DE112005001444B4

DE112005001444B4 - Kombinierter Auspuffdämpfer/Wärmetauscher

Info

Publication number: DE112005001444B4
Application number: DE112005001444T
Authority: DE
Inventors: Wallace J. Poole; James R. Abbott; Gabriel A. Kuschel; Jian Guo Hua
Original assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2025-06-22
Also published as: GB2430485B; CN100487341C; BRPI0512573A; DE112005001444T5; GB2430485A; WO2006012087A3; GB0624397D0; JP4621735B2; US7063134B2; US20050284623A1; CN1977132A; WO2006012087A2; JP2008504482A; KR20070024593A; KR101177763B1

Abstract

Kombinierte Vorrichtung (10) aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher, umfassend: ein Gehäuse (12), das eine Wärmeübertragungskammer (30) und eine Schalldämpfungskammer (32) ausbildet, die durch ein Trennelement (34) getrennt sind; einen Durchflussregler (14), der sich axial durch die Wärmeübertragungskammer (30) erstreckt und einen ersten perforierten Abschnitt (40) sowie einen zweiten perforierten Abschnitt (42) hat, die durch eine Begrenzungsplatte (44) getrennt sind, wobei der Durchflussregler (14) dazu geeignet ist, den Strom eines ersten Fluids zu regulieren; einen Schallregler (18), der sich axial durch die Schalldämpfungskammer (32) erstreckt und mehrere Öffnungen (58) hat, die dazu geeignet sind, die Amplituden einer vorbestimmten Bandbreite von Schallfrequenzen zu dämpfen, die dem ersten Fluid zuzuordnen sind; und ein Fluidtransportelement (16), das in der Wärmeübertragungskammer (30) angeordnet ist, den Strom eines zweiten Fluids enthält und geeignet ist, Wärme vom ersten Fluid zum zweiten Fluid zu transportieren, wobei die Begrenzungsplatte (44) eine Öffnung (46) hat, so dass...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Abgassysteme und insbesondere eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher zur Verwendung in einem Abgassystem.
Gegenwärtig gibt es kein einfaches und dennoch wirksames Mittel zur Verwendung überschüssiger Wärme von einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Unterstützung einer Klimaautomatik eines Fahrzeugs, das gleichzeitig eine Schalldämpfung vorsieht. Momentan werden mit Kraftstoff betriebene Heizsysteme, die im Fachgebiet als „Hot Box” oder „Zusatzheizeinrichtung” bekannt sind, dazu verwendet, zusätzliche Wärme zu erzeugen. „Hot Boxes” sind typischerweise selbständige Systeme, die mit einem Kühlsystem in Reihe konfiguriert sind. Durch Verbrennen von Kraftstoff erzeugen diese Vorrichtungen unabhängig Wärme und bewirken damit einen Anstieg des Gesamtverbrauchs an Kraftstoff. Ferner enthalten „Hot Boxes” Strahlbrenner und Luftgeblase, wodurch der Geräuschpegel im Fahrzeuginneren tendenziell ansteigt.
US 3 280 903 A beschreibt eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher, bei dem ein Gehäuse eine Wärmübertragungskammer und eine Schalldämpfungskammer ausbildet, die durch ein Trennelement getrennt sind. Ein Durchflussregler erstreckt sich teilweise axial durch die Wärmeübertragungskammer und einen ersten perforierten Abschnitt sowie einen zweiten perforierten Abschnitt, die voneinander getrennt sind, wobei der Durchflussregler geeignet ist, den Strom eines ersten Fluids zu regulieren. Ein Schallregler ist axial in der Schalldämpfungskammer angeordnet und umfasst mehrere Öffnungen, die dazu geeignet sind, die Amplituden einer vorbestimmten Bandbreite von Schallfrequenzen zu dämpfen, die dem ersten Fluid zuzuordnen sind. Ein in der Wärmübertragungskammer angeordnetes Fluidtransportelement umfasst den Strom eines zweiten Fluids und ist geeignet, Wärme vom ersten Fluid zum zweiten Fluid zu transportieren.
Aus der JP 57166495 A ist es bekannt, in einer kombinierten Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher ein sich zentral durch das Gehäuse erstreckendes Abgasrohr anzuordnen, in dem sich eine Begrenzungsplatte befindet, die der Umlenkung des Abgasstroms dient.
DE 29 04 700 A1 beschreibt eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher, wobei der Abgasstrom sowohl durch eine Wand als auch durch eine Begrenzungsplatte in einem Abgasrohr umgelenkt wird.
Gemäß der Erfindung enthält eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher nach Anspruch 1 ein Gehäuse, das eine Wärmeübertragungskammer und eine Schalldämpfungskammer ausbildet, die durch ein Trennelement voneinander getrennt sind. Ein Durchflussregler erstreckt sich axial durch die Wärmeübertragungskammer und hat einen ersten und einen zweiten perforierten Abschnitt, die durch eine Begrenzungsplatte voneinander getrennt sind. Der Durchflussregler ist dazu geeignet, den Strom eines ersten Fluids zu regulieren. Ein Schallregler erstreckt sich axial durch die Schalldämpfungskammer und hat mehrere Öffnungen, die dazu geeignet sind, einen Großteil einer vorbestimmten Bandbreite an Schallfrequenzen zu dämpfen, die dem ersten Fluid zuzuordnen sind. Ein Fluidtransportelement ist in der Wärmeübertragungskammer angeordnet, enthält den Strom eines zweiten Fluids und ist geeignet, Wärme vom ersten Fluid zum zweiten Fluid zu transportieren.
Weitere Anwendungsbereiche für die vorliegende Erfindung sollen aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden. Es gilt zu beachten, dass die detaillierte Beschreibung und die konkreten Beispiele zwar eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, jedoch nur dem Zwecke der Veranschaulichung dienen und den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken sollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
1 ist eine Querschnitts-Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen kombinierten Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher; und
2 ist eine Seitenansicht der kombinierten Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher aus 1 ohne die Gehäusehülle.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) hat einzig beispielhaften Charakter und soll keinesfalls den Schutzbereich, die Anwendungsmöglichkeiten oder die Verwendung der Erfindung einschränken.
In den 1 und 2 ist eine kombinierte Vorrichtung 10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher dargestellt, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die kombinierte Vorrichtung 10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher hat ein Gehäuse 12, einen Durchflussregler 14, ein Fluidtransportelement 16 und einen Schallregler 18. Das Gehäuse 12 hat eine zylindrische Hülle 20, ein an einem Eingabeende 23 angeordnetes Eingabekopfstück 22 und ein an einem Ausgabeende 25 angeordnetes Ausgabekopfstück 26. Die zylindrische Hülle 20 bildet eine Wärmeübertragungskammer 30 und eine Schalldämpfungskammer 32 aus, die durch ein Trennelement 34 voneinader getrennt sind. Die Wärmeübertragungskammer 30 grenzt an das Eingabekopfstück 22 an und die Schalldämpfungskammer 32 grenzt an das Ausgabekopfstück 26 an. Bei einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform gilt die entgegengesetzte Beziehung. Die zylindrische Hülle 20 ist aus Metall gefertigt und jedes Kopfstück 22, 26 ist eine ringförmige Metallplatte, die mit dem Eingabe- bzw. Ausgabeende 23, 25 der zylindrischen Hülle 20 verschweißt ist. Ebenso ist das Trennelement 34 eine ringförmige Metallplatte, die mit der Innenwand der Hülle 20 verschweißt ist. Es sollte ersichtlich sein, dass das Gehäuse 12 zwar mit einer zylindrischen Hülle 20 offenbart ist, jedoch auch jede beliebige Hüllenform 20 unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen soll.
Der Durchflussregler 14 enthält ein Metallrohr 38, das sich vom Eingabeende 23 des Gehäuses bis zum Trennelement 34 in Längsrichtung durch die Wärmeübertragungskammer 30 erstreckt. Der Durchflussregler 14 ist geeignet, den Strom eines ersten Fluids, beispielsweise das Abgasfluid eines Verbrennungsmotors, zu führen und zu regulieren. Der Durchflussregler 14 enthält einen ersten perforierten Abschnitt 40 und einen zweiten perforierten Abschnitt 42, die durch eine Begrenzungsplatte 44 voneinander getrennt sind. Die Begrenzungsplatte 44 ist eine Metallplatte, die mit einer Innenwand des Metallrohrs 38 verschweißt ist, und sie hat eine Öffnung 46, durch die zumindest ein Teil des ersten Fluids strömen kann. Die Begrenzungsplatte 44 hat abgerundete Kanten 48, die die Öffnung 46 bilden, wodurch eine Durchwirbelung im Strom des ersten Fluids verringert werden soll.
Das Fluidtransportelement 16 ist eine hohle Wendel 50 mit einem Einlassabschnitt 52 und einem Auslassabschnitt 54 und es ist geeignet, den Strom eines zweiten Fluids zu führen. Die Wendel 50 ist vorzugsweise aus einem Metall gefertigt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, und das zweite Fluid ist ein Wärmerückgewinnungsfluid oder Abwärmeverwertungsfluid, z. B. ein Motorkühlmittel. Der Einlass- und der Auslassabschnitt 52, 54 erstrecken sich vom Eingabeende 23 des Gehäuses 12 und sind geeignet, mit einer Klimaautomatik eines Fahrzeugs in Reihe geschaltet zu werden. In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich der Einlass- und der Auslassabschnitt 52, 54 des Fluidtransportelements vom Ausgabeende 25 des Gehäuses 12. Ein Flanschbügel 49 befestigt einen mittleren Teil des Fluidtransportelements 16 an dem Durchflussregler 14, um die Konstruktion intakt zu halten.
Der Schallregler 18 enthält ein Metallrohr 56, das sich vom Trennelement 34 in Längsrichtung durch die Schalldämpfungskammer 32 zum Ausgabeende 25 des Gehäuses erstreckt. Der Schallregler 18 ist geeignet, durch die Öffnung 36 im Trennelement 34 das erste Fluid von der Wärmeübertragungskammer 30 aufzunehmen. Der Schallregler 18 hat ferner mehrere Öffnungen 58 zur Dämpfung des dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zuordenbaren Schalls. Größe und Frequenz dieses Schalls sind eine Funktion der Betriebseigenschaften des Motors. Zu solchen Eigenschaften gehören die Explosionsfrequenz der Zylinder, die Zylinderanzahl, die Ventilanordnung, die Betriebsbelastung und die Geschwindigkeitsbedingungen. Die physikalischen Eigenschaften des Schallreglers 18 und der Schalldämpfungskammer 32 können so abgestimmt oder verändert werden, dass sie unterschiedliche Schallgrößen abschwächen. Beispielsweise steht die Längsabmessung L der Schalldämpfungskammer 32 in unmittelbarer Beziehung zu den gedämpften Frequenzen. Daher ermöglicht eine Vergrößerung der Längsabmessung L der Schalldämpfungskammer 32 die Dämpfung tieferer Frequenzen. Zudem steht das Verhältnis aus dem Durchmesser D₁ der Schalldämpfungskammer 32 und dem Durchmesser D₂ des Schallreglers 18 in Beziehung zur Stärke der Dämpfung. Somit wird durch Erhöhung des Verhältnisses auch die Stärke der Dämpfung oder die Abschwächung des Schalls bei einer bestimmten Frequenz erhöht.
Es sollte deutlich werden, dass der Durchflussregler 14 und der Schallregler 18 in einer beispielhaften Ausführungsform aus einem einzigen, kontinuierlichen Metallrohr gefertigt sind. Das Metallrohr erstreckt sich zwischen dem Eingabe- und dem Ausgabekopfstück 22, 26 und ist an diesen befestigt. Zudem hat das Metallrohr einen Eingabeflansch 24 und einen Ausgabeflansch 28. Der Eingabe- und der Ausgabeflansch 24, 28 sind Bereiche mit einem verkleinerten Querschnitt, die sich vom Eingabe- bzw. Ausgabeende 23, 25 des Gehäuses 12 erstrecken und die geeignet sind, die kombinierte Vorrichtung 10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher in Reihe mit einem Fahrzeug-Abgassystem zu koppeln. In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform sind der Durchflussregler 14, der Schallregler 18 sowie der Eingabe- und der Ausgabeflansch 24, 28 jeweils separate Komponenten, die durch Schweißnähte oder andere Befestigungsmittel aneinander befestigt sind.
Bei Betrieb strömt ein konstanter Abgasstrom von einem Verbrennungsmotor durch die kombinierte Vorrichtung 10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher von ihrem Eingabeende 23 zu ihrem Ausgabeende 25. Gleichzeitig strömt ein konstanter Strom von Wärmerückgewinnungsfluid vom Einlassabschnitt 52 durch das Fluidtransportelement 16 zum Auslassabschnitt 54. Wenn der Abgasstrom in das Eingabeende 23 des Gehäuses 12 eintritt, wird er vom ersten perforierten Abschnitt 40 des Durchflussreglers 14 aufgenommen. Wenn der Abgasstrom die Begrenzungsplatte 44 erreicht, wird zumindest ein Teil davon durch den ersten perforierten Abschnitt 40 aus dem Durchflussregler 14 herausgelenkt. Das verbleibende Abgas strömt durch die Öffnung 46 in der Begrenzungsplatte 44. Der Abgasstrom, der aus dem Durchflussregler 14 herausgedrückt wurde, strömt jedoch in die an das Fluidtransportelement 16 angrenzende Wärmeübertragungskammer 30. Damit erwärmt der Abgasstrom das Fluidtransportelement 16 sowie das in demselben transportierte Wärmerückgewinnungsfluid. Die Rate, mit der die Wärme zum Fluid übertragen wird, hängt von den Eigenschaften des Abgasstroms und des Wärmerückgewinnungsfluids ab. Zum Beispiel ist die Wärmeübertragungsrate im Allgemeinen proportional zur Massenstromrate und zur Temperatur des Abgasstroms. Zudem ist die Wärmeübertragungsrate im Allgemeinen umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit des Wärmerückgewinnungsfluids, das durch das Fluidtransportelement 16 strömt. Schließlich erreicht das Wärmerückgewinnungsfluid den Ausgabeabschnitt 54 des Fluidtransportelements 16 und wird zur Klimaautomatik des Fahrzeugs befördert. Danach kann das Wärmerückgewinnungsfluid verwendet werden, um dem Fahrzeuginneren oder einem Hilfsmittel wie einem Wasserheizgerät Wärme zuzuführen.
Unterdessen tritt der Teil des Abgasstroms, der nahe dem Fluidtransportelement 16 strömt, durch den zweiten perforierten Abschnitt 42 wieder in den Durchflussregler 14 ein. Anschließend strömt der Strom durch die Öffnung 36 im Trennelement 34 in den Schallregler 18 hinein. Danach strömt der Strom durch die zahlreichen Öffnungen 58 im Schallregler 18 in die Schalldämpfungskammer 32 hinein. Die Schalldämpfungskammer 32 dient, wie oben beschrieben, zur Dämpfung des Schalls, der den Abgasstrom begleitet. Schließlich tritt der Abgasstrom durch die zahlreichen Öffnungen 58 wieder in den Schallregler 18 ein und tritt dann aus dem Ausgabeende 25 des Gehäuses 12 aus. Die zahlreichen Öffnungen 58 im Schallregler 18 dienen dazu, den Abgasstrom aus dem Schallregler 18 heraus in die Schalldämpfungskammer 32 hinein zu drücken. Das Verhältnis aus der Gesamtfläche der zahlreichen Öffnungen 58 und der Querschnittsfläche des Schallreglers 18 steht in Beziehung zu der Rate, mit der der Abgasstrom aus dem Schallregler 18 austritt. Im Allgemeinen hat eine Veränderung dieser Rate nur geringe Auswirkungen auf die Schalldämpfung.
Die Beschreibung der Erfindung hat einzig beispielhaften Charakter und somit sollen Varianten, die den Erfindungskern nicht verlassen, vom Schutzbereich der Erfindung eingeschlossen sein. Solche Varianten sollen nicht als Abweichung von der Wesensart und dem Schutzbereich der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Kombinierte Vorrichtung (10) aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher, umfassend: ein Gehäuse (12), das eine Wärmeübertragungskammer (30) und eine Schalldämpfungskammer (32) ausbildet, die durch ein Trennelement (34) getrennt sind; einen Durchflussregler (14), der sich axial durch die Wärmeübertragungskammer (30) erstreckt und einen ersten perforierten Abschnitt (40) sowie einen zweiten perforierten Abschnitt (42) hat, die durch eine Begrenzungsplatte (44) getrennt sind, wobei der Durchflussregler (14) dazu geeignet ist, den Strom eines ersten Fluids zu regulieren; einen Schallregler (18), der sich axial durch die Schalldämpfungskammer (32) erstreckt und mehrere Öffnungen (58) hat, die dazu geeignet sind, die Amplituden einer vorbestimmten Bandbreite von Schallfrequenzen zu dämpfen, die dem ersten Fluid zuzuordnen sind; und ein Fluidtransportelement (16), das in der Wärmeübertragungskammer (30) angeordnet ist, den Strom eines zweiten Fluids enthält und geeignet ist, Wärme vom ersten Fluid zum zweiten Fluid zu transportieren, wobei die Begrenzungsplatte (44) eine Öffnung (46) hat, so dass zumindest ein Teil des ersten Fluids hindurchströmen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Trennelement (34) ringförmig ist, um eine fluide Verbindung zwischen der Wärmeübertragungskammer (30) und der Schalldämpfungskammer (32) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Durchflussregler (14) ein Metallrohr ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Begrenzungsplatte (44) eine Metallplatte ist, die mit einer Innenwand des Durchflussreglers (14) verschweißt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Begrenzungsplatte (44) abgerundete Kanten (48) hat, die die Öffnung (46) bilden, welche geeignet ist, eine Durchwirbelung im hindurchströmenden Strom des ersten Fluids zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste Fluid ein Abgasstrom ist, der durch eine Energiequelle eines Kraftfahrzeugs erzeugt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (12) ein Metallzylinder ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Trennelement (34) eine ringförmige Metallplatte ist, die mit einer Innenwand des Gehäuses (12) verschweißt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Fluid ein Wärmerückgewinnungsfluid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Fluidtransportelement (16) eine hohle Metallwendel ist.