hohlraumbewandungen erreichen und/oder beispielsweise durch eine große Hohlraum- oder Zelldichte. Es ist gleichfalls möglich und erfindungsgemäß in Strömungsrichtung die Zellenzahl zu variieren, so dass beispielsweise einem ersten Bereich mit einer relativ geringen Zelldichte ein Bereich mit einer deutlich erhöhten Zelldichte folgt oder umgekehrt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems beträgt eine Dichte der Hohlräume pro Flächeneinheit des Wabenkörpers mehr als 100 cpsi (cells per square inch, Zellen pro Quadratzoll), und liegt insbesondere in einem Bereich bis ca. 600 cpsi.

Solche hochzelligen Wabenkörper erfüllen insbesondere das Kriterium, blickdicht zu sein und führen außerdem zu einer besonders guten Homogenisierung der Strömung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist die Menge an Abgas, die durch die Rückführleitung strömen kann, durch ein Rückführsteuerventil steuerbar.

Durch ein Rückführsteuerventil kann in besonders einfacher Weise die Menge an Abgas, welche rückgeführt wird, gesteuert werden. Hierbei kann insbesondere als Rückführsteuerventil ein im wesentlichen stufenlos steuerbares Ventil eingesetzt werden, welches je nach Bedarf durch die Motorsteuerung geöffnet oder geschlossen wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist das Pulsationsdämpfungselement in Strömungsrichtung vor dem Rückführsteuerventil ausgebildet.

Hierdurch liegt in vorteilhafter Weise ein bereits zeitlich und/oder räumlich vergleichmässigter Abgasstrom an dem Rückführsteuerventil an, so dass eine sehr genaue Dosierung des Anteils des Abgases, welcher rückgeführt wird, erfolgen kann. Dies erleichtert insbesondere die Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine, da die Menge des rückgeführten Abgasstroms verlässlich und genau dosiert werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist der Wabenkörper in einem äußeren Gehäuse gehalten, welches im wesentlichen frei durchströmbar ist, wobei das Abgas den Wabenkörper in einer ersten Richtung durchströmen kann und daran anschließend eine Umlenkung des Abgases in eine zweite Richtung erfolgt, in der das äußere Gehäuse durchströmt wird.

Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der ersten Richtung und der zweiten Richtung im wesentlichen 180 Grad, so dass also im wesentlichen eine Umkehr der Strömungsrichtung des Abgases erfolgt. Im wesentlichen frei durchströmbar bedeutet insbesondere, dass in dem Bereich zwischen Wabenkörper, welcher noch in einem üblichen Mantelrohr gehalten sein kann, und dem äußeren Gehäuse ein Rückströmbereich ausgebildet ist, der keine Wabenstruktur enthält und welcher insbesondere dem Abgasstrom möglichst geringe Strömungswiderstände entgegensetzt. Dies kann durch eine entsprechend ausgebildete Halterung des Wabenkörpers in dem oder relativ zum äußeren Gehäuse gewährleistet werden.

Die Umlenkung des Abgasstroms erlaubt eine besonders kompakte Bauweise des Wabenkörpers, mit dem insbesondere kleine Baulücken im Motorraum eines Kraftfahrzeuges vorteilhaft ausgenutzt werden können. So kann der Wabenkörper bzw. das äußere Gehäuse von der Richtung der Abgasleitung im Anschlusspunkt des Wabenkörpers abzweigen und einen beliebigen Winkel mit der Abgasleitung bilden. Auch die Richtung, in der das Abgas in den Wabenkörper eingeleitet und die Richtung in der es aus dem äußeren Gehäuse abgeleitet wird, können einen beliebigen Winkel miteinander einschließen. Bevorzugt ist hierbei, die Gaseinleitung in den Wabenkörper und die Gasausleitung aus dem äußeren Gehäuse benachbart zueinander, besonders bevorzugt nahe einer Stirnseite des Wabenkörpers, auszuführen. Die hier eingeführten Winkel sind bevorzugt an die Verhältnisse im Motorraum eines Kraftfahrzeuges anpassbar, insbesondere auf die jeweiligen Platzverhältnisse. So können auch kleine freie Volumina im Motorraum effektiv und vorteilhaft genutzt werden.

Durch die Umlenkung des Abgasstroms von der ersten in die zweite Richtung umströmt das Abgas die Außenseite des Wabenkörpers. Dies führt zu einer sehr gleichmäßigen Aufheizung des Wabenkörpers und somit zu relativ geringen thermischen Transienten und/oder Gradienten. Dieser Effekt wird noch dadurch unterstützt, dass beim Einsatz eines Wabenkörpers neben seiner Funktion als Pulsationsdämpfungselement zusätzlich als Katalysatorträgerkörper die katalysierte Umsetzung exotherm abläuft, so dass sich das Abgas während des Durchströmens des Wabenkörpers in der ersten Richtung aufheizt. Das Umströmen des Waben körpers in der zweiten Richtung durch das im wesentlichen frei durchströmbare äußere Gehäuse führt zu einer Abkühlung des Abgases und gleichzeitig zu einer gleichmäßigeren Temperierung des Wabenkörpers.

Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, dass der Wabenkörper einen Durchmesser von 20 bis 100 mm, bevorzugt 30 bis 80 mm, besonders bevorzugt im wesentlichen 40 mm aufweist.

Solche relativ klein bauenden Wabenkörper sind besonders vorteilhaft zur Ausnutzung relativ kleiner freier Räume im Motorraum.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems beträgt das im wesentlichen frei durchströmbare Volumen des äußeren Gehäuses mehr als etwa 20%, bevorzugt mehr als 40%, des Volumens des Wabenkörpers. Weiterhin bevorzugt ist auch, dass das frei durchströmbar Volumen des äußeren Gehäuses deutlich größer, bevorzugt im wesentlichen doppelt so groß als das Volumen des Wabenkörpers ist. Dabei hat das äußere Gehäuse vorteilhafterweise einen im wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt, dessen Radiusdifferenz mindestens 4 mm, und ggf. sogar bis zu etwa 15 mm, beträgt. Die Ausbildung des äußeren Gehäuses und gegebenenfalls auch des Wabenkörpers als im wesentlichen kreiszylindrische Bauteile ist bevorzugt. Unter im wesentlichen kreisringförmig sind aber auch Wabenkörper zu verstehen, die beispielsweise einen ovalen oder polygonalen Querschnitt aufweisen und in einem zylindrischen äußeren Gehäuse mit kreisförmigem, elliptischem oder ovalem Querschnitt aufgenommen sind. Unter der Radiusdifferenz ist in solchen Fällen eine mittlere Radiusdifferenz zu verstehen. Eine Radiusdifferenz von im wesentlichen 7 mm in Verbindung mit einem Wabenkörperdurchmesser von im wesentlichen 40 mm hat sich als vorteilhaft herausgestellt, jedoch sind auch andere Radiusdifferenzen möglich und erfindungsgemäß.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems weist der Wabenkörper zumindest zwei Teilmengen von Hohlräumen aufweist, wobei die erste Teilmenge Kanäle jeweils einen ersten Eingangsquerschnitt und einen ersten Ausgangsquerschnitt und die zweite Teilmenge Kanäle jeweils einen zweiten Eingangsquerschnitt und einen zweiten Ausgangsquerschnitt auf und das Verhältnis vom erstem Eingangsquerschnitt zum ersten Ausgangsquerschnitt ein anderes ist als das vom zweiten Eingangsquerschnitt zum zweiten Ausgangsquerschnitt.

Durch eine solche bevorzugte Ausführungsform des Wabenkörpers kann zusätzlich zu den Pulsationsdämpfungseigenschaften noch eine weitere Schalldämpfungsfunktion genutzt werden. Durch die Erweiterung der einen Teilmenge der Kanäle bei gleichzeitiger Verengung der anderen Teilmenge Kanäle kommt es zu einer Verlangsamung der Abgasströmung in der einen Teilmenge und zur Beschleunigung der Abgasströmung in der anderen Teilmenge Kanäle. Dies führt bei entsprechender Gestaltung der Kanalquerschnitte zu einer zumindest teilweisen destruktiven Interferenz der beiden Teilabgasströme bei Zusammenführung nach dem Wabenkörper und somit zu einer Schalldämpfung.

Vorteilhaft ist es hierbei, dass sich zumindest eine Teilmenge der Kanäle konisch erweitert und/oder konisch verengt. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass eine erste Teilmenge des Abgases eine erste Teilmenge Kanäle durchströmt und eine zweite Teilmenge des Abgases eine zweite Teilmenge Kanäle durchströmt, wobei sich die Querschnitte mindestens einer der beiden Teilmengen Kanäle über die axiale Länge des Wabenkörpers ändern, so dass die Laufzeit des Abgases in den verschiedenen Teilmengen Kanäle unterschiedlich ist. Dieser Laufzeitunterschied kann in vorteilhaft einfacher Weise zur Ausbildung einer zumindest teilweisen destruktiven Interferenz ausgenutzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist der Wabenkörper als Katalysatorträgerkörper, Partikelfilter und/oder Adsorber für mindestens eine Komponente des Abgases ausgebildet.

Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine Mehrfachfunktion des Wabenkörpers einerseits als Pulsationsdämpfungselement und andererseits in zumindest einer weiteren Funktion. So kann beispielsweise der Pulsationsdämpfer gleichzeitig als Katalysatorträgerkörper dienen, der eine katalytisch aktive Beschichtung aufweist, durch die zumindest ein Teil des Abgases katalytisch umgesetzt wird. Weiterhin kann der Wabenkörper alternativ oder zusätzlich als offener oder geschlossener Partikelfilter zum Filtern von Partikeln im Abgas ausgebildet sein. Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit besteht in der Ausbildung des Wabenkörpers als Adsorberstruktur, durch die mindestens eine Komponente des Abgases zumindest zeitweise adsorbiert und zu anderen Zeiten desorbiert wird. Dies kann beispielsweise durch Ausbildung einer entsprechenden Adsorberbeschichtung erfolgen, die insbesondere bei relativ tiefen Temperaturen eine Komponente des Abgases, beispielsweise Stickoxide (NO_X) adsorbiert und diese bei höheren Temperaturen wieder desorbiert. Hierdurch kann diese Komponente so lange gespeichert werden, bis ein Katalysator, welcher stromabwärts der Adsorberstruktur ausgebildet ist, seine Betriebstemperatur erreicht hat, so dass dann dort eine katalytische Umsetzung des NO_X erfolgen kann, so dass gerade in der Kaltstartphase eines Automobils die Emission von Stickoxiden vermieden oder zumindest wesentlich verringert werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems ist das mindestens eine Pulsationsdämpfungselement im Krümmer und/oder im Sammler der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet. Die möglichst motornahe Ausbildung des Pulsationsdämfpungselements im Krümmer und/oder im Sammler der Verbrennungskraftmaschine erlaubt die pulsationsfreie Rückführung von Abgas einer relativ hohen Temparatur, so dass insbesondere in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine das Aufheizen der Verbrennungskraftmaschine in vorteilhafter Weise beschleunigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgassystems sind im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele erläutert, ohne das die Erfindung darauf beschränkt ist. Es zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems;
2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Pulsationsdämpfungselements;
3 schematisch zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems;
4 beispielhaft einen Druckverlauf vor und nach einem Pulsationsdämpfungselement;
5 beispielhaft eine Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeiten vor und nach einem Pulsationsdämpfungselement;
6 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Pulsationsdämpfungselements im Querschnitt;
7 schematisch das zweite Ausführungsbeispiel eines Pulsationsdämpfungselements im Längsschnitt;
8 schematisch einen Ausschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Pulsationsdämpfungselements im Längsschnitt;
9 schematisch einen Ausschnitt des dritten Ausführungsbeispiel eines Pulsationsdämpfungselement im Querschnitt; und
10 eine strukturierte metallische Lage zum Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels eines Pulsationsdämpfungselement.
1 zeigt ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine 1, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug. Diese Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen Gaseinlass 2 und einen Gasauslass 3 auf. An den Gaseinlass 2 ist eine Gaszuführleitung 4 angeschlossen, über die die Verbrennungskraftmaschine 1 mit Gas versorgt wird, wobei das Gas zumindest teilweise aus Frischluft besteht. Der Gasauslass 3 ist mit der Abgasleitung 5 verbunden, über die die Abgase der Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 1 abgeleitet werden. Der Gasauslass 3 kann auch einen Sammler darstellen, in den die Abgase mehrerer Zylinder einströmen.
Über ein Kopplungsmittel 6 ist eine Rückführleitung 7 mit der Abgasleitung 5 verbunden. Die Rückführleitung 7 ist über ein Rückführsteuerventil 8 mit der Gaszuführleitung 4 verbunden. Über das Kopplungsmittel 6, welches als ein einfaches Ventil, beispielsweise ein Mehrwegeventil oder auch eine einfache Kreuzung von Leitungen ausgebildet sein kann, ist es möglich, gegebenenfalls zumindest einen Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 1 über die Rückführleitung 7 und das Rückführsteuerventil 8 zum Gaseinlass 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 zurückzuführen. Menge und Dauer des rückgeführten Abgases ist hier zumindest über das Rückführsteuerventil 8 und gegebenenfalls auch über das Kopplungsmittel 6 oder umgekehrt zu regeln. Rückführsteuerventil 8 und Kopplungsmittel 6 können auch vertauscht ausgebildet sein.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Abgassystem einen Turbolader 9, welcher die thermische Energie des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Kompression der durch die Gaszuführleitung 4 strömenden Frischluft nutzt. Das Abgas, welches die Verbrennungskraftmaschine 1 über den Gasauslass 3 abgibt, liegt pulsatil vor, da es das Produkt der intermittierenden Verbrennung in den einzelnen Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 1 darstellt. Somit treten im Abgas starke Druckschwankungen auf.
Die zumindest teilweise Rückführung des Abgases über die Rückführleitung 7 dient beispielsweise zur Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine 1 oder von Komponenten, die in einer Strömungsrichtung 10, in der die Abgasleitung 5 im wesentlichen durchströmbar ist, hinter der Verbrennungskraftmaschine 1 liegen, beispielsweise Katalysatorträgerkörper, Partikelfilter und/oder Adsorber, die eine gewisse Betriebstemperatur benötigen. Die schnellere Aufheizung dieser Komponenten reduziert insbesondere die Anspringzeit und verkürzt somit die Phase, in der nur eine ungenügende Umsetzung des Abgases erfolgt. Weiterhin wichtig ist eine Abgasrückführung beispielsweise im Bereich der HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition)-Technik. Diese Technik beruht auf einer homogenen Zündung in den gesamten Zylindern der Verbrennungskraftmaschine 1 bei sehr mageren Luft/Kraftstoffgemischen, die gegebenenfalls so mager sind, dass eine Zündung beispielsweise durch Zündkerzen nur schwer möglich ist. Um eine genügend hohe Temperatur zur Selbstzündung zu erreichen, ist in solchen Fällen die Rückführung von möglichst heißem Abgas nötig, welches zur Erreichung einer hohen Verdichtung auch unter hohem Druck vorliegen kann. Würde nun eine Abgasrückführung über eine Rückführleitung 7 erfolgen, die in Strömungsrichtung 10 nach dem Turbolader 9 von der Abgasleitung 5 abzweigt, würde Abgas rückgeführt, welches durch die Nutzung der thermischen Energie des Abgases im Turbolader 9 bereits eine deutlich reduzierte Temperatur und/oder einen deutlich reduzierten Druck aufweist. Von daher ist das Kopplungsmittel 6 in Strömungsrichtung 10 vor dem Turbolader 9 ausgebildet. Im Kopplungsmittel 6 und damit auch am Rückführsteuerventil 8 liegt das Abgas – ohne Ausbildung eines Pulsationsdämpfungselements – jedoch im wesentlichen so pulsatil vor, wie es die Verbrennungskraftmaschine 1 durch den Gasauslass 3 verlässt. Somit würde jedoch ein solches Abgas nur schwer regelmäßig für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 zur Verfügung stehen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass mindestens ein Pulsationsdämpfungselement in der Abgasleitung 5 in Strömungsrichtung 10 vor dem Turbolader 9 und dem Kopplungsmittel 6 und/oder in der Rückführleitung 7 ausgebildet ist. Das vorliegende Ausführungsbeispiel weist ein erstes Pulsationsdämpfungselement 11 und ein zweites Pulsationsdämpfungselement 12 auf. Es sei schon jetzt darauf hingewiesen, dass diese Pulsationsdämpfungselemente 11, 12 alternativ oder kumulativ sind. Es sind somit erfindungsgemäß auch Abgassysteme möglich, die nur das erste Pulsationsdämpfungselement 11 oder das zweite Pulsationsdämpfungselement 12 aufweisen.
Durch die Pulsationsdämpfungselemente 11, 12 erfolgt eine Vergleichmäßigung zumindest des Abgasstroms, welcher durch die Rückführleitung 7 strömen kann. Im Falle des ersten Pulsationsdämpfungselements 11 erfolgt auch eine Vergleichmäßigung des Abgasstroms durch die Abgasleitung 5 in Strömungsrichtung 10 hinter dem ersten Pulsationsdämpfungselement 11. Die Vergleichmäßigung des Abgasstroms erfolgt je nach Ausbildung der Pulsationsdämpfungselemente 11, 12 in zeitlicher und/oder räumlicher Hinsicht. Insbesondere erfolgt eine Vergleichmäßigung in der Rückführleitung 7 in Bezug auf den am Rückführsteuerventil 8 anliegenden Druck des Abgases. Vergleichmäßigung muss nicht bedeu ten, dass ein zeitlich konstanter Druck in der Rückführleitung 7 am Rückführsteuerventil 8 anliegt, es bedeutet vielmehr dass die Schwankungsbreite zwischen Druckminima und Druckmaxima verkleinert, bevorzugt deutlich verkleinert ist, dass also die Druckminima angehoben und die Druckmaxima abgesenkt werden, so dass im wesentlichen konstant ein messbarer Druck in der Rückführleitung 7 am Rückführsteuerventil 8 anliegt.
Zur weiteren Verdichtung des Gasgemisches, welches bei Rückführung zumindest eines Teils des Abgases durch die Rückführleitung 7 am Gaseinlass 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 anliegt, ist es ferner möglich, das Rückführsteuerventil 8 in einer Einströmrichtung 13, in der die Gaszuführleitung 4 im wesentlichen durchströmbar ist, noch vor dem Turbolader 9 auszubilden, so dass auch das durch die Rückführleitung 7 und das Rückführsteuerventil 8 in die Gaszuführleitung 4 rückgeführte Abgas noch einer Kompression im Turbolader 9 unterzogen wird.
In Strömungsrichtung 10 hinter dem Turbolader 9 sind weitere Abgasbehandlungsmittel 14 ausgebildet. Diese Abgasbehandlungsmittel 14 können aus einem Wabenkörper bestehen, welcher beispielsweise als Katalysatorträgerkörper, als Partikelfilter und/oder als Adsorber, insbesondere als Stickoxid-Adsorber, ausgebildet sein kann. In diesen Abgasnachbehandlungsmitteln 14 erfolgt also wahlweise alternativ oder zusätzlich eine zumindest teilweise Umsetzung zumindest von Teilen des Abgases und/oder von in diesem enthaltenen Feststoffen, sowie eine zumindest temporäre Speicherung von Feststoffen und/oder zumindest einer gasförmigen Komponente des Abgases.
2 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform eines Pulsationsdämpfungselements 11, 12. Dieses ist ein Wabenkörper 15, der eine Wabenstruktur 16 und ein Mantelrohr 17 umfasst. Erfindungsgemäß sind jedoch auch Wa benkörper 15 ohne Mantelrohr 17 möglich, beispielsweise bei spiralförmig aufgebauten Wabenkörpern 15. Die Wabenstruktur 16 ist aus im wesentlichen glatten metallischen Lagen 18 und zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen 19 aufgebaut, welche abwechselnd zu drei Stapeln gestapelt sind, die miteinander verwunden sind. Der Übersichtlichkeit halber sind die zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen 19 nur in einem Teilbereich der Wabenstruktur 16 eingezeichnet. Im vorliegenden Beispiel sind die zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen 19 gewellt, insbesondere Sinusförmig gewellt. Die im wesentlichen glatten metallischen Lagen 18 und die zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen 19 begrenzen Kanäle 20, die sich in Durchströmungsrichtung durch den Wabenkörper 15 erstrecken. Die Kanäle 20 stellen für ein Fluid durchströmbare Hohlräume dar.
Die Ausbildung von Wabenkörper 15 auch als extrudierter Baukörper, beispielsweise aus Keramik und/oder Metall, ist möglich und erfindungsgemäß. Ein Wabenkörper 15 kann neben der in 2 gezeigten Möglichkeit des Aufbaus beispielsweise auch als spiralförmig gewickelter Wabenkörper 15 aufgebaut werden, wobei mindestens eine zumindest teilweise strukturierte metallische Lage 19 und gegebenenfalls zumindest eine im wesentlichen glatte metallische Lage 18 spiralförmig aufgewickelt werden. Auch hier bilden sich Kanäle 20 aus, die sich durch den Wabenkörper 15 erstrecken und die für ein Fluid, beispielsweise ein Abgas, durchströmbar sind. Auch das Verwinden einer anderen Zahl von Stapeln, beispielsweise von zwei Stapeln, ist möglich.
Unter metallischer Lage 18, 19 sind neben üblichen Blechlagen, bevorzugt aus Aluminium oder korrosions- und hochtemperaturfestem Stahl, bevorzugt einer Dicke von weniger als 80 μm, besonders bevorzugt weniger als 50 μm, insbesondere weniger als 30 μm, auch zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbare metallische Lagen zu verstehen. Dies können insbesondere Lagen 18, 19 aus einem metallischen Vlies sein, insbesondere ein Faservlies, beispielsweise ein gesintertes Faservlies oder auch Lagen, die durch Sintern von Pulver oder Spänen erstellt werden. Insbesondere ist unter dem Begriff einer metallischen Lage 18, 19 im Sinne dieser Erfindung auch eine Lage 18, 19 aus einem Composit-Material zu verstehen, welches beispielsweise aus einem metallischen Fasermaterial mit Blechstreifen verstärkt oder mit einer Blechlage kombiniert aufgebaut ist oder auch aus einem keramischen Fasermaterial, welches mit Blechlagen oder -streifen verstärkt, gehalten oder auch von einer insbesondere porösen oder hochporösen Blechlage umfasst ist, bevorzugt im wesentlichen unverlierbar. Erfindungsgemäß können zum Aufbau eines Wabenkörpers 15 unterschiedliche Arten von metallischen Lagen 18, 19 in allen möglichen Kombinationen verwendet werden.
In oder an den metallischen Lagen 18, 19 oder von den metallischen Lagen 18, 19 umfasst können Mittel zur Strömungsbeeinflussung ausgebildet sein. Diese umfassen insbesondere

– Mikrostrukturierungen, die eine Strukturierungsamplitude aufweisen, die wesentlich kleiner ist als die der zumindest teilweise strukturierten Lagen und die sich bevorzugt im wesentlichen quer zur Durchströmungsrichtung des Wabenkörpers 15 erstrecken;
– Umstülpungen, die sich im wesentlichen in Durchströmungsrichtung des Wabenkörpers 15 erstrecken und die gegebenenfalls eine Durchbrechung der metallischen Lage 18, 19 umfassen;
– Löcher in den metallischen Lagen 18, 19, die zumindest eine Abmessung aufweisen, die größer als eine Strukturierungsamplitude und/oder Strukturwiederhollänge der zumindest teilweise strukturierten Lage ist; und
– Strömungsleitflächen, die zur Umlenkung und/oder Verwirbelung der Strömung dienen können.

Die metallischen Lagen 18, 19 können untereinander fügetechnisch verbunden sein, insbesondere hartgelötet und/oder verschweißt. Die Ausbildung der fügetechnischen Verbindung zumindest in axialen und/oder radialen Teilbereichen des Wabenkörpers 15 ist erfindungsgemäß möglich. Die Wabenstruktur 16 kann fügetechnisch mit dem Mantelrohr 17 verbunden sein, insbesondere hartgelötet und/oder geschweißt. Diese Verbindung kann zumindest in axialen und/oder radialen Teilbereichen des Wabenkörpers 15 und/oder des Mantelrohres 17 ausgebildet sein. Auch die Verbindung der Wabenstruktur 16 mit dem Mantelrohr 17 über ein Zwischenelement ist möglich und erfindungsgemäß, beispielsweise eine strukturierte Manschette, die bevorzugt eine andere Strukturierungsamplitude, Strukturwiederhollänge und/oder Materialstärke aufweist als die zumindest teilweise strukturierte metallische Lage 19, wobei die Verbindung der Wabenstruktur 16 mit dem Zwischenelement und/oder die Verbindung zwischen Zwischenelement und Mantelrohr 17 zumindest in radialen und/oder axialen Teilbereichen möglich ist, wobei insbesondere die Teilbereiche, in denen das Zwischenelement mit dem Mantelrohr 17 und die Teilbereiche, in denen das Zwischenstück mit der Wabenstruktur 16 verbunden ist, in radialer Richtung zwar übereinanderliegen können, es jedoch auch möglich ist, dass diese Teilbereiche in dieser Richtung nur teilweise oder auch gar nicht überlappen.
Die Ausbildung zumindest eines der Pulsationsdämpfungelemente 11, 12 als Wabenkörper 15 erlaubt in vorteilhafter Weise die Kombination der Pulsationsdämpfungsfunktion mit weiteren Funktionen, insbesondere zur Abgasnachbehandlung. So kann der Wabenkörper 15 in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, dass er als Katalysatorträgerkörper, Partikelfilter und/oder Adsorber für zumindest eine Komponente des Abgases dient. Im übrigen wird auf die hierzu oben ausgeführten Details verwiesen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems. Gleiche Bauteile sind hier mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem Gaseinlass 2 und einem Gasauslass 3 durchströmen eine Abgasleitung 5. Mit einem Kopplungsmittel 6 ist die Abgasleitung 5 mit einer Rückführleitung 7 verbindbar, durch die 0 bis 100% des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 1 in die Gaszuführleitung 4 und darüber in den Gaseinlass 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 rückführbar sind. Das Kopplungsmittel 6 ist in Strömungsrichtung 10 des Abgases vor einem Turbolader 9 ausgebildet, durch den die durch die Gaszuführleitung 4 strömende Frischluft komprimiert wird. In Strömungsrichtung 10 hinter dem Turbolader 9 sind weitere Abgasbehandlungsmittel 14 ausgebildet. Diese können alternativ oder zusätzlich auch in Strömungsrichtung 10 vor dem Turbolader 9 ausgebildet sein.
In der Rückführleitung 7 ist ein Pulsationsdämpfungselement 21 ausgebildet. Dieses umfasst einen Wabenkörper 15, welcher in einem äußeren Gehäuse 22 gehalten ist. Der Wabenkörper 15 kann wie oben dargelegt ausgeführt sein. Das Abgas strömt durch die Rückführleitung 7 und dann durch eine Gaszuleitung 23 in den Wabenkörper 15. Im Wabenkörper 15 strömt das Abgas in einer ersten Richtung 24. Nach Durchströmen des Wabenkörpers 15 erfolgt eine Umlenkung 25, wonach das Abgas das äußere Gehäuse 22 in einer zweiten Richtung 26 durchströmt. Die zweite Richtung 26 ist im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Richtung 24. Das äußere Gehäuse 22 ist im wesentlichen frei durchströmbar, dass heißt insbesondere, dass keine Wabenstruktur im äußeren Gehäuse 22 ausgebildet ist. Nach Durchströmen des äußeren Gehäuses 22 strömt das Abgas durch Abströmmittel 28 weiter in die Rückführleitung 7. Die Abströmmittel 27 sind in vorliegendem Ausführungsbeispiel als kalottenförmiges Bauteil mit einer Ableitung ausgebildet, jedoch sind auch alle anderen Formen der Abströmmittel möglich und erfindungsgemäß. Insbesondere ist es auch möglich und erfindungsgemäß, die Abgase nicht stirnseitig abzuleiten sondern im zentralen Bereich des äußeren Gehäuses 22. Das heißt, Abströmmittel 28 und Gaszuleitung 12 müssen nicht im Bereich einer einzigen Stirnseite 29 des Wabenkörpers 15 ausgebildet sein.
Die hier gezeigte Form des Pulsationsdämpfungselements 21 in Form eines in einem äußeren Gehäuse 22 gehalterten Wabenkörpers 15 erlaubt eine Bauweise, bei der das Pulsationsdämpfungselement 21 in Bezug auf die Rückführleitung 7 und (bei Ausbildung des Pulsationsdämpfungselementes 21 in der Abgasleitung 5 in Bezug auf die Strömungsrichtung 10 stromaufwärts des Kopplungsmittels 6) in Bezug auf die Abgasleitung 5 in einem beliebigen Winkel ausgebildet ist, was es ermöglicht, sehr kleine Baulücken im Motorraum eines Kraftfahrzeuges auszunutzen. So ist eine sehr flexible Gestaltung des Pulsationsdämpfungselementes 21, der Rückführleitung 7 und der Abgasleitung 5 möglich.
Das Pulsationsdämpfungselement 21 – genauso wie die Pulsationsdämpfungselemente 11, 12 – führt zu einer Vergleichmäßigung der Strömung des Abgases in zeitlicher und/oder räumlicher Hinsicht. Bei Betrachtung des zeitlichen Ablaufs des Drucks PR wie in 4 dargestellt, ist zu erkennen, dass der zeitliche Druckverlauf 30 vor dem Pulsationsdämpfungselement 21 (gezeigt als durchgezogene Linie) deutlich pulsatiler ist als der zeitliche Druckverlauf 31 nach dem Pulsationsdämpfungselement 21 (gezeigt als gepunktete Linie). Insbesondere führt das Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 zu einer Vergrößerung der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM, full width half maximum) um einen Faktor von mindestens 1,5, bevorzugt mindestens 2, besonders bevorzugt mindestens 3. Insbesondere trifft dies auf Druckwerte PR zu, die über einen Querschnitt der Abgasleitung 5 oder der Rückströmleitung 7 integriert und/oder gemittelt sind.
5 zeigt Propagatoren der Strömung vor dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 und nach dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21. Ein Propagator gibt die Wahrscheinlichkeitsverteilung P(v) einer Geschwindigkeit v an oder auch die Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeit, die sich nur um einen Normierungsfaktor unterscheiden. Liegt ein Datensatz vor, in dem räumlich aufgelöst zu jedem Punkt x, y einer Ebene die dort vorliegende Geschwindigkeit v oder auch eine Intensität dieser Geschwindigkeit v bekannt ist, die beispielsweise auf der Integration über eine endlich dicke „Scheibe" vorliegt, so lässt sich durch eine einfache Integration über die Ebene x, y der Propagator bestimmen. Der Wert eines Propagators P(v) einer bestimmten Geschwindigkeit v gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass ein Teilchen in der Strömung die Geschwindigkeit v aufweist. Als Häufigkeitsverteilung P(v) gibt sie eine Größe an, die direkt proportional zur Zahl der Teilchen ist, die diese bestimmte Geschwindigkeit v aufweisen. Grundsätzlich kann hier der Erwartungswert der Geschwindigkeit vor dem erfindungsgemäßen Pulsationsdämpfungselement von dem Erwartungswert danach verschieden sein.
Die in 5 beispielhaft gezeigte Häufigkeitsverteilung 32 vor dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 (als durchgezogene Linie gezeichnet) weist eine deutlich größere volle Breite bei halber Höhe (FWHM) auf als die Häufigkeitsverteilung 33 nach dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21. Bevorzugt ist das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung 33 nach dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung 32 vor dem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,35, besonders bevorzugt kleiner als 0,25.
6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Pulsationsdämpfungselement 21 aus 3. Ein Wabenkörper 15 ist in einem äußeren Gehäuse 22 mit Halteelementen 27 gehalten. Der Wabenkörper 15 ist als extrudiertes Bauteil ausgeführt, dass Kanalwände 34 aufweist, die Kanäle 20 begrenzen. Die Kanäle sind nur exemplarisch gezeichnet, es können erfindungsgemäß auch bei solchen Wabenkörpern 15 hohe Zelldichten vorliegen, bevorzugt mehr als 100 cpsi (cells per square inch), besonders bevorzugt mehr als 400 cpsi, insbesondere bis zu ca. 600 cpsi. In diesem Beispiel sind die Querschnitte der Kanäle 20 zumeist quadratisch, mit Ausnahme der am Rand des Wabenkörpers 15 gelegenen Kanäle 20. Das äußere Gehäuse 22 und der Wabenkörper 15, gegebenenfalls das den Wabenkörper 15 umgebende Mantelrohr 17, bilden einen Rückströmraum 35. In einem solchen Pulsationsdämpfungselement können beliebige andere Wabenkörper 15 ausgebildet sein.
7 zeigt die Strömungsverhältnisse in einem Pulsationsdämpfungselement 21 schematisch im Detail. Das Abgas strömt in einer ersten Richtung 24 durch den Wabenkörper 15. Nach dem Verlassen des Wabenkörpers 15 erfolgt eine Umlenkung 25, woraufhin das Abgas in der zweiten Richtung 26 den Rückströmraum 35 durchströmt.
Bei Ausbildung der Pulsationsdämpfungselemente 11, 12, 21 als Wabenkörper 15 kommen bevorzugt Wabenkörper 15 zum Einsatz, die eine hohe Zelldichte aufweisen. Solche hohen Zelldichten weisen insbesondere die Eigenschaft auf, dass sie blickdicht sind.
8 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wabenkörpers 5. Dieser weist eine erste Teilmenge Kanäle 36 und eine zweite Teilmenge Kanäle 37 auf. Die Kanäle der ersten Teilmenge Kanäle 36 weisen jeweils einen ersten Eingangsquerschnitt 38 und einen ersten Ausgangsquerschnitt 39 auf. Die Kanäle der zweiten Kanäle 37 weisen jeweils einen zweiten Eingangsquerschnitt 40 und einen zweiten Ausgangsquerschnitt 41 auf. Hierbei ist das Verhältnis des ersten Eingangsquerschnitts 38 zum ersten Ausgangsquerschnitt 38 ein anderes als das des zweiten Eingangsquerschnitts 40 zum zweiten Ausgangsquerschnitt 41. Die Kanäle der ersten Teilmenge Kanäle 36 verengen sich, während sich die Kanäle der zweiten Teilmenge Kanäle 37 erweitern. Dies führt dazu, dass sich der Teilstrom des Abgasstroms, welcher durch die erste Teilmenge Kanäle 36 strömt, beschleunigt, während sich der Teilstrom des Abgasstroms, welcher durch die zweite Teilmenge Kanäle 37 strömt, verlangsamt. Im Vermischungsraum 42 werden die Teilmengen Abgase wieder miteinander vermischt. Bei entsprechender Ausgestaltung der Teilmengen Kanäle 36, 37 kommt es aufgrund der Laufzeitunterschiede, die sich zwischen den Teilströmen aufgrund der Beschleunigung bzw. Verlangsamung der Teilströme ergeben, zu einer zumindest teilweisen destruktiven Interferenz zwischen den Teilströmen, was zu einer Schalldämpfung führt.
Hierbei ist bevorzugt die erste Teilmenge Kanäle 36 im wesentlichen konisch verjüngend ausgebildet, während die zweite Teilmenge Kanäle 37 im wesentlichen konisch erweiternd ausgebildet ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Wabenkörper 15 aus im wesentlichen glatten metallischen Lagen und strukturierten metallischen Lagen 43 ausgebildet werden, deren Strukturierungsamplitude sich über die Länge der metallischen Lagen 43 ändert.
9 ist ein Ausschnitt des dritten Ausführungsbeispiels eines Wabenkörpers 15 als gaseintrittsseitige Ansicht zu entnehmen. Der Wabenkörper 15 ist aus im wesentlichen glatten metallischen Lagen 44 und strukturierten metallischen Lagen 43 aufgebaut, wobei benachbarte strukturierte metallische Lagen 43 jeweils um 180° gegeneinander verdreht sind. Dadurch bildet sich eine erste Teilmenge Kanäle 36 mit ersten Eingangsquerschnitten 38 und eine zweite Teilmenge Kanäle 37 mit zweiten Eingangsquerschnitten 40. Der in 8 und 9 gezeigte und hier beschriebene Wabenkörper 15 kann in vorteilhafter Weise als Pulsationsdämpfungselement 11, 12 oder in einem Pulsationsdämpfungselement 21 auch in Kombination mit anderen Wabenkörpern 15 zum Einsatz kommen.
10 zeigt beispielhaft eine strukturierte metallische Lage 43 zum Aufbau des Wabenkörpers 15, der in den 8 und 9 gezeigt ist. Die metallische Lage 43 weist über die Länge unterschiedliche Strukturierungsamplituden auf, die im Zusammenwirken mit den benachbarten glatten Lagen 44 (nicht gezeigt) den ersten Ausgangsquerschnitt 39 und auf der anderen Seite den zweiten Eingangsquerschnitt 40. Beim Aufbau des Wabenkörpers 15 werden benachbarte strukturierte metallische Lagen 43 jeweils um 180° um die Achse 45 gedreht ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Abgassystem mit einem Pulsationsdämpfungselement 11, 12, 21 ermöglicht in vorteilhafter Weise die Rückführung eines zeitlich und/oder räumlich vergleichmäßigten Abgasstroms, so dass eine vereinfachte Steuerung der Abgasrückführung möglich ist. Als oder in Pulsationsdämpfungselemente(n) 11, 12, 21 lassen sich in vorteilhafter Weise Wabenkörper 15 einsetzen.

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Gaseinlass
3: Gasauslass
4: Gaszuführleitung
5: Abgasleitung
6: Kopplungsmittel
7: Rückführleitung
8: Rückführsteuerventil
9: Turbolader
10: Strömungsrichtung
11: erstes Pulsationsdämpfungselement
12: zweites Pulsationsdämpfungselement
13: Einströmrichtung
14: Abgasbehandlungsmittel
15: Wabenkörper
16: Wabenstruktur
17: Mantelrohr
18: im wesentlichen glatte metallische Lage
19: zumindest teilweise strukturierte metallische Lage
20: Kanal
21: Pulsationsdämpfungselement
22: äußeres Gehäuse
23: Gaszuleitung
24: erste Richtung
25: Umlenkung
26: zweite Richtung
27: Halteelement
28: Abströmmittel
29: Stirnseite
30: zeitlicher Druckverlauf vor einem Pulsationsdämpfungselement
31: zeitlicher Druckverlauf nach einem Pulsationsdämpfungselement
32: Häufigkeitsverteilung vor einem Pulsationsdämpfungselement
33: Häufigkeitsverteilung nach einem Pulsationsdämpfungselement
34: Kanalwand
35: Rückströmraum
36: erste Teilmenge Kanäle
37: zweite Teilmenge Kanäle
38: erster Eingangsquerschnitt
39: erster Ausgangsquerschnitt
40: zweite Eingangsquerschnitt
41: zweite Ausgangsquerschnitt
42: Vermischungsraum
43: strukturierte metallische Lage
44: im wesentlichen glatte metallische Lage
45: Achse

Claims

Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine (1), insbesondere in einem Automobil, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) mindestens einen Gaseinlass (2) und mindestens einen Gasauslass (3) umfasst, mit mindestens einer im wesentlichen in einer Strömungsrichtung (10) durchströmbaren Abgasleitung (5), die zum Abführen der Abgase der Verbrennungskraftmaschine (1) mit dem mindestens einen Gasauslass (3) verbunden ist, mit einer Turbine (9), die zumindest teilweise in der Abgasleitung (5) ausgebildet ist, mit mindestens einem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zur zeitlichen und/oder örtlichen Vergleichmäßigung eines Abgasstroms, mit mindestens einer Rückführleitung (7) zur Rückführung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine (1) vom Gasauslass (3) zum Gaseinlass (2), wobei die Rückführleitung (7) zwischen Gasauslass (3) und Turbine (9) über Kopplungsmittel (6) so mit der Abgasleitung (5) verbindbar ist, dass zwischen 0 und 100% des Abgases durch die Rückführleitung (7) geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) in der Abgasleitung (5) zwischen Verbrennungskraftmaschine (1) und der Turbine (9) in Strömungsrichtung (10) vor dem Kopplungsmittel (6) und/oder in der Rückführleitung (7) ausgebildet ist.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) einen Wabenkörper (15) umfasst.
Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Vergleichmäßigung des Drucks (PR) erfolgt.
Abgassystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM, full width half maximum) des zeitlichen Verlaufs (31) eines Druckpulses nach dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) des zeitlichen Verlauf (30) des Druckpulses vor dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) größer als eins ist.
Abgassystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM, full width half maximum) des zeitlichen Verlaufs (31) eines Druckpulses nach dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) des zeitlichen Verlaufs (30) des Druckpulses vor dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) mindestens 1,5 beträgt.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit (v) erfolgt.
Abgassystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung (33) der Strömungsgeschwindigkeiten (v) nach dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung (32) der Strömungsgeschwindigkeiten (v) vor dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) kleiner als eins ist.
Abgassystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung (33) der Strömungsgeschwindigkeiten (v) nach dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) zu der vollen Breite bei halber Höhe (FWHM) der Häufigkeitsverteilung (32) der Strömungsgeschwindigkeiten (v) vor dem Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) kleiner als 0,5 ist.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9) als ein Turbolader ausgebildet ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (15) aus keramischem Material und/oder Metall ausgebildet ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Wabenkörper (15) Hohlräume (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (20) so ausgestaltet sind, dass der Wabenkörper (15) im wesentlichen blickdicht ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichte der Hohlräume (20) pro Flächeneinheit des Wabenkörpers (15) mehr als 100 cpsi beträgt.
Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Abgas, die durch die Rückführleitung (7) strömen kann, durch ein Rückführsteuerventil (8) steuerbar ist.
Abgassystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsationsdämpfungselement (11, 12, 21) in Strömungsrichtung (10) vor dem Rückführsteuerventil (7) ausgebildet ist.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (15) in einem äußeren Gehäuse (22) gehalten ist, welches im wesentlichen frei durchströmbar ist, wobei das Abgas den Wabenkörper (15) in einer ersten Richtung (24) durchströmen kann und daran anschließend eine Umlenkung (25) des Abgases in eine zweite Richtung (26) erfolgt, in der das äußere Gehäuse (22) durchströmt wird.
Abgassystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (15) einen Durchmesser von 20 bis 100 mm aufweist.
Abgassystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das im wesentlichen frei durchströmbare Volumen des äußeren Gehäuses (22) mehr als 20%, bevorzugt mehr als 40%, des Volumens des Wabenkörpers (15) beträgt.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse (22) einen im wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, dessen Radiusdifferenz mindestens 4 nun beträgt.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (15) zumindest zwei Teilmengen von Kanälen (20) aufweist, wobei die erste Teilmenge Kanäle (20) jeweils einen ersten Eingangsquerschnitt und einen ersten Ausgangsquerschnitt und die zweite Teilmenge Kanäle (20) jeweils einen zweiten Eingangsquerschnitt und einen zweiten Ausgangsquerschnitt aufweist und das Verhältnis vom erstem Eingangsquerschnitt zum ersten Ausgangsquerschnitt ein anderes ist als das vom zweiten Eingangsquerschnitt zum zweiten Ausgangsquerschnitt.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (15) als Katalysatorträgerkörper, Partikelfilter und/oder Adsorber für mindestens eine Komponente des Abgases ausgebildet ist.