DE112005001444T5 - Kombinierter Auspuffdämpfer/Wärmetauscher - Google Patents
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Abstract
Kombinierte
Vorrichtung (10) aus Auspuffdämpfer
und Wärmetauscher,
umfassend:
ein Gehäuse (12), das eine Wärmeübertragungskammer (34) 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.
ein Gehäuse (12), das eine Wärmeübertragungskammer (34) 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.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft Abgassysteme und insbesondere eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher zur Verwendung in einem Abgassystem.
- Hintergrund der Erfindung
- 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 Luftgebläse, wodurch der Geräuschpegel im Fahrzeuginneren tendenziell ansteigt.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher enthält 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 aus1 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 und2 ist eine kombinierte Vorrichtung10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher dargestellt, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die kombinierte Vorrichtung10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher hat ein Gehäuse12 , einen Durchflussregler14 , ein Fluidtransportelement16 und einen Schallregler18 . Das Gehäuse12 hat eine zylindrische Hülle20 , ein an einem Eingabeende23 angeordnetes Eingabekopfstück22 und ein an einem Ausgabeende25 angeordnetes Ausgabekopfstück26 . Die zylindrische Hülle20 bildet eine Wärmeübertragungskammer30 und eine Schalldämpfungskammer32 aus, die durch ein Trennelement34 voneinader getrennt sind. Die Wärmeübertragungskammer30 grenzt an das Eingabekopfstück22 an und die Schalldämpfungskammer32 grenzt an das Ausgabekopfstück26 an. Bei einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform gilt die entgegengesetzte Beziehung. Die zylindrische Hülle20 ist aus Metall gefertigt und jedes Kopfstück22 ,26 ist eine ringförmige Metallplatte, die mit dem Eingabe- bzw. Ausgabeende23 ,25 der zylindrischen Hülle20 verschweißt ist. Ebenso ist das Trennelement34 eine ringförmige Metallplatte, die mit der Innenwand der Hülle20 verschweißt ist. Es sollte ersichtlich sein, dass das Gehäuse12 zwar mit einer zylindrischen Hülle20 offenbart ist, jedoch auch jede beliebige Hüllenform20 unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen soll. - Der Durchflussregler
14 enthält ein Metallrohr38 , das sich vom Eingabeende23 des Gehäuses bis zum Trennelement34 in Längsrichtung durch die Wärmeübertragungskammer30 erstreckt. Der Durchflussregler14 ist geeignet, den Strom eines ersten Fluids, beispielsweise das Abgasfluid eines Verbrennungsmotors, zu führen und zu regulieren. Der Durchflussregler14 enthält einen ersten perforierten Abschnitt40 und einen zweiten perforierten Abschnitt42 , die durch eine Begrenzungsplatte44 voneinander getrennt sind. Die Begrenzungsplatte44 ist eine Metallplatte, die mit einer Innenwand des Metallrohrs38 verschweißt ist, und sie hat eine Öffnung46 , durch die zumindest ein Teil des ersten Fluids strömen kann. Die Begrenzungsplatte44 hat abgerundete Kanten48 , die die Öffnung46 bilden, wodurch eine Durchwirbelung im Strom des ersten Fluids verringert werden soll. - Das Fluidtransportelement
16 ist eine hohle Wendel50 mit einem Einlassabschnitt52 und einem Auslassabschnitt54 und es ist geeignet, den Strom eines zweiten Fluids zu führen. Die Wendel50 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 Auslassabschnitt52 ,54 erstrecken sich vom Eingabeende23 des Gehäuses12 und sind geeignet, mit einer Klimaautomatik eines Fahrzeugs in Reihe geschaltet zu werden. In einer anderen Ausführungsform erstrecken sich der Einlass- und der Auslassabschnitt52 ,54 des Fluidtransportelements vom Ausgabeende25 des Gehäuses12 . Ein Flanschbügel49 befestigt einen mittleren Teil des Fluidtransportelements16 an dem Durchflussregler14 , um die Konstruktion intakt zu halten. - Der Schallregler
18 enthält ein Metallrohr56 , das sich vom Trennelement34 in Längsrichtung durch die Schalldämpfungskammer32 zum Ausgabeende25 des Gehäuses erstreckt. Der Schallregler18 ist geeignet, durch die Öffnung36 im Trennelement34 das erste Fluid von der Wärmeübertragungskammer30 aufzunehmen. Der Schallregler18 hat ferner mehrere Öffnungen58 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 Schallreglers18 und der Schalldämpfungskammer32 können so abgestimmt oder verändert werden, dass sie unterschiedliche Schallgrößen abschwächen. Beispielsweise steht die Längsabmessung L der Schalldämpfungskammer32 in unmittelbarer Beziehung zu den gedämpften Frequenzen. Daher ermöglicht eine Vergrößerung der Längsabmessung L der Schalldämpfungskammer32 die Dämpfung tieferer Frequenzen. Zudem steht das Verhältnis aus dem Durchmesser D1 der Schalldämpfungskammer32 und dem Durchmesser D2 des Schallreglers18 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 Schallregler18 in einer beispielhaften Ausführungsform aus einem einzigen, kontinuierlichen Metallrohr gefertigt sind. Das Metallrohr erstreckt sich zwischen dem Eingabe- und dem Ausgabekopfstück22 ,26 und ist an diesen befestigt. Zudem hat das Metallrohr einen Eingabeflansch24 und einen Ausgabeflansch28 . Der Eingabe- und der Ausgabeflansch24 ,28 sind Bereiche mit einem verkleinerten Querschnitt, die sich vom Eingabe- bzw. Ausgabeende23 ,25 des Gehäuses12 erstrecken und die geeignet sind, die kombinierte Vorrichtung10 aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher in Reihe mit einem Fahrzeug-Abgassystem zu koppeln. In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform sind der Durchflussregler14 , der Schallregler18 sowie der Eingabe- und der Ausgabeflansch24 ,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 Eingabeende23 zu ihrem Ausgabeende25 . Gleichzeitig strömt ein konstanter Strom von Wärmerückgewinnungsfluid vom Einlassabschnitt52 durch das Fluidtransportelement16 zum Auslassabschnitt54 . Wenn der Abgasstrom in das Eingabeende23 des Gehäuses12 eintritt, wird er vom ersten perforierten Abschnitt40 des Durchflussreglers14 aufgenommen. Wenn der Abgasstrom die Begrenzungsplatte44 erreicht, wird zumindest ein Teil davon durch den ersten perforierten Abschnitt40 aus dem Durchflussregler14 herausgelenkt. Das verbleibende Abgas strömt durch die Öffnung46 in der Begrenzungsplatte44 . Der Abgasstrom, der aus dem Durchflussregler14 herausgedrückt wurde, strömt jedoch in die an das Fluidtransportelement16 angrenzende Wärmeübertragungskammer30 . Damit erwärmt der Abgasstrom das Fluidtransportelement16 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 Fluidtransportelement16 strömt. Schließlich erreicht das Wärmerückgewinnungsfluid den Ausgabeabschnitt54 des Fluidtransportelements16 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 Abschnitt42 wieder in den Durchflussregler14 ein. Anschließend strömt der Strom durch die Öffnung36 im Trennelement34 in den Schallregler18 hinein. Danach strömt der Strom durch die zahlreichen Öffnungen58 im Schallregler18 in die Schalldämpfungskammer32 hinein. Die Schalldämpfungskammer32 dient, wie oben beschrieben, zur Dämpfung des Schalls, der den Abgasstrom begleitet. Schließlich tritt der Abgasstrom durch die zahlreichen Öffnungen58 wieder in den Schallregler18 ein und tritt dann aus dem Ausgabeende25 des Gehäuses12 aus. Die zahlreichen Öffnungen58 im Schallregler18 dienen dazu, den Abgasstrom aus dem Schallregler18 heraus in die Schalldämpfungskammer32 hinein zu drücken. Das Verhältnis aus der Gesamtfläche der zahlreichen Öffnungen58 und der Querschnittsfläche des Schallreglers18 steht in Beziehung zu der Rate, mit der der Abgasstrom aus dem Schallregler18 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.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Es ist eine kombinierte Vorrichtung aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher vorgesehen. Die Vorrichtung enthält ein Gehäuse, das eine Wärmeübertragungskammer und eine Schalldämpfungskammer ausbildet, die durch ein Trennelement voneinander getrennt sind. Ein Durchflussregler und ein Fluidtransportelement sind in der Wärmeübertragungskammer angeordnet. Der Durchflussregler ist dazu geeignet, den Strom eines ersten Fluids, wie z. B. einer Wärmequelle, zwischen einem Eingabeende des Gehäuses und dem Trennelement zu regulieren. Ein Fluidtransportelement ist geeignet, den Strom eines zweiten Fluids zu führen. Ein Schallregler ist in der Schalldämpfungskammer angeordnet und erstreckt sich von dem Trennelement in Längsrichtung zu einem Ausgabeende des Gehäuses. Der Schallregler ist ein Metallrohr mit mehreren Öffnungen, die dazu geeignet sind, Schall von dem Abgasstrom zu dämpfen, der einer Energiequelle eines Kraftfahrzeugs zuzuordnen ist.
Claims (11)
- Kombinierte Vorrichtung (
10 ) aus Auspuffdämpfer und Wärmetauscher, umfassend: ein Gehäuse (12 ), das eine Wärmeübertragungskammer (34 ) 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. - 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 ) eine Öffnung (46 ) hat, sodass zumindest ein Teil des ersten Fluids hindurchströmen kann. - Vorrichtung nach Anspruch 5, 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 8, 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.
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