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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Ausführung eines
Wärmeaustauschs
zwischen einem Heizmedium und einem Abgas aus einem Mehrzylinder-Verbrennungsmotor.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Eine
Anordnung, in der ein Wärmetauscher
eines Verdampfers, der zur Herstellung von Dampf mittels Abgaswärme Wasser
erhitzt, in einem Vereinigungsabschnitt eines Auspuffkrümmers eines
Mehrzylinder-Verbrennungsmotors
angeordnet ist, ist aus der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung
Nr. 5-340241 bekannt. Ferner ist eine Anordnung, in der eine Wärmetauscher
eines Verdampfers in jedem der Zylinder eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors
angeordnet ist, aus der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung
Nr. 56-156407 bekannt.
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Da
jedoch in der Anordnung, die in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 5-340241
beschrieben ist, das aus einer Auslassöffnung herauskommende Abgas
durch den Auspuffkrümmer
hindurchtritt und in den Wärmeaustauscher
fließt,
sinkt die Temperatur des Abgases, während es durch den Auspuffkrümmer hindurchtritt,
und daher besteht ein Problem darin, dass der Wärmeaustauschwirkungsgrad des
Wärmetauschers
schlechter wird.
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Ferner
sind in der Anordnung, die in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegung Nr. 56-156407 beschrieben
ist, nicht nur soviele Verdampfer erforderlich, wie Zylinder vorhanden
sind, sondern es wirken auch Pulsationen in dem Abgas unmittelbar
nach dem Verlassen der Auslassöffnung
auf den Wärmetauscher, und
daher besteht ein Problem darin, dass der Wärmeaustauschwirkungsgrad des
Wärmetauschers
zu dem Moment schlechter wird, in dem der Fluss des Abgases pulsiert
und stoppt.
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Die
US 3 060 678 offenbart Wärmetauscher
in Auspuffleitungen jeweiliger Zylinder eines Verbrennungsmotors
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben erwähnten Umstände ausgeführt worden,
und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistung
des Wärmetauschers
zu verbessern, der einen Wärmeaustausch
zwischen einem Heizmedium und einem Abgas eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors ausführt.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird gemäß Anspruch
1 ein Wärmetauscher
für einen
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, worin ein erster Wärmetauscher
in jeder der Auspuffleitungen angeordnet ist, die sich jeweils von
entsprechenden einer Mehrzahl von Brennkammern eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors weg
erstrecken, und ein zweiter Wärmetauscher
in einem Abschnitt angeordnet ist, wo zumindest zwei der Auspuffleitungen
vereinigt sind.
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Da
gemäß dieser
Anordnung der erste Wärmetauscher
in jeder Auspuffleitung angeordnet ist, die sich von der jeweiligen
Brennkammer des Mehrzylinder-Verbrennungsmotors weg erstreckt, kann
Hochtemperaturabgas auf den ersten Wärmetauscher wirken gelassen
werden, unmittelbar nachdem es aus der Brennkammer herauskommt,
um hierdurch einen hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad
zu erreichen, und darüber
hinaus kann die Störung
von Abgasinterferenz vermieden werden, um hierdurch eine etwaige
Abnahme in der Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors zu verhindern.
Da ferner ein geringer Druckverlust in dem Abgas vorhanden ist,
unmittelbar nachdem es aus der Brennkammer herauskommt, kann eine
Verbesserung des Wärmeaustauschwirkungsgrads
aufgrund eines Wärmetransfers
erwartet werden, der den Effekt des pulsierenden Abgasflusses fördert. Weil
darüber
hinaus der zweite Wärmetauscher
in dem Abschnitt angeordnet ist, wo zumindest zwei Abgasleitungen
vereinigt sind, kann das Abgas, das infolge der Vereinigung der
Flüsse
kein Pulsieren und eine gleichmäßige Temperatur
hat, auf den zweiten Wärmetauscher
wirken gelassen werden, um hierdurch den Wärmeaustauschwirkungsgrad zu
verbessern.
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Ferner
wird, zusätzlich
zu der oben erwähnten
Anordnung, ein Wärmetauscher
für einen
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, worin der erste Wärmetauscher,
der an der stromaufwärtigen
Seite des Abgasflusses angeordnet ist, und der zweite Wärmetauscher,
der an der stromabwärtigen
Seite angeordnet ist, miteinander in Verbindung stehen.
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Da
gemäß dieser
Anordnung der erste Wärmetauscher,
der an der stromaufwärtigen
Seite angeordnet ist, und der zweite Wärmetauscher, der an der stromabwärtigen Seite
angeordnet ist, miteinander in Verbindung stehen, strömt das Abgas
durch den ersten Wärmetauscher
und den zweite Wärmetauscher
sequenziell und unterliegt einem effizienten Wärmeaustausch.
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Darüber hinaus
wird, zusätzlich
zur oben erwähnten
Anordnung, ein Wärmetauscher
für einen
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, worin der erste Wärmetauscher
und der zweite Wärmetauscher integriert
sind.
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Da
gemäß dieser
Anordnung der erste Wärmetauscher
und der zweite Wärmetauscher
integriert sind, wird nicht nur die Montage der Wärmetauscher
an dem Verbrennungsmotor und das Entfernen derselben leicht, wodurch
die Wartung erleichtert wird, sondern die integrierte Struktur erhöht auch
die Stabilität
der Wärmetauscher,
um hierdurch die Haltbarkeit gegen Vibration des Verbrennungsmotors
zu verbessern.
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Ferner
wird, zusätzlich
zur oben erwähnten
Anordnung, ein Wärmetauscher
für einen
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, worin der zweite Wärmetauscher
in einer Schicht um den Außenumfang
des ersten Wärmetauschers
herum angeordnet ist.
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Da
gemäß dieser
Anordnung der zweite Wärmetauscher
in einer Schicht um den Außenumfang
des ersten Wärmetauscher
herum angeordnet ist, kann der zweite Wärmetauscher an der Außenseite
eine Auswärtsleckage
der Wärme
des Abgases, das durch den ersten Wärmetauscher hindurchtritt,
reduzieren, und die Wärme
des Abgases kann ohne Verschwendung wiedergewonnen werden.
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Darüber hinaus
wird, zusätzlich
zur oben erwähnten
Anordnung, ein Wärmetauscher
für einen
Mehrzylinder-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, worin ein Heizmedium
von dem zweiten Wärmetauscher
zu dem ersten Wärmetauscher
fließt.
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Da
gemäß dieser
Anordnung das Heizmedium von dem zweiten Wärmeaustauscher zu dem ersten Wärmetauscher
fließt,
was die entgegengesetzte Richtung zu jener ist, in der das Abgas
fließt,
kann eine hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und dem Heizmedium über die
gesamte Auspuffleitung beibehalten werden, um hierdurch die Wärme des
Abgases ohne Verschwendung wiederzugewinnen.
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Ein
Wärmeaustauscher
der ersten Stufe H1 einer Ausführung
entspricht dem zweiten Wärmetauscher der
vorliegenden Erfindung, und Wärmetauscher
der zweiten Stufe bis vierten Stufe H2 bis H4 entsprechen dem ersten
Wärmetauscher
der vorliegenden Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 bis 18 stellen
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar;
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1 ist
ein Diagramm mit Darstellung der Gesamtanordnung eines Antriebssystems,
das den Rankine-Zyklus verwendet; 2 ist ein
Diagramm mit Darstellung der Struktur eines Kraftübertragungssystems des
Antriebssystems; 3 ist ein Längsquerschnitt eines Zylinderkopfteils
eines Verbrennungsmotors; 4 ist ein
Querschnitt entlang Linie 4-4 in 3; 5 ist
ein vergrößerter Querschnitt
eines wesentlichen Teils in 3; 6 ist
ein Querschnitt entlang Linie 6-6 in 5; 7 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines wesentlichen Teils in 5; 8 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines wesentlichen Teils in 6; 9A ist
ein Diagramm mit Darstellung eines Wärmeübertragungsrohrs eines Wärmetauschers
der vierten Stufe; 9B ist eine Ansicht von Pfeil
b in 9A; 9C ist eine
Ansicht von Pfeil c in 9A; 10 ist
eine Explosionsperspektivansicht eines präkatalytischen Systems; 11 ist
ein schematisches Diagramm mit Darstellung einer Wasserzufuhrroute
eines Verdampfers; 12 ist eine Explosionsperspektivansicht
des Verdampfers; 13 ist ein Diagramm mit Darstellung
der Auslegung der katalytischen Systeme und Wärmetauscher in einer Ausführung und
in Vergleichsausführungen; 14 ist
ein Graph mit Darstellung der Beziehung zwischen der Abgastemperatur
und dem Abstand von der Auslassöffnung
beim Kaltstart; 15 ist ein Graph mit Darstellung
der Beziehung zwischen der Abgastemperatur und dem Abstand von der
Auslassöffnung
bei hoher Temperatur; 16 ist ein Graph zur Erläuterung
des Effekts mehrerer Wasserzufuhren; 17 ist
ein Graph mit Darstellung der Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl
und Wärmeübertragungsleistung
für stetigen
Fluss und gepulsten Fluss; und 18 ist
ein Graph mit Darstellung der Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl und der Wärmeübertragungsleistung
bei unterschiedlichen Abgasdrücken.
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BESTE ART
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
wird eine Art zur Ausführung
der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung erläutert,
die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist.
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In 1 enthält ein Abwärme-Wiedergewinnungssystem 2 für einen
Verbrennungsmotor 1, als ein in einem Automobil angebrachtes
Verbrennungssystem, einen Verdampfer 3, der Dampf mit erhöhter Temperatur und
erhöhtem
Druck erzeugt, d.h. Hochdruckdampf, der als Wärmequelle Abwärme wie
etwa zum Beispiel Abgas von dem Verbrennungsmotor 1 verwendet;
einen Expander 4, der durch Ausdehnung des Hochdruckdampfs
eine Wellenleistung erzeugt; einen Kondensator 5, der den
Dampf mit verringerter Temperatur und verringertem Druck verflüssigt, d.h.
Niederdruckdampf, der von dem Expander 4 nach der Expansion
ausgegeben wird; sowie eine Wasserzufuhrpumpe 6, die Wasser
von dem Kondensator 5 zum Verdampfer 3 fördert.
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Wie
auch in Bezug auf 2 klar wird, enthält ein Kraftübertragungssystem 121,
das mit dem Abwärmewiedergewinnungssystem 2 verbunden
ist, einen Planetengetriebemechanismus 122, ein stufenlos
verstellbares Getriebe vom Riementyp 123 sowie einen elektrischen
Generator/Motor 124.
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Der
Planetengetriebemechanismus 122 enthält ein Sonnenrad 125,
ein Ringrad 126, einen Planetenträger 127 und eine Mehrzahl
von Planetenrädern 128,
die von dem Planetenträger 127 axial
getragen sind und gleichzeitig mit dem Sonnenrad 125 und
dem Ringrad 126 kämmen.
Der Planetenträger 127,
der mit einer Ausgangswelle 129 des Expanders 4 verbunden
ist, kann über
eine Trägerbremse 130 mit
einem Gehäuse, das
nicht dargestellt ist, in Eingriff treten. Das Sonnenrad 125,
das mit einer Eingangs-/Ausgangswelle 131 des elektrischen
Generators/Motors 124 verbunden ist, kann über eine
Sonnenradbremse 132 mit dem Gehäuse, das nicht dargestellt
ist, in Eingriff treten. Das Ringrad 126 kann über eine Ringradbremse 133 mit
dem Gehäuse,
das nicht dargestellt ist, in Eingriff treten. Die Trägerbremse 130,
die Sonnenradbremse 132 und die Ringradbremse 133 sind
jeweils aus einer hydraulischen Bremse oder elektromagnetischen
Bremse gebildet.
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Der
elektrische Generator/Motor 124 ist mit einer Batterie 134 verbunden,
die geladen und entladen werden kann. Der elektrische Generator/Motor 124 lädt die Batterie 134,
wenn er von der Ausgangswelle des Expanders 4 oder dem
Verbrennungsmotor 1 angetrieben wird, so dass er als Stromgenerator
fungiert, und er unterstützt
den Antrieb durch den Verbrennungsmotor 1 angetriebener
Räder oder
startet den Verbrennungsmotor 1, wenn er als von der Batterie 134 angetriebener
Motor fungiert.
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Das
stufenlos verstellbare Getriebe vom Riementyp 123 enthält eine
Antriebsriemenscheibe 136, die an der Eingangswelle 135 vorgesehen
ist, eine Folgerriemenscheibe 138, die an einer Ausgangswelle 137 vorgesehen
ist, sowie einen Endlosriemen 139, der um die zwei Riemenscheiben 136, 138 herumgelegt
ist. Die Nutbreite der Antriebsriemenscheibe 136 und die
Nutbreite der Folgerriemenscheibe 138 sind durch hydraulische
Steuerung oder elektrische Steuerung individuell einstellbar; eine
Vergrößerung der
Nutbreite der Antriebsriemenscheibe 136 und Verringerung
der Nutbreite der Folgerriemenscheibe 138 verändern stufenlos das
Gangverhältnis
zur niedrigen Seite hin, und das Verkleinern der Nutbreite der Antriebsriemenscheibe 136 und
Vergrößern der
Nutbreite der Folgerriemenscheibe 138 verändert stufenlos
das Gangverhältnis
zur hohen Seite hin.
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Ein
Antriebsrad 140, das an dem Ringrad 126 des Planetengetriebemechanismus 122 vorgesehen
ist, kämmt
mit einem Abtriebsrad 141, das an der Eingangswelle 135 des
stufenlos verstellbaren Getriebes vom Riementyp 123 vorgesehen
ist. Die Wellenausgangsleistung des Verbrennungsmotors 1 wird über eine
Ausgangswelle 142 auf ein Getriebe 143 übertragen,
und die Ausgangsleistung von dem Getriebe 143 wird auf angetriebene
Räder übertragen,
die nicht dargestellt sind. Ein Antriebsrad 144, das an
der Ausgangswelle 137 des stufenlos verstellbaren Getriebes
vom Riementyp 123 vorgesehen ist, kämmt mit einem Antriebsrad 145, das
an der Ausgangswelle 142 des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen
ist.
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Drehmomentbegrenzer 146, 147 sind
an der Ausgangswelle 129 des Expanders 4 bzw.
der Eingangs-/Ausgangswelle 131 des elektrischen Generators/Motors 124 vorgesehen.
Die Drehmomentbegrenzer 146, 147 rutschen durch,
wenn ein Drehmoment gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert
an den Expander 4 oder den elektrischen Generator/Motor 124 angelegt
wird, um hierdurch zu verhindern, dass eine zu hohe Last erzeugt
wird. Die Drehmomentbegrenzer 146, 147 können durch
Kupplungen ersetzt werden, die ausrücken, wenn ein Überdrehmoment,
das gleich oder größer als
ein vorbestimmter Wert ist, erzeugt wird. Eine Kupplung 148 ist
an der Ausgangswelle 137 des stufenlos verstellbaren Getriebes
vom Riementyp 123 vorgesehen. Die Kupplung 148 verhindert,
dass eine Überlast
auf den Expander 4 ausgeübt wird, aufgrund der Antriebskraft,
die von dem Verbrennungsmotor 1 oder den angetriebenen
Rädern
zurückübertragen
wird, und sorgt für
eine Verbindung zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem
Expander 4, wenn sie eingerückt ist, und trennt den Verbrennungsmotor 1 von
dem Expander 4, wenn sie ausgerückt ist.
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Wenn
das Sonnenrad 125 durch Eingriff der Sonnenradbremse 132 des
Planetengetriebemechanismus 122 festgehalten wird, wird
der Planetenträger 127 und
das Ringrad 126 jeweils zu einem Eingangselement oder einem
Ausgangselement; eine Antriebskrafteingabe von dem Expander 4 in
den Planetenträger 127 wird
auf das Ringrad 126 ausgegeben und dann von dort auf die
Ausgangswelle 142 des Verbrennungsmotors 1 über das
Antriebsrad 140, das Abtriebsrad 141, das stufenlos
verstellbare Getriebe vom Riementyp 123, das Antriebsrad 144 und
das Abtriebsrad 145 übertragen,
und die Wellenausgangsleistung des Expanders 4 kann hierdurch
die Wellenausgangsleistung des Verbrennungsmotors 1 unterstützen. Wenn
andererseits an der Antriebskraft entgegen dem obigen Weg übertragen
wird, beim Starten des Expanders 4, kann die Wellenausgangsleistung
des Verbrennungsmotors 1 den Expander 4 glattgängig starten.
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Wenn
das Ringrad 126 durch Eingriff der Ringradbremse 133 des
Planetengetriebemechanismus 122 festgehalten wird, wird
der Expander 4 oder der elektrische Generator/Motor 124 jeweils
zu einem Eingangselement und einem Ausgangselement; eine Antriebskraft,
die von dem Expander 4 in den Planetenträger 127 eingegeben
wird, wird über
das Sonnenrad 125 an den elektrischen Generator/Motor 124 ausgegeben,
um zu erlauben, dass der elektrische Generator/Motor 124 als
Stromgenerator fungiert, um hierdurch die Batterie 134 zu
laden. Wenn andererseits eine Antriebskraft entgegen dem obigen
Wert beim Starten des Expanders 4 übertragen wird, kann die Ausgangswelle
des elektrischen Generators/Motors 124, der als Motor fungiert,
den Expander 4 glattgängig
starten.
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Wenn
der Planetenträger 127 durch
Eingriff der Trägerbremse 130 des
Planetengetriebemechanismus 122 festhalten wird, werden
das Sonnenrad 125 und das Ringrad 126 jeweils
zu einem Eingangselement oder einem Ausgangselement. Eine Antriebskraft,
die von dem elektrischen Generator/Motor 124, der als Motor
fungiert, in das Sonnenrad 125 eingegeben wird, wird daher
von dem Ringrad 126 ausgegeben, wird von dort über das
Antriebsrad 140, das Abtriebsrad 141, das stufenlos
verstellbare Getriebe vom Riementyp 123, das Antriebsrad 144 und
das Abtriebsrad 145 auf die Ausgangswelle 142 des
Verbrennungsmotors 1 übertragen
und unterstützt
die Wellenausgangsleistung des Verbrennungsmotors 1 oder
startet den Verbrennungsmotor 1. Andererseits erlaubt die Übertragung
der Wellenausgangsleistung des Verbrennungsmotors 1 auf den
elektrischen Generator/Motor 124 entgegen dem obigen Weg,
dass der elektrische Generator/Motor 124 als Elektromotor
fungiert, um hierdurch die Batterie 134 zu laden.
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Nun
wird die Struktur des Verdampfers 3 des Abwärmewiedergewinnungssystems 2 für den Verbrennungsmotor 1 in
Bezug auf die 3 bis 12 im
Detail erläutert.
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Wie
in den 3 bis 8 gezeigt, enthält der Reihen-Dreizylinderverbrennungsmotor 1 einen
Zylinderblock 11, einen Zylinderkopf 12 und einen
Kopfdeckel 13, die aufeinandergeschichtet sind, und in
drei Zylinderbohrungen 14, die in dem Zylinderblock 11 gebildet
sind, sind Kolben 15 verschiebbar eingesetzt. Von den Einlassöffnungen 17 und
den Auslassöffnungen 18,
die mit den drei entsprechenden Brennkammern 16 in Verbindung
stehen, die in dem Zylinderkopf ausgebildet sind, sind die Einlassöffnungen 17 in
den Zylinderkopf 12 herkömmlich gebohrt, wobei aber
die Auslassöffnungen 18 aus
einem separaten Element gebildet und mit dem Zylinderkopf 12 verbunden
sind.
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Das
Oberende eines Schafts 121 eines Einlassventils 20,
das ein Einlassventilloch 19 öffnet und schließt, stützt sich
gegen ein Ende eines Einlasskipphebels 23 ab, der an einer
Einlasskipphebelwelle 22 schwenkbar gelagert ist, und das
Oberende eines Schafts 26, eines Auslassventils 25,
das ein Auslassventilloch 24 öffent und schließt, stützt sich
gegen ein Ende eines Auslasskipphebels 28 ab, der an einer
Auslasskipphebelwelle 27 schwenkbar gelagert ist. Das andere
Ende des Einlasskipphebels 23 und das andere Ende des Auslasskipphebels 28 stützen sich
gegen einen Einlassnocken 30 bzw. einen Auslassnocken 31 ab,
die an einer Nockenwelle 29 vorgesehen sind, die sich gemeinsam
mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle dreht, um hierdurch zu
bewirken, dass sich das Einlassventil 20 und das Auslassventil 25 öffnen und
schließen.
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An
der Seitenfläche
des Zylinderkopfs 12 an der Auslassseite ist der Verdampfer 3 vorgesehen,
der Dampf mit erhöhter
Temperatur und erhöhtem
Druck erzeugt, d.h. Hochdruckdampf, unter Verwendung des Abgases
des Verbrennungsmotors 1 als Wärmequelle. Der Verdampfer 3 enthält eine
Auspuffleitung 33, die die drei Auslassöffnungen 18 als Basisende
aufweist und sich zu einem Auspuffrohr 32 erstreckt, drei
präkatalytische
Systeme 34 und drei katalytische Hauptsysteme 35,
die in der Auspuffleitung 33 angeordnet sind, und Wärmetauscher
H1 bis H5, die einen Wärmeaustausch
mit dem Abgas durchführen,
das in der Auspuffleitung 33 fließt.
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Jede
der Auslassöffnungen 18 ist
gebildet aus einem Teil gleichmäßigen Durchmessers 18a,
das an der stromaufwärtigen
Seite des Abgasflusses angeordnet ist und einen im Wesentlichen
konstanten Durchmesser aufweist, und einem Teil zunehmendem Durchmessers 18b,
das so vorgesehen ist, dass es mit der stromabwärtigen Seite des Teils gleichmäßigen Durchmessers 18a verbunden
ist und einen Durchmesser hat, der trompetenförmig zunimmt; der Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 ist um den Außenumfang
des Teils gleichmäßigen Durchmessers 18a herum
vorgesehen, und der Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 ist innerhalb des Teils zunehmenden Durchmessers 18b vorgesehen.
Der Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 ist aus etwa fünf
Windungen eines einfachen Wärmeübertragungsrohrs 37 gebildet,
das um den Außenumfang
des Teils gleichmäßigen Durchmessers 18a herumgewickelt
ist. Der Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 ist aus mehreren Windungen eines Einfach-Wärmeübertragungsrohrs 38 gebildet,
das innerhalb des Teils zunehmenden Durchmessers 18b aufgenommen
ist, und das Wärmeübertragungsrohr 37 des
Wärmetauschers
der fünften
Stufe H5 verläuft
durch eine Öffnung
(nicht dargestellt), die in der Auslassöffnung 18 ausgebildet
ist, und schließt
sich an das Wärmeübertragungsrohr 38 des
Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 an.
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Wie
aus dem Bezug auf die 9A bis 9C klar
wird, ist das Wärmeübertragungsrohr 38 des
Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 in einer Dreifachwicklungsform gewickelt, die
so verjüngt
ist, dass sie der Form des Innenraums des Teils zunehmenden Durchmessers 18b der
Auslassöffnung 18 folgt;
die Wicklung der Innenlage ist von der Rückseite (der linken Seite in
der Figur) zur Vorderseite (der rechten Seite in der Figur) gewickelt,
während
der Durchmesser verringert ist, und ist am Vorderende zurückgeknickt;
diesem folgt die Wicklung in der mittleren Lage, die von der Vorderseite
zur Rückseite
hin gewickelt ist, während
der Durchmesser zunimmt und am Hinterende zurückgeknickt ist; und diesem
folgt die Wicklung in der Außenlage,
die von der Rückseite
zur Vorderseite herumgewickelt ist, während ihr Durchmesser abnimmt.
Ein in 9B gezeigter Wassereinlass ist
mit dem Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 verbunden, der sich an der stromaufwärtigen Seite
befindet und später
beschrieben wird, und ein in 9C gezeigter
Wasserauslass ist mit dem Wärmeübertragungsrohr 37 des
Wärmetauschers
der fünften
Stufe H5 verbunden, der sich an der stromabwärtigen Seite befindet. Die
in 9A gezeigten eingekreisten Zahlen ➀ bis ➅ zeigen
den Weg, über
den das Wasser durch das Wärmeübertragungsrohr 38 fließt.
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Darüber hinaus
macht es das Wickeln des Wärmeübertragungsrohrs 38 des
Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 in der Dreifachwicklungsform, die so verjüngt ist,
dass sie der Form des Innenraums des Teils zunehmenden Teils 18b der
Auslasöffnung 18 folgt,
möglich,
einen Ausrichtungseffekt des Abgases zu bekommen, das durch den
Teil zunehmenden Durchmessers 18b fließt, um hierdurch zu einer Minderung
im Zirkulationswiderstand beizutragen.
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Wie
am Klarsten in den 7 und 8 gezeigt,
ist ein ringförmiges
Verteilungspassagen-Bildungselement 41 integral am Hinterende
des Teils zunehmenden Durchmessers 18b der Auslassöffnung 18 ausgebildet,
und, durch Verbindung eines separaten ringförmigen Verteilungspassagen-Bildungselements 42 mit
der Rückfläche des
Verteilungspassagen-Bildungselements 41,
ist eine dritte kreisförmige
Verteilungspassage 43 zwischen den zwei Verteilungspassagen-Bildungselementen 41, 42 ausgebildet.
Das stromaufwärtige
Ende des Wärmeübertragungsrohrs 38 des
Wärmeaustauschers
der vierten Stufe H4 ist mit der dritten kreisförmigen Verteilungspassage 43 verbunden.
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Das
Vorderende eines zylindrischen Gehäuses 44, das den Außenumfang
des präkatalytischen
Systems 34 abdeckt, ist mit dem Verteilungspassagen-Bildungselement 42 verbunden,
und eine zweite kreisförmige
Verteilungspassage 47 ist zwischen zwei ringförmigen Verteilungspassagen-Bildungselementen 45, 46 ausgebildet,
die aufeinanderliegen und mit dem Hinterende des zylindrischen Gehäuses 44 verbunden
sind. Das präkatalytische
System 34 und der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 sind innerhalb des zylindrischen Gehäuses 44 angeordnet.
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Das
präkatalytische
System 34 enthält
sieben Schichten eines Katalysatorträgers 48, der in Bienenwabenplatten
gebildet ist, auf deren Oberfläche
ein bekannter Abgasreinigungskatalysator angebracht ist. Der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3, der innerhalb des zylindrischen Gehäuses 44 angeordnet
ist, so dass er die sieben Schichten des Katalysatorträgers 48 umgibt,
ist aus zwei gebogenen Wärmeübertragungsrohren 49, 49 (siehe 10)
ausgebildet. Jedes der Wärmeübertragungsrohre 49, 49 ist
innerhalb einer kreisförmigen
Ebene zickzack-förmig
gebogen, bewegt sich dann zur nächsten
Ebene, die von dort um eine Steigung in der axialen Richtung getrennt
ist, und wird in der gleichen Zickzack-Form gebogen, wobei dies
wiederholt wird, um eine zylindrische Außenform zu erhalten, die mehrere
Steigungen hat. Die sieben Schichten des Katalysatorträgers 48 sind
innerhalb des Zwischenraums aufgenommen, der durch Verschachteln
der zwei Wärmeübertragungsrohre 49, 49 ausgebildet
ist. Hier stehen die zwei Wärmeübertragungsrohre 49, 49 in
engem Kontakt mit der Oberfläche
der sieben Schichten des Katalysatorträgers 48. Die stromaufwärtigen Enden
der zwei Wärmeübertragungsrohre 49, 49 sind
mit der zweiten kreisförmigen
Verteilungspassage 47 verbunden, die zwischen den Verteilungspassagen-Bildungselementen 45, 46 gebildet
ist, und ihre stromabwärtigen
Enden sind mit der dritten kreisförmigen Verteilungspassage 43 verbunden,
die zwischen den Verteilungspassagen-Bildungselementen 41, 42 ausgebildet
ist.
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Zwei
zylindrische Gehäuse 50, 51 sind
koaxial an der Außenseite,
in der radialen Richtung des zylindrischen Gehäuses 44 des präkatalytischen
Systems 34 angeordnet, und der Wärmetauscher der zweiten Stufe
H2 ist in einer Ringform zwischen den zwei zylindrischen Gehäusen 50, 51 angeordnet.
Der Wärmetauscher der
zweiten Stufe H2 ist aus einer großen Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 52 ausgebildet,
die in einer Wendelform in einer Richtung gewickelt sind, sowie
einer großen
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 53, die
in einer Wendelform in der anderen Richtung gewickelt sind, wobei
die Rohre 52, 53 abwechselnd angeordnet sind,
so dass Teile davon miteinander in Eingriff stehen, um hierdurch
die Platzierungsdichte der Wärmeübertragungsrohre 52, 53 innerhalb
des Raums zu erhöhen.
Der Außenumfang
des präkatalytischen
Systems 84 ist somit von den Wärmeübertragungsrohren 52, 53 umgeben.
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Eine
erste kreisförmige
Verteilungspassage 56 ist zwischen einem Verteilungspassagen-Bildungselement 54,
das am Vorderende des zylindrischen Gehäuses 50 an der Außenseite
befestigt ist, und einem Verteilungspassagen-Bildungselement 55,
das mit der Vorderfläche
des Verteilungspassagen-Bildungselements 54 verbunden ist,
ausgebildet. Die stromaufwärtigen
Enden der Wärmeübertragungsrohre 52, 53 sind
mit der ersten kreisförmigen
Verteilungspassage 56 verbunden, und die stromabwärtigen Enden
der Wärmeübertragungsrohre 52, 53 sind
mit der zweiten kreisförmigen
Verteilungspassage 47 verbunden.
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Die
drei präkatalytischen
Systeme 34 sind durch eine pressgeformte Metallblechmontageplatte 57 zu einem
kombiniert und sind an dem Zylinderkopf 12 befestigt. Drei Öffnungen 57a sind
in der Montageplatte 57 ausgebildet, und das Verteilungspassagen-Bildungselement 41 jedes
der Durchmesser vergrößernden
Teile 18b der drei Auslassöffnungen 18 ist integral
an der entsprechenden Öffnung 57a befestigt.
Ein ovaler Flansch 58, der am Außenumfang der Montageplatte 57 befestigt
ist, ist mit sechzehn Bolzen 59 am dem Zylinderkopf 12 befestigt.
-
Die
drei katalytischen Hauptsysteme 35 sind an der Rückseite
der präkatalytischen
Systeme 34 angeordnet. Die katalytischen Hauptsysteme 35 sind
gebildet, indem ein Katalysator auf der Oberfläche von Katalysatorträgern 60 getragen
sind, die eine Bienenwabenstruktur haben, die in einer insgesamt
zylindrischen Form ausgebildet sind, und dicke Ringelemente 61 sind
um deren Außenfänge herum
aufgesetzt. Die katalytischen Hauptsysteme 35 haben einen
größeren Durchmesser
als die präkatalytischen
Systeme 34, und die katalytischen Hauptsysteme 35 sind
aufgeteilt in Innenlagenteile 35a, die den gleichen Durchmesser
wie die präkatalytischen
Systeme 34 haben, und Außenlagenteile 35b,
die außerhalb
der Außenumfänge der
präkatalytischen
Systeme 34 vorstehen. Um gegenüberliegende Teile der präkatalytischen
Systeme 34 und der katalytischen Hauptsysteme 35 abzudichten,
sind Dichtungselemente 63, die an der Rückfläche des Verteilungspassagen-Bildungselements 46 über Federn 62 gehalten
sind, gegen die Vorderflächen
der katalytischen Hauptsysteme 35 elastisch abgestützt. Endkappen 65 sind über Federn 64 an
den Hinterenden der Ringelemente 61 an den Außenumfängen der
katalytischen Hauptsysteme 35 angebracht. Die Rückflächen der
drei Endkappen 65 stützen
sich gegen Vorsprünge 66a ab,
die an der Vorderfläche
eines Innenwandelements 66, das später beschrieben wird, vorgesehen
sind, und werden nach vorne gedrückt.
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Die
Außenseiten
der drei präkatalytischen
Systeme 34 und der drei katalytischen Hauptsysteme 35 sind
mit einem gemeinsamen abnehmbaren Deckel 71 abgedeckt.
Der Deckel 71 enthält
ein plattenförmiges Verteilungspassagen-Bildungselement 72 mit
einem Montageloch 72a für
ein Auspuffrohr 32 in seiner Mitte, und ein dreifach ringförmiges Verteilungspassagen-Bildungselement 73,
das mit der Vorderfläche
des Verteilungspassagen-Bildungselements 72 verbunden ist,
und eine erste dreifach ringförmige
Verteilungspassage 74 ist zwischen den zwei Verteilungspassagen-Bildungselementen 72, 73 ausgebildet.
Ein rohrförmiges
Element 75, das radial außerhalb angeordnet ist, und
ein rohrförmiges
Element 76, das radial innerhalb angeordnet ist, erstrecken
sich mit einem leichten Spalt dazwischen von dem dreifach ringförmigen Verteilungspassagen-Bildungselement 73 nach
vorne, und ein ovaler Flansch 77, der am Vorderende des äußeren rohrförmigen Elements 75 vorgesehen
ist, liegt auf dem Flansch 58 auf, und sie sind durch die
Bolzen 59 dicht zusammengezogen.
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Ein
dreifach ringförmiges
Verteilungspassagen-Bildungselement 78 ist an dem Vorderende
des inneren Rohrelements 76 befestigt, und eine zweite
dreifach ringförmige
Verteilungspassage 80 ist ausgebildet, indem mit der Vorderfläche des
Verteilungspassagen-Bildungselements 78 ein Verteilungspassagen-Bildungselement 79 mit
im Wesentlichen der gleichen Form verbunden ist. Die erste dreifach
ringförmige
Verteilungspassage 74 und die zweite dreifach ringförmige Verteilungspassage 80 haben
eine identische Form und weisen in der Vorne-nach-Hinten-Richtung
aufeinander zu. Das topfförmige
innere Wandelement 66 ist innerhalb des Deckels 71 aufgenommen,
und der Wärmetauscher
der ersten Stufe H1 ist zwischen dem Außenumfang des Innenwandelements 66 und
dem Innenumfang des inneren Rohrelements 76 angeordnet.
-
Der
Wärmetauscher
der ersten Stufe H1 hat ähnliche
Struktur wie die Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2; eine große
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 81,
die in einer Wendelform in einer Richtung herumgewickelt sind, und
eine große
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 82,
die in einer Wendelform in der anderen Richtung gewickelt sind,
sind abwechselnd angeordnet, so dass Teile davon ineinandergreifen;
und diese Hauptübertragungsrohre 81, 82 umgeben
die Außenumfänge der
Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 und die Außenumfänge der
katalytischen Hauptsysteme 35. Die stromaufwärtigen Enden
der Wärmeübertragungsrohre 81, 82 sind
mit der ersten dreifach ringförmigen
Verteilungspassage 74 verbunden, und deren stromabwärtigen Enden
sind mit der zweiten dreifach ringförmigen Verteilungspassage 80 verbunden.
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Die
Materialien für
die Wärmeübertragungsrohre 37 der
Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5, die Wärmeübertragungsrohre 38 der
Wärmetauscher
der fünften
Stufe H4, die Wärmeübertragungsrohre 49 der
Wärmetauscher
der dritten Stufe H3, die Wärmeübertragungsrohre 52, 53 der
Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 und die Wärmeübertragungsrohre 81, 82 des
Wärmetauschers
der ersten Stufe H2 sind bevorzugt wärmebeständiger rostfreier Stahl (Austenit-Typ,
wie etwa SUS 316L oder SUS 310S, Ferrit-Typ, wie etwa SUS 430 oder
SUS 444), oder wärmebeständige Legierung
auf Nickelbasis. Das Verbinden der Wärmeübertragungsrohre erfolgt bevorzugt
durch Hartlöten
oder mechanische Befestigung.
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Ferner
ist, hinsichtlich der Katalysatorträger 48 für die präkatalytischen
Systeme 34, wärmebeständiger rostfreier
Stahl (zum Beispiel 20 Gew.% Cr – 5 Gew.% Al rostfreier Stahl
vom Ferrit-Typ), oder eine wärmebeständige Legierungsfolie
auf Nickelbasis (Dicke 0,1 mm oder darunter) bevorzugt, und hinsichtlich
der Katalysatorträger 60 für die katalytischen
Hauptsysteme 35 ist Cordylit bevorzugt.
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Wie
aus dem Bezug auf 11 klar wird, ist ein Wassereinlass 83,
in den Wasser als Quelle von Hochdruckdampf zugeführt wird,
in einen mittleren Teil der ersten dreifach ringförmigen Verteilungspassage 74 vorgesehen,
der mit der zweiten dreifach ringförmigen Verteilungspassage 80 über eine
große
Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 81, 82 des
Wärmetauschers
der ersten Stufe H1 in Verbindung stehen, die so angeordnet sind,
dass sie die Außenumfänge der
drei katalytischen Hauptsysteme 35 umgeben, und die zweite dreifach
ringförmige
Verteilungspassage 80 steht mit den drei ersten kreisförmigen Verteilungspassagen 56 über zwei
abnehmbare Kupplungen 84 in Verbindung.
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Die
drei ersten kreisförmigen
Verteilungspassagen 56 stehen mit den drei zweiten kreisförmigen Verteilungspassagen 47 über die Wärmeübertragungsrohre 52, 53 der
Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 in Verbindung, die so angeordnet sind, dass
sie die Außenumfänge der
drei präkatalytischen
Systeme 34 umgeben, und jede dieser drei zweiten kreisförmigen Verteilungspassagen 47 steht
mit der einen entsprechenden der drei dritten kreisförmigen Verteilungspassagen 43 über zwei
der Wärmeübertragungsrohre 49 der
Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 in Verbindung, die innerhalb der drei präkatalytischen
Systeme 34 angeordnet sind. Jede der drei dritten kreisförmigen Verteilungspassagen 43 verläuft weiter
durch eines der Wärmeübertragungsrohre 38 der
Wärmetauscher
der vierten Stufe H4, der durch die Innenräume der drei Auslassöffnungen 18 hindurchtritt,
und eines der Wärmeübertragungsrohre 37 der
Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5, die um die Außenseiten
der drei Auslassöffnungen 18 herumlaufen,
und sie werden dann durch eine Kupplung 85 vereinigt und
dem Expander 4 in einer nachfolgenden Stufe von dem Wasserauslass 86 zugeführt.
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Wasser,
das von einem Mittelstrom-Wassereinlass 87 zugeführt worden
ist, zweigt in einem Verteiler 88 in drei Richtungen ab,
wobei ein Teil davon in der Strommitte den drei ersten kreisförmigen Verteilungspassagen 56 über die
Kupplungen 84 zugeführt
wird, ein Teil davon in der Strommitte den drei zweiten kreisförmigen Verteilungspassagen 47 zugeführt wird,
und ein Teil davon in der Strommitte den drei dritten kreisförmigen Verteilungspassagen 43 zugeführt wird.
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Während das
Wasser, das von dem Wassereinlass 83 zugeführt wird,
zu dem Wasserauslass 86 über den Wärmetauscher der ersten Stufe
H1 → den
die Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 → die
Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 → die
Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 → die
Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 fließt,
tauscht es auf diese Weise Wärme
mit dem Abgas aus, das aus dem Verbrennungsmotor 1 herauskommt
und in einer Richtung fließt,
die entgegengesetzt zu jener ist, in der das Wasser fließt, so dass
das Wasser zu Dampf wird.
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Das
heißt,
während
es durch die Teile gleichmäßigen Durchmessers 18a der
drei Auslassöffnungen 18 hindurchtritt,
tauscht das Abgas, das aus dem Verbrennungsmotor 1 herauskommt,
Wärme mit
den Wärmetauschern
der fünften
Stufe H5 aus, die aus den Wärmeübertragungsrohren 37 gebildet
sind, die um die Außenumfänge der
Teile gleichmäßigen Durchmessers 18a herumgewickelt
sind. Das Abgas, das von den Teilen gleichmäßigen Durchmessers 18a der
Auslassöffnungen 18 in
die Teile zunehmenden Durchmessers 18b geflossen ist, tauscht
Wärme durch
direkten Kontakt mit den Wärmetauschern
der vierten Stufe H4 aus, die aus den Wärmeübertragungsrohren 38 gebildet
sind, die in einer Dreifachwendelform gewickelt und innerhalb der
Teile zunehmenden Durchmessers 18b aufgenommen sind. Das
Abgas strömt
aus den Auslassöffnungen 18 durch
den Innenraum der sieben Katalysatorträger 48 jedes der drei
präkatalytischen
Systeme 34, um seine schädlichen Komponenten zu reinigen,
und tauscht an diesem Punkt Wärme
mit den Wärmetauschern
der dritten Stufe H3 aus, die aus den Wärmeübertragungsrohren 49 gebildet
sind, die die Umfänge
der Katalysatorträger 48 umgeben.
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Das
Abgas, das durch die drei präkatalytischen
Systeme 34 hindurchgetreten ist, tritt durch die Innenlagenteile 35a der
drei katalytischen Hauptsysteme 35 von vorne nach hinten
hindurch; wird dann durch die Endkappen 65 blockiert und
macht eine U-Kehre, und tritt dann durch die Außenlagenteile 35b der
katalytischen Hauptsysteme 35 von hinten nach vorne hindurch;
während
dieser Stufe werden schädliche
Komponenten in dem Abgas durch die katalytischen Hauptsysteme 35 gereinigt.
Das Abgas, das aus den katalytischen Hauptsystemen 35 herauskommt,
tauscht Wärme
aus, während
es von hinten nach vorne durch die Wärmetauscher der zweiten Stufe
H2 fließt,
die aus den Wärmeübertragungsrohren 52, 53 gebildet
sind, die zwischen den Paaren der zylindrischen Gehäusen 50, 51 angeordnet
sind, und ändert
dann die Richtung um 180°, tauscht
Wärme aus,
während
es von vorne nach hinten durch den Wärmetauscher der ersten Stufe
H1 fließt, der
aus den Wärmeübertragungsrohren 81, 82 gebildet
ist, die zwischen dem rohrförmigen
Element 76 und dem inneren Wandelement 66 angeordnet
sind, und wird schließlich
in das Auspuffrohr 32 durch das Montageloch 72a des
Verteilungspassagen-Bildungselements 72 abgegeben.
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Die
Prozedur für
den Zusammenbau des Verdampfers 3 mit der oben erwähnten Struktur
wird hauptsächlich
in Bezug auf 12 erläutert.
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Zuerst
wird in den Zylinderkopf 12 eine Unterbaugruppe montiert,
die integral gebildet ist aus den drei Auslassöffnung 18, an denen
die Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 und die Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 vormontiert sind, und den drei präkatalytischen Systemen 34,
an denen die Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 und die Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 vormontiert sind. Das heißt, die Verteilungspassagen-Bildungselemente 41,
die in den drei Auslassöffnungen 18 vorgesehen
sind, sind integral an den drei Öffnungen 57a der
plattenförmiges
Montageplatte 57 befestigt, und der ovale Flansch 58,
der am Außenumfang
der Montageplatte 57 befestigt ist, ist an dem Zylinderkopf 12 positioniert.
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Anschließend werden
die drei katalytischen Hauptsysteme 35 von der Rückseite
her zu den drei präkatalytischen
Systemen 34 gebracht, und die Außenumfänge am Vorderende der Ringelemente 61 an
den Außenumfängen der
katalytischen Hauptsysteme 35 werden an die Außenumfänge am Hinterende
der zylindrischen Gehäuse 50 der
Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 angesetzt. An diesem Punkt stützt sich
die Dichtungselemente 63, die an den Rückseiten der Verteilungspassage-Bildungselemente 46 über die
Federn 62 gehalten sind, federnd gegen die Vorderflächen der
katalytischen Hauptsysteme 35 ab (siehe 4).
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Anschießend wird
der Deckel 71 nach vorne bewegt, um die Außenumfänge der
drei katalytischen Hauptsysteme 35 und die drei Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 mit dem dreifach ringförmige Wärmetauscher der ersten Stufe
abzudecken, worin drei Kreise in der seitlichen Richtung versetzt
sind und aufeinanderliegen, und der Flansch 77, der an
dem Rohrelement 75 des Deckels 71 vorgesehen ist,
wird auf die Rückfläche des
Flansches 58 der Montageplatte 57 aufgelegt und
mit dem Zylinderkopf 12 durch die sechzehn Bolzen 59 verbunden.
An diesem Punkt drücken
die Vorsprünge 66a des
inneren Wandelements 66 innerhalb des Deckels 71 die
Endkappen 65 der katalytischen Hauptsysteme 35 nach
vorne, um die Federn 64 zwischen Federsitzen 67,
die an den Außenumfängen der
Endkappen 65 vorgesehen sind, und Federsitzen 68,
die an den Hinterenden der Ringelemente 61 an den Außenumfängen der
katalytischen Hauptsysteme 35 vorgesehen sind, zusammenzudrücken (siehe 4).
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Da,
wie zuvor beschrieben, die Montage so ausgeführt wird, dass sich ein kleiner
Spalt in der radialen Richtung zwischen dem Innenlagenteil, der
die präkatalytischen
Systeme 34 und die katalytischen Hauptsysteme 35 enthält, und
dem Deckel 71 ergibt, der ein Außenlagenteil ist, das die Außenumfänge davon
abdeckt, kann die thermische Ausdehnung davon in der radialen Richtung
aufgenommen werden. Da ferner die katalytischen Hauptsysteme 35 durch
die Federn 62 und 64 zwischen den Rückflächen der
präkatalytischen
Systeme 34 und der Vorderfläche des inneren Wandelements 66 des
Deckels 71 federnd gehalten werden, kann die thermische
Ausdehnung der präkatalytischen
Systeme 34 und der katalytischen Hauptsysteme 35 in
der axialen Richtung aufgenommen werden.
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Schließlich sind
die drei ersten kreisförmigen
Verteilungspassagen 56 jeweils mit der zweiten dreifach ringförmigen Verteilungspassage 80 am
Vorderende des Deckels 71 über die Kupplungen 84 verbunden,
und die drei Wärmeübertragungsrohre 37 der
Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5, die sich von den drei Auslassöffnungen 18 weg erstrecken,
sind durch die Kupplung 85 vereinigt, um hierdurch den
Zusammenbau des Verdampfers 3 fertigzustellen.
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Hier
sollte angemerkt werden, dass, wie in 13 gezeigt,
in der vorliegenden Ausführung
P-1, ein katalytisches System zum Reinigen von Abgas in die präkatalytischen
Systeme 34 an der stromaufwärtigen Seite und die katalytischen
Hauptsysteme 35 an der stromabwärtigen Seite unterteilt ist,
wobei die Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 und die Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 an der stromaufwärtigen
Seite des Abgasstroms des präkatalytischen
Systems 34 angeordnet sind, und der Wärmetauscher der ersten Stufe
H1 und die Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2 an der stromabwärtigen Seite des Abgasstroms
der katalytischen Hauptsysteme 35 angeordnet sind. Wie
hier zuvor beschrieben, sind die Wärmetauscher der dritten Stufe
H3 in den präkatalytischen
Systemen 34 aufgenommen.
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Andererseits
enthält
das Vergleichsbeispiel C-0 weder ein katalytisches System noch einen
Wärmetauscher,
das Vergleichsbeispiel C-1 enthält
nur ein katalytisches Hauptsystem, das Vergleichsbeispiel C-2 enthält ein katalytisches
Hauptsystem als die einem präkatalytischen
System folgende Stufe, und das Vergleichsbeispiel C-3 enthält Wärmetauscher
als sowohl die Stufe vor als die Stufe nach dem katalytischen Hauptsystem.
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14 zeigt
die Temperaturänderung
des Abgases von der stromaufwärtigen
Seite zur stromabwärtigen
Seite (L0 → L1 → L2 → L3 → L4 → L5) während der
kalten Periode unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors 1.
Da, gemäß der vorliegenden
Ausführung
P-1, die präkatalytischen
Systeme 34 an der stromaufwärtigen Seite der Auspuffleitung 33 angeordnet
sind und die Kapazität
der präkatalytischen
Systeme 34 klein eingestellt ist, kann sogar während der
kalten Periode die Temperatur der präkatalytischen Systeme 34 rasch
auf die Katalysatoraktivierungstemperatur oder darüber erhöht werden,
um hierdurch die schädlichen Komponenten
in dem Abgas effizient zu reduzieren.
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Obwohl
die Abgasreinigungsleistung nur mit den kapazitätsschwachen präkatalytischen
Systemen 34 ungenügend
wäre, kann
ferner die Anordnung der katalytischen Hauptsysteme 35 mit
großer
Kapazität
an der stromabwärtigen
Seite davon die Abgasreinigungsleistung der kapazitätsschwachen
präkatalytischen
Systeme 34 adäquat
kompensieren. Da ferner die Strömungsrichtung
des Abgases zwischen den Innenlagenteilen 35a und den Außenlagenteilen 35b der
katalytischen Hauptsysteme 35 umgekehrt wird, steigt, wenn
das Abgas zuerst durch die Innenlagenteile 35a der katalytischen
Hauptsysteme 35 hindurchtritt, dessen Temperatur aufgrund
der katalytischen Reaktion an, wobei das Abgas mit der erhöhten Temperatur
den Außenlagenteilen 35b der
katalytischen Hauptsysteme 35 zugeführt wird, und wenn das Abgas
dann um 180° gewendet
wird, werden die schädlichen
Komponenten in dem Abgas effizient vermischt, um hierdurch die katalytischen
Reaktionen in den Außenlagenteilen 35b zu
fördern
und hierdurch die Gesamtabgasreinigungsleistung der katalytischen
Hauptsysteme 35 zu verbessern. Darüber hinaus ist das Abgas in
den Innenlagenteilen 35a durch das Abgas in den Außenlagenteilen 35b abgedeckt,
um hierdurch eine thermische Leckage zu verhindern und hierdurch
eine etwaige Verschlechterung in der Wärmeaustauschwirkung zu verhindern.
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15 zeigt
die Temperaturänderung
des Abgases von der stromaufwärtigen
Seite zur stromabwärtigen
Seite, wenn der Verbrennungsmotor 1 bei hoher Temperatur
arbeitet. Gemäß der vorliegenden
Ausführung
P-1 lässt
es sich verhindern, dass die Katalysatortemperatur der präkatalytischen
Systeme 34 die Wärmebeständigkeitstemperatur überschreitet,
obwohl aufgrund des heißen
Abgases die Möglichkeit
einer Verschlechterung besteht, weil die präkatalytischen Systeme 34 in
der Nähe
der Auslassöffnungen 18 angeordnet sind,
da die Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 und die Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 in den Auslassöffnungen 18 angeordnet
sind. Da ferner innerhalb der präkatalytischen
Systeme 34 die Katalysatorträger 48 der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 in sieben schmale Stücke aufgeteilt sind und die
zickzack-gebogenen Wärmeübertragungsrohe 49 der
Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 in direkten Kontakt mit den Umfängen der
Katalysatorträger 48 stehen,
kann noch zuverlässiger
verhindert werden, dass die Katalysatortemperatur der präkatalytischen
Systeme 34 die Wärmebeständigkeitstemperatur überschreitet.
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Da
ferner der Wärmetauscher
der ersten Stufe H1, die Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2, die Wärmetauscher
der dritten Stufe H3, die Wärmetauscher
der vierten Stufe H4 und die Wärmetauscher
der fünften Stufe
H5 in Reihe verbunden sind, und das Wasser aufeinanderfolgend von
der Seite des Wärmetauschers der
ersten Stufe H1 zur Seite der Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5 zugeführt
wird (dieses Wasserzufuhrverfahren wird Einweg-Wasserzufuhr genannt),
kann eine Erhöhung/Verringerung
der zugeführten
Wassermenge die Temperaturen der präkatalytischen Systeme 34 und
der katalytischen Hauptsysteme 35 gemäß dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 richtig
steuern (siehe Tabelle 1).
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Die
Zufuhr des Wassers in der Strommitte an drei Positionen in dem Wasserzufuhrweg
von dem Wärmetauscher
der ersten Stufe H1 zu den Wärmetauschern
der fünften
Stufe H5, d.h. die ersten kreisförmigen Verteilerkanäle 56 unmittelbar
stromauf der Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2, die zweiten kreisförmigen Verteilerkanäle 47 unmittelbar
stromauf der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 und die dritten kreisförmigen Verteilerkanäle 43 unmittelbar
stromauf der Wärmetauscher
der vierten Stufe H4, sowie das individuelle Steuern/Regeln der
Wassermenge, die den Wärmetauschern
der zweiten Stufe bis vierten Stufe H2, H3, H4 zu geführt wird,
gemäß Änderungen
im Betriebszustand (Strömungsrate
des Abgases oder Temperatur des Abgases) des Verbrennungsmotors 1 sowie
der Katalysatortemperatur (dieses Wasserzufuhrverfahren wird Mehrfach-Wasserzufuhr genannt)
können
ferner die Katalysatortemperatur der präkatalytischen Systeme 34 und der
katalytischen Hauptsysteme 35 auf Temperaturen, die für die katalytische
Reaktion geeignet sind, noch feiner steuern/regeln (siehe Tabelle
2 und 16).
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Der
Effekt der Mehrfach-Wasserzufuhr wird weiter in Bezug auf 16 erläutert. Wenn
man die Einweg-Wasserzufuhr ausführt,
wie mit einer unterbrochenen Linie gezeigt, und hierbei die zugeführte Wassermenge,
einhergehend mit einem niedrigen Lastzustand des Verbrennungsmotors 1,
auf klein eingestellt ist, übertritt
die Katalysatortemperatur die untere Grenztemperatur (Katalysatoraktivierungstemperatur)
früher, geht
aber auch schnell über
die obere Grenztemperatur (die Katalysatorwärmebeständigkeitstemperatur) hinaus.
Umgekehrt, wenn die zugeführte
Wassermenge, einhergehend mit einem Hochlastzustand des Verbrennungsmotors 1 auf
groß eingestellt
ist, kann, obwohl die Katalysatortemperatur die untere Grenztemperatur (die
Katalysatoraktivierungstemperatur) langsam überschreitet, das Hinausgehen über die
obere Grenztemperatur (Katalysatorwärmebeständigkeitstemperatur) verzögert werden.
Daher ist es schwierig, sowohl eine frühe Aktivierung als auch Haltbarkeit
des Katalysators mit der Einwegwasserzufuhr zu erreichen, wobei
aber, wenn man die zugeführte
Wassermenge auf niedrig einstellt und hierbei der Verbrennungsmotor 1 in
einem Niederlastzustand ist und die zugeführte Wassermenge durch die
Mittelstromwasserzufuhr erhöht,
während die
Last zunimmt, sowohl eine frühe
Aktivierung als auch Haltbarkeit des Katalysators erreicht werden
können.
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Der
Grund dafür,
warum die Linien für
die präkatalytischen
Systeme 34 an der linken Seite liegen und die Linien für die katalytischen
Hauptsysteme 35 an der rechten Seite in 16 liegen,
ist, dass die Kapazität der
präkatalytischen
Systeme 34 klein ist und die Kapazität der katalytischen Hauptsysteme
groß ist.
Es ist natürlich
auch möglich,
die Temperaturen der präkatalytischen
Systeme 34 und der katalytischen Hauptsysteme 35 noch
feiner zu steuern, indem die Wassermengen, die den Mittelstromwassereinlässen an
den drei Positionen zuführt
werden, einzeln gesteuert/geregelt werden.
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Wie
hier zuvor beschrieben, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung P-1, im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen C-0 bis
C-3 die Gesamtabgasreinigungsleistung und Haltbarkeit des katalytischen
Systems verbessert werden. Insbesondere kann das integrale Vorsehen
der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 innerhalb der präkatalytischen Systeme 34 die
Temperatur der präkatalytischen
Systeme 34 aktiv steuern, und die Mittelstromwasserzufuhr
zu den ersten kreisförmigen
Verteilerkanälen 56,
den zweiten kreisförmigen
Verteilerkanälen 47 und
den dritten kreisförmigen
Verteilerkanälen 43 in
der Nähe
der präkatalytischen
Systeme 34 kann nicht nur die Temperatur der präkatalytischen
Systeme 34 selbst steuern, sondern kann auch die Temperatur
der katalytischen Hauptsysteme 35, die stromab davon angeordnet
sind, geeignet steuern, um hierdurch die gesamte Abgasreinigungsleistung
stark zu verbessern.
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Hinsichtlich
der Wärmeübertragungsoberflächendichten
(Wärmeübertragungsfläche/pro
Volumen) der fünf
Wärmetauscher
H1 bis H5, ist jene des Wärmetauschers
der ersten Stufe H1 die höchste,
und die Oberflächendichte
nimmt von dort zu den Wärmetauschern
der fünften
Stufe H5 hin allmählich
ab. Ferner ist, hinsichtlich der Kanalquerschnittsflächen der
fünf Wärmetauscher
H1 bis H5, jene des Wärmetauschers
der ersten Stufe H4 die kleinste, und die Querschnittsfläche nimmt
von dort zu den Wärmetauschern
der fünften Stufe
H5 hin allmählich
zu. Die Wärmeübertragungsoberflächendichten
und die Kanalquerschnittsflächen
der Wärmetauscher
der ersten Stufe bis fünften
Stufe H1 bis H4 sind in Tabelle 3 gezeigt.
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Das
allmähliche
Verkleinern der Wärmeübertragungsoberflächendichte
(Wärmeübertragungsfläche/Volumen)
von dem Wärmetauscher
der ersten Stufe H1 zu den Wärmetauschern
der fünften
Stufe H5 minimiert die Wärmeübertragungsoberflächendichte
der Wärmetauscher
der fünften
Stufe H5, durch die das heiße Abgas hindurchtritt, weil sie den Brennkammern 16 benachbart
sind, und maximiert die Wärmeübertragungsoberflächendichte
des Wärmetauschers
der ersten Stufe H1, durch den das Abgas, dessen Temperatur abgenommen
hat, nach dem Durchtritt durch die Auspuffleitung 33 hindurchtritt,
um hierdurch die Wärmeaustauschwirkungen
zwischen allen fünf
Wärmetauschern
H1 bis H5 auszumitteln.
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Da
ferner das Abgas, das aus den Brennkammern 16 herauskommt,
eine hohe Temperatur und ein großes Volumen hat, und als Ergebnis
eine hohe Strömungsrate,
kann das Maximieren der Kanalquerschnittsfläche der Wärmetauscher der fünften Stufe
H5 nahe den Brennkammern 16 den Druckverlust minimieren.
Da andererseits das Abgas, dessen Temperatur nach dem Durchtritt
durch die Auspuffleitung 33 abgenommen hat, ein verringertes
Volumen hat und auch eine verringerte Strömungsrate hat, kann das Minimieren
der Kanalquerschnittsfläche
des Wärmetauschers
der ersten Stufe H1 den Verdampfer 3 kompakt machen.
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Die
Effekte, die durch das Einstellen der Wärmeübertragungsoberflächendichten
und der Kanalquerschnittsflächen
des Wärmetauschers
der ersten Stufe H1 zu den Wärmetauschern
der vierten Stufe H4 erhalten sind, wie in Tabelle 3 gezeigt, sind
in Tabelle 4 zusammengefasst.
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Hier
sollte angemerkt werden, dass die Wärmetauscher der zweiten Stufe
bis fünften
Stufe H2 bis H5, die Wärmetauscher
in der früheren
Stufe sind, gesehen vom Verbrennungsmotor 1 her, für jede einzelne
der Auslassöffnungen 18 vorgesehen
sind, und da die aus den Auslassöffnungen 18 herauskommenden
Gase nicht vermischt sind, ist es möglich, das Auftreten einer
Abgasinterferenz zu vermeiden, um hierdurch jegliche Abnahme in
der Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 1 zu verhindern.
Da ferner Druckpulsationen in dem Abgas an den Ausgängen der
Auslassöffnungen 18 vorhanden
sind und der Abgasdruck hoch ist, lässt eine die Wärmeübertragung
fördernde
Wirkung erwarten. 17 zeigt einen Vergleich der
Wärmeübertragungsleistung
bei verschiedenen Reynolds-Zahlen
zwischen einer Heißluftvorrichtung
ohne Abgaspulsationen und einem Verbrennungsmotor mit Abgaspulsationen,
und es bestätigt
sich, dass der Verbrennungsmotor mit Abgaspulsation die höhere Wärmeübertragungsleistung
hat. 18 zeigt einen Vergleich der Wärmeübertragungsleistung bei verschiedenen
Reynolds-Zahlen bei zwei verschiedenen Abgasdrücken in einem Einzylinderverbrennungsmotor,
der mit einem Wärmetauscher
vom Rohrgruppentyp versehen ist, und es bestätigt sich, dass, je höher der
Abgasdruck ist, desto höher
die Wärmeübertragungsleistung
ist.
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Da
in dem Wärmetauscher
der ersten Stufe H1, der ein Wärmetauscher
in der späteren
Stufe ist, gesehen vom Verbrennungsmotor 1 her, die aus
den drei Auslassöffnungen 18 herauskommenden
Abgase in einen nicht pulsierenden Fluss vereinigt werden, kann
das Abgas auf einer konstanten hohen Temperatur gehalten werden,
und, anders als beim pulsierenden Fluss, kann das Abgas zu einem
stetigen Fluss gebracht werden, der nicht stoppt, um hierdurch eine
etwaige Verschlechterung der Wärmeaustauschleistung
zu verhindern.
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Da
ferner das Abgas von der Seite des Verbrennungsmotors 1 zur
Seite des Auspuffrohrs 32 fließt, während das Wasser von der Seite
des Auspuffrohrs 32 zur Seite des Verbrennungsmotors 1 fließt, sind
das Abgas und das
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Wasser
in einem Querstromzustand, und der Temperaturunterschied zwischen
dem Abgas und dem Wasser kann daher über insgesamt die Wärmetauscher
der ersten Stufe bis zur fünften
Stufe H1 bis H5 maximiert werden, um hierdurch zu einer Verbesserung
der Wärmeaustauschwirkung
zwischen dem Abgas und dem Wasser beizutragen.
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Wie
ferner aus 4 klar wird, unterscheidet sich
die Breite des Verdampfers 3 (Breite des Verbrennungsmotors 1 in
Richtung der Kurbelwelle) kaum von der Breite der drei Zylinderbohrungen 14,
und ist extrem kompakt. Ferner kann nicht nur der Verdampfer 3 von
dem Zylinderkopf 12 abgenommen werden, indem lediglich
die sechzehn Bolzen 59 gelöst werden, um hierdurch zur
leichten Wartung beizutragen, sondern es ist auch der gesamte Verdampfer 3 mit
der Abdeckung 71 hochsteif integriert, um hierdurch die
Haltbarkeit gegen Vibration des Verbrennungsmotors 1 zu
verbessern.
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Da
ferner die Auspuffleitung 33 in einer dreistufigen Zickzackform
gebogen ist und die Wärmetauscher der
ersten Stufe bis vierten Stufe H1 bis H4 in der radialen Richtung
in Schichten angeordnet sind, können
die Gesamtdimensionen des Verdampfes 3 soweit wie möglich reduziert
werden, während
eine thermische Leckage minimiert wird und eine Geräuschabstrahlung
vom Inneren des Verdampfers 3 verhindert wird, um hierdurch
eine kompakte Auslegung davon in dem Zylinderkopf 12 des
Verbrennungsmotors E vorzusehen.
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Da
ferner die Wärmetauscher
der ersten Stufe bis fünften
Stufe H1 bis H5 in einer Labyrinthform angeordnet sind, durch Anordnung
der präkatalytischen
Systeme 34 und der katalytischen Hauptsysteme 35 in Schichten
in der radialen Richtung, kann nicht nur ihr Geräuschdämpfeffekt effizient sein darin,
den Austritt von Abgeräusch
der Außenseite
des Abwärmewiedergewinnungssystems 2 zu
verhindern, sondern es ergibt sich auch ein Abgastemperatur-Absenkeffekt,
hauptsächlich
durch die Wärmetauscher
der ersten Stufe bis fünften Stufe
H1 bis H5. Dies erlaubt, dass ein Auspufftopf vereinfacht oder weggelassen
ist, wodurch das Abgassystem selbst kompakt und leichtgewichtig
gemacht wird. Da ferner die Abnahme der Abgastemperatur bewirkt, dass
die Temperatur der Auspuffleitung abnimmt, insbesondere an der stromabwärtigen Seite
des Wärmetauschers
der ersten Stufe H1, verbessen sich die Freiheitsgrade bei der Konstruktion
hinsichtlich der Wärmebeständigkeit,
und die Verwendung eines Materials wie etwa Kunststoff für die Auspuffleitung
wird möglich.
Im Ergebnis nehmen die Freiheitsgrade in der Form der Auspuffleitung,
die Freiheitsgrade bei der Montage am Fahrzeug, die Freiheitsgrade
hinsichtlich der Kühlcharakteristika,
etc. zu, und die Freiheitsgrade in der Konstruktion des gesamten
Fahrzeugs, die durch herkömmliche
Abgassystembeschränkungen
unterworfen war, kann erhöht
werden, um hierdurch zu einer Minderung im Gesamtgewicht des Auspuffsystems
beizutragen.
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Obwohl
oben eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert wurde, kann die vorliegende
Erfindung in zahlreichen Wegen modifiziert werden, ohne vom Umfang
der beigefügten
Ansprüche
abzuweichen.
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Zum
Beispiel ist in der Ausführung
der erste Wärmetauscher
aus drei Wärmetauschern
gebildet, dies sind der Wärmetauscher
der zweiten Stufe H2, der Wärmetauscher
der dritten Stufe H3 und der Wärmetauscher
der vierten Stufe H4, wobei aber die Anzahl der Wärmetauscher,
aus denen er gebildet ist, eine andere Anzahl als drei sein kann. Ähnlich ist
in der Ausführung
der zweite Wärmetauscher
nur aus dem Wärmetauscher
der ersten Stufe H1 gebildet, wobei aber die Anzahl der Wärmetauscher,
aus denen er gebildet ist, eine andere Zahl als zwei sein kann.
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Ferner
ist in der Ausführung
ein Dreizylinderverbrennungsmotor 1 dargestellt, wobei
die vorliegende Erfindung aber auch auf einen Mehrzylinderverbrennungsmotor
mit einer anderen Zylinderzahl als drei anwendbar ist.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
hierin zuvor beschrieben, kann der Wärmetauscher eines Mehrzylinderverbrennungsmotors
in Bezug auf die vorliegende Erfindung in geeigneter Weise an einem
Verbrennungsmotor für
ein Automobil angewendet werden, kann aber auch bei einem Verbrennungsmotor
für irgend
eine Nicht-Automobilanwendung angewendet werden.
