DE19817340A1

DE19817340A1 - Verfahren zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit bei einem Kraftfahrzeug und Abgasanlage

Info

Publication number: DE19817340A1
Application number: DE19817340A
Authority: DE
Inventors: Edgard Grundmann; Milos Dr Picha
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1998-04-18
Publication date: 1998-11-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit des Motorkühlsystems bei einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasanlage mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher und eine Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere für einen Personenkraftwagen, wobei der Wärmetauscher in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebunden ist.

Es ist bekannt, Abgasanlagen mit einem Katalysator und zusätzlich mit wenigstens einem Wärmetauscher auszurüsten oder an einen solchen anzuschließen, um eine optimale Betriebstemperatur für den Katalysator durch eine Kühlung desselben oder der diesem zugeführten Abgase sicherzustellen und dadurch dessen Wirkung zu verbessern.

So ist in der DE 30 35 472 A1 ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor mit einem in einer Kammer angeordneten Katalysator beschrieben, der zwischen dem Verbrennungsmotor und einer zentralen Abgasleitung fest angeordnet ist. Die Kammer ist mehrwandig ausgeführt und zwischen den beiden äußeren Wandungen vom Kühlwasser des Motors durchströmt, so daß ständig ein Wärmeaustausch zwischen dem Katalysator und der Kühlflüssigkeit stattfindet.

Die DE 34 06 968 A1 hat ein Verfahren zur Erzeugung einer optimalen Abgastemperatur für den Katalysator zum Gegenstand, bei dem das Motorabgas zwischen dem Motor und dem Katalysator durch zwei Abgasrohre zu diesem geführt ist, die vor dem Katalysator wieder vereinigt werden und von denen das eine durch einen in das Motorkühlsystem eingebundenen Wärmetauscher gekühlt wird. Durch eine Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Abgasströme kann die Temperatur des in den Katalysator eintretenden Abgasstromes und damit auch die Katalysatortemperatur geregelt werden.

Auch die DE 43 26 243 A1 beschreibt eine Abgasanlage mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher, bei der dieser zur Kühlung des Abgases vor dem Katalysator angeordnet ist und im Abstand das Abgasrohr umschließt. Der Wärmetauscher ist über ein Zufluß und ein Abflußrohr kommunizierend mit dem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs verbunden.

Die Kühlung der Abgase vor Eintritt in den Katalysator, insbesondere aber die Anordnung desselben in einer Kammer führt durch die Verringerung der Betriebstemperatur des Katalysators auch zu einer erwünschten Verringerung der thermischen Belastung der Katalysatorumgebung.

Die in den vorbeschriebenen Abgasanlagen angeordneten und mit der Kühlflüssigkeit des Motors kommunizierenden Wärmetauscher dienen der direkten Katalysatorkühlung in der warmen Betriebsphase oder einer indirekten Temperaturregelung des Katalysators durch die Optimierung der Temperatur der zum Katalysator geleiteten Abgase vor Eintritt in diesen, um eine optimale Betriebstemperatur des Katalysators sicherzustellen. Als erwünschter Nebeneffekt tritt dabei eine Reduzierung der Wärmebelastung der Katalysatorumgebung auf. Nachteilig kann jedoch die ständige Wärmezufuhr zur Kühlflüssigkeit sein, die zu einer Überhitzung des Kühlsystems, insbesondere bei einer starken Belastung des Motors führen kann.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit des Motorkühlsystems bei einem Kraftfahrzeug mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, durch das die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors verkürzt und die Heizleistung der Motorkühlflüssigkeit im Dauerbetrieb nach Bedarf verbessert werden, und eine Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Des weiteren soll die Aufgabe gelöst werden, die Wärmebelastung der Katalysatorumgebung zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und bei einer Abgasanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 durch deren kennzeichnende Merkmale gelöst.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die vom Katalysator gereinigten Abgase ganz oder teilweise, ständig oder zeitweilig - also in Dauer und Menge regulierbar - durch den Wärmetauscher geleitet, in dem sie Wärme an die Kühlflüssigkeit des Motorkühlsystems abgeben und zu einer raschen Erwärmung des Motors beitragen, so die Warmlaufphase des Motors verkürzen, aber auch die Heizleistung desselben steigern, was bei verbrauchsgünstigen Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil ist. Die Betriebstemperatur des Katalysators wird nicht beeinträchtigt, da die Abgase erst nach Austritt aus diesem in den Wärmetauscher geleitet werden.

Die Abgasanlage zur Durchführung des Verfahrens weist dazu einen in bekannter Weise in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebundenen Wärmetauscher, der erfindungsgemäß den Katalysator mantelförmig umschließt und ein Leitungssystem für die Abgase auf, das über zwei am ausgangsseitigen Anschlußstutzen des Katalysators angeordnete Öffnungen mit diesem verbunden ist und über eine Klappeneinrichtung in den Abgasstrom ein- und aus diesem ausschaltbar ist.

Diese Anordnung stellt einerseits einen effektiven Wärmetausch zwischen den heißen Abgasen und der Motorkühlflüssigkeit sicher, nimmt zusätzlich auch noch vom heißen Katalysator abgestrahlte Wärme auf und schirmt zugleich die Katalysatorumgebung vor einer zu starken thermischen Belastung durch die Abstrahlwärme des Katalysators ab. Wärmeisolations- und Wärmeabschirmmaßnahmen erübrigen sich, was wiederum einer kompakten Bauweise, insbesondere bei neuen Fahrzeugkonzepten, entgegenkommt.

Von Vorteil ist es, wenn die Öffnungen in der Wandung des Anschlußstutzens gegenüberliegend angeordnet sind und die Klappeneinrichtung aus einer Scheibe gebildet ist, die im Schnittpunkt der Längsachse des Anschlußstutzens und der durch die Mittelpunkte der beiden Öffnungen definierten Verbindungsgeraden quer zu diesen schwenkbar gelagert ist. Dabei ergibt sich auf einfache Weise eine Öffnungsstellung der Scheibe parallel zur Längsrichtung des Katalysators und eine Schließstellung in einer zur Längsrichtung geneigten Position, in der die eine Öffnung in Richtung zum Katalysator gerade noch frei und die andere verdeckt ist. In der Schließstellung wird der aus dem Katalysator kommende und gereinigte Abgasstrom durch die Scheibe zur freien Öffnung hin und durch diese in das Leitungssystem geführt, durchströmt dieses unter Wärmeabgabe an die Kühlflüssigkeit und gelangt entwärmt durch die andere Öffnung zurück in das Abgasrohr.

In der Öffnungsstellung der Scheibe strömt das aus dem Katalysator kommende Abgas an den beiden Öffnungen vorbei und gelangt nicht in das Leitungssystem des Wärmetauschers. Die Scheibe kann in jede Stellung zwischen den beiden beschriebenen geschwenkt werden, wodurch - und in Abhängigkeit von deren Neigung - Teilmengen des Abgasstromes durch den Wärmetauscher geleitet werden.

Der Wärmetauscher kann als doppelwandiger Hohlzylinder mit einem Hohlraum zwischen den Wänden ausgebildet sein, der stirnseitig von konzentrisch angeordneten Kanälen verschlossen ist, wobei anschlußstutzenseitig zwei voneinander getrennte halbringförmige und mit jeweils einer der beiden Öffnungen des Anschlußstutzens verbundene Kanäle angeordnet sind, von denen der eine als Abgasverteilerkanal und der andere als Abgassammelkanal dient. Die in Hohlzylinderlängsrichtung im Abstand angeordneten stirnseitigen Kanäle können durch parallel zur Achse des Hohlzylinders angeordnete Wärmetauscherröhren verbunden sein, so daß die Abgase vom Abgasverteilerkanal zum gegenüberliegenden Ringkanal, durch diesen und anschließend durch die mit dem Abgassammelkanal verbundenen Wärmetauscherröhren in den Abgassammelkanal und von diesem in den Anschlußstutzen zurückströmen können. Die äußere Zylinderwandung kann in radialer Richtung zwei gegenüberliegende Anschlußstutzen zum Anschluß für das Motorkühlsystem aufweisen.

Die Wärmetauscherröhren können konzentrisch zur Hohlzylinderachse und im gleichen Abstand voneinander und im Abstand von den Zylinderwandungen angeordnet sein. Zum Zwecke des Ausgleichs unterschiedlicher Wärmeausdehnungen des Katalysators einerseits und des Wärmetauschers andererseits kann dieser im Bereich der halbringförmigen Kanäle fest mit dem Katalysator verbunden sein, wodurch auch eine zuverlässige und feste Verbindung zwischen den Öffnungen im Anschlußstutzen und den halbringförmigen Kanälen über jeweils eine Rohrleitung ermöglicht ist, und im Bereich des durch die Zylinderwandungen gebildeten Hohlmantels einen radialen Abstand vom Katalysator aufweisen. Der durch diesen Abstand gebildete Spalt begrenzt die Belastung des Wärmetauschers durch die Strahlungswärme des Katalysators. Dieser Spalt kann auf einfache Weise durch vorzugsweise elastische Abstandshalter auch bei fahrbedingten Schwingungen und Stoßbelastungen sichergestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Abgasanlage im Bereich des Wärmetauschers, teilweise geschnitten,

Fig. 2: einen Querschnitt II-II durch die Abgasanlage und

Fig. 3: einen Querschnitt III-III durch die Abgasanlage.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Katalysator 1 und einem Wärmetauscher 2 dargestellt, der den Katalysator 1 mantelförmig umschließt. Der Wärmetauscher 2 ist als doppelwandiger Hohlzylinder mit einer inneren Zylinderwandung 3 und einer äußeren Zylinderwandung 4 ausgebildet, der stirnseitig von konzentrisch angeordneten Kanälen 5, 6 und 7 verschlossen ist. Der als Abgasverteilerkanal dienende Kanal 6 und der als Abgassammelkanal dienende Kanal 7 sind auf der Seite des Katalysatorausgangs angeordnet und jeweils über eine Rohrleitung 8 mit dem ausgangsseitigen Anschlußstutzen 9 des Katalysators 1 verbunden. An der Zylinderwandung 4 sind gegenüberliegend zwei Anschlußstutzen 10 zur Einbindung des Wärmetauschers 2 in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems angeordnet, die in den zwischen den Zylinderwandungen 3 und 4 befindlichen Hohlraum 11 münden, in dem ein aus parallel zur Achse Z des Hohlzylinders ausgerichteten Wärmetauscherröhren 12 und 12a bestehendes Leitungssystem angeordnet ist. Die Wärmetauscherröhren 12 verbinden die in axialer Richtung gegenüberliegenden Kanäle 5 und 6 und die Wärmetauscherröhren die Kanäle 5 und 7 und sind im Abstand von den Zylinderwandungen 3 und 4 und im gleichen Abstand voneinander konzentrisch zur Achse Z angeordnet.

Der Anschlußstutzen 9 weist zwei gegenüber angeordnete Öffnungen 13 auf, an denen die Rohrleitungen 8 angeordnet sind. Im Innern des Anschlußstutzens 9 ist eine aus einer schwenkbaren Scheibe 14 bestehende Klappeneinrichtung angeordnet, über die der Wärmetauscher 2 in den Abgasstrom A ein- und ausschaltbar ist. Diese Scheibe 14 ist im Schnittpunkt der Achse Z des Hohlzylinders und damit des Anschlußstutzens 9 und der durch die Mittelpunkte der Öffnungen 13 definierten Verbindungsgeraden 15 schwenkbar gelagert, und zwar sowohl quer zur Achse Z als auch quer zur Verbindungsgeraden 15. In Fig. 1 ist die Schließstellung der Scheibe 14 dargestellt, in der die in der Fig. 1 rechte Öffnung 13 in Richtung zum Katalysator 1 frei und die linke Öffnung 13 verdeckt ist.

Der Wärmetauscher 2 ist im Bereich der Kanäle 6 und 7 mit dem Katalysator verschweißt (N) und im Bereich des durch die Zylinderwandungen 3 und 4 gebildeten Hohlmantels durch einen Spalt S vom Katalysator 1 getrennt. An der Zylinderwandung 3 sind Federelemente 16 konzentrisch zur Achse Z als Abstandshalter angeordnet, die den Wärmetauscher 2 im radialen Abstand vom Katalysator 1 halten.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt II-II durch die Wärmetauscher-Katalysatoranordnung mit dem geschnittenen Kanal 5, die Öffnungen der in diesen mündenden Wärmetauscherröhren 12 und die an der äußeren Zylinderwandung 4 angeordneten Anschlußstutzen 10 sowie die Federelemente 16.

In Fig. 3 sind die beiden halbringförmigen Kanäle 6 und 7 und die Mündungsöffnungen der jeweils in diese mündenden Rohrleitungen 8 zu sehen.

Während des Motorbetriebes strömen die heißen Abgase A in und durch den Katalysator 1 und gelangen gereinigt in den ausgangsseitigen Anschlußstutzen 9. In der Öffnungsstellung der Scheibe 14 parallel zur Achse Z (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt) werden sie durch die nachfolgenden Einrichtungen der Abgasanlage und schließlich ins Freie geführt. In der in Fig. 1 dargestellten Schließstellung werden sie jedoch in Richtung der Pfeile durch die rechte Öffnung 13 in die Rohrleitung 8 und in den Abgasverteilerkanal 6 und von diesem durch die von der Kühlflüssigkeit umströmten Wärmetauscherröhren 12 in den Kanal 5 geleitet. Von diesem strömen sie über die Wärmetauscherröhren 12a in den Abgassammelkanal 7 und schließlich wieder in den Anschlußstutzen 9 zurück. Dabei geben die heißen Abgase A Wärme an die durch den Hohlraum 11 strömende Kühlflüssigkeit ab. In der Warmlaufphase des Motors, in der die Kühlflüssigkeit noch kalt ist, kann dieser auf diese Weise durch die erhitzten Abgase A Wärme zugeführt werden, wodurch die Warmlaufphase des Motors verkürzt wird. Überdies erhitzt sich auch der Katalysator 1 durch die Abgase und strahlt Wärme auf die innere Zylinderwandung 3 ab, was die Erwärmung der Kühlflüssigkeit beschleunigt. Der Wärmetauscher 2 kann beliebig in den Abgasstrom ein- und ausgeschaltet werden und so auch die Heizleistung des Motorkühlsystems für die Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs im Dauerbetrieb erhöhen.

Bezugszeichenliste

1

Katalysator

2

Wärmetauscher

3

innere Zylinderwandung

4

äußere Zylinderwandung

5

Kanal

6

Kanal

7

Kanal

8

Rohrleitung

9

Anschlußstutzen

10

Anschlußstutzen

11

Hohlraum

12

Wärmetauscherröhren

12

a Wärmetauscherröhren

13

Öffnung

14

Scheibe

15

Verbindungsgerade

16

Federelement
A Abgase
Z Achse
S Spalt

Claims

1. Verfahren zur Erwärmung der Motorkühlflüssigkeit eines Kraftfahrzeugs mit einer Abgasanlage mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher, der von der Motorkühlflüssigkeit durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Katalysator (1) gereinigten Abgase (A) nach Bedarf vollständig oder teilweise durch den Wärmetauscher (2) geleitet werden.

2. Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Katalysator und einem Wärmetauscher, bei der dieser über ein Zufluß- und ein Abflußrohr in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) den Katalysator (1) mantelförmig umschließt und ein Leitungssystem für die Abgase (A) aufweist, mit dem der Katalysator (1) ausgangsseitig über eine Einrichtung verbunden ist, durch die der Wärmetauscher (2) in den Abgasstrom (A) ein- und aus diesem ausschaltbar ist.

3. Abgasanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (1) an seinem ausgangsseitigen Anschlußstutzen (9) wenigstens zwei Öffnungen (13) und als Einrichtung eine Klappeneinrichtung zur Ein- und Ausschaltung des Wärmetauschers (2) in den Abgasstrom (A) aufweist, wobei die Öffnungen (13) in der Wandung des Anschlußstutzens (9) gegenüberliegend angeordnet sind und die Klappeneinrichtung aus einer Scheibe (14) gebildet ist, die im Schnittpunkt der Längsachse (Z) des Anschlußstutzens (9) und der durch die Mittelpunkte der beiden Öffnungen (13) definierten Verbindungsgeraden (15) quer zu diesen schwenkbar gelagert ist, wobei die Öffnungsstellung der Scheibe (14) parallel zur Längsachse (Z) und deren Schließstellung in der Position gegeben ist, in der die eine Öffnung (13) in Richtung zum Katalysator (1) frei und die andere verdeckt ist.

4. Abgasanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) als doppelwandiger Hohlzylinder mit einem Hohlraum (11) zwischen den Zylinderwandungen (3; 4) ausgebildet ist, der stirnseitig von konzentrisch angeordneten Kanälen (5; 6; 7) verschlossen ist, wobei anschlußstutzenseitig zwei voneinander getrennte halbringförmige und mit jeweils einer Öffnung (13) des Anschlußstutzens (9) verbundene Kanäle (6; 7) angeordnet sind, von denen der eine (6) als Abgasverteilerkanal und der andere (7) als Abgassammelkanal dient, daß im Hohlraum (11) parallel zur Längsachse (Z) angeordnete und die einander gegenüberliegenden Kanäle (5; 6 und 6; 7) verbindende Wärmetauscherröhren (12) angeordnet sind, und daß die äußere Zylinderwandung (4) zwei gegenüberliegende Anschlußstutzen (10) zum Anschluß an das Motorkühlsystem aufweist.

5. Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherröhren (12) im Abstand von den Zylinderwandungen (3; 4) und im gleichen Abstand voneinander konzentrisch zur Achse (Z) angeordnet sind.

6. Abgasanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) im Bereich der halbringförmigen Kanäle (6; 7) fest mit dem Katalysator (1) verbunden ist und daß zwischen dem jeweiligen Kanal (6; 7) und der diesem zugeordneten Öffnung (13) eine Rohrleitung (8) angeordnet ist.

7. Abgasanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) im Bereich des durch die Zylinderwandungen (3; 4) gebildeten Hohlmantels einen radialen Abstand vom Katalysator (1) aufweist.

8. Abgasanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der inneren Zylinderwandung (3) in deren dem Anschlußstutzen (9) abgewandten Endbereich mehrere gegen den Katalysator (1) gerichtete elastische Abstandshalter (16) konzentrisch angeordnet sind.

9. Wärmetauscher für eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Katalysator zur Anordnung im Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) einen von der Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlraum (11) und in diesem ein Leitungssystem für die im Katalysator (1) gereinigten Abgase (A) aufweist, und daß der Wärmetauscher (2) um den Katalysator (1) anordbar und mit einer Einrichtung versehen oder verbindbar ist, mit der das Leitungssystem in den Abgasstrom ein- und aus diesem ausschaltbar ist.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (2) als doppelwandiger Hohlzylinder mit einem Hohlraum (11) zwischen den Zylinderwandungen (3; 4) ausgebildet ist, daß das Leitungssystem aus den Hohlraum (11) stirnseitig verschließenden ringförmigen Kanälen (5; 6; 7) und im Hohlraum (11) parallel zur Achse (Z) des Hohlzylinders angeordneten und die stirnseitigen Kanäle (5; 6; 7) verbindenden Wärmetauscherröhren (12) gebildet ist, wobei auf der Seite des ausgangsseitigen Anschlußstutzens (9) des Katalysators (1) zwei voneinander getrennte, halbringförmige Kanäle (6; 7) angeordnet sind, von denen der eine als Abgasverteilerkanal und der andere als Abgassammelkanal dient, und daß die beiden halbringförmigen Kanäle (6; 7) jeweils über eine Rohrleitung (8) mit dem ausgangsseitigen Anschlußstutzen (9) des Katalysators (1) verbunden sind, in dem im Mündungsbereich der Rohrleitungen (8) als Einrichtung eine Klappeneinrichtung (14) zum Ein- und Ausschalten des Leitungssystems angeordnet ist, und daß die äußere Zylinderwandung (4) zwei gegenüberliegende Anschlußstutzen (10) zum Anschluß an das Motorkühlsystem aufweist.