DE60113646T2 - Abgasreinigungsvorrichtung und brennkraftmaschine - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbrennungsgasreinigungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • FACHLICHER HINTERGRUND
  • Ein katalytisches System, welches durch eine katalytische Reaktion schädliche Bestandteile im Abgas von einer Brennkraftmaschine reinigt, weist eine Struktur auf, in welcher beispielsweise ein Platinsystemkatalysator an einem Katalysatorträger getragen ist und der Katalysator eine Optimaltemperatur für die katalytische Reaktion aufweist. Wenn beispielsweise die Katalysatortemperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur liegt und die Reaktivität gering ist, so wird das katalytische System auf der stromaufwärts-Seite des Abgaskanals, wo die Abgastemperatur hoch ist, angeordnet und somit erwärmt, oder es wird ein Verfahren eingesetzt, in welchem das katalytische System durch einen elektrischen Heizer oder durch das in einem ausschließlich zur Erwärmung verwendeten Verbrennungssystem erzeugte Verbrennungsgas erwärmt wird, um die katalytische Reaktion zu aktivieren. Wenn im Gegensatz dazu die Temperatur des Katalysators dessen Wärmebeständigkeitstemperatur übersteigt, so kühlt eine Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in Bezug auf das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis den Katalysator mittels der Verdampfungswärme von überflüssigem Kraftstoff, wodurch eine Schädigung des Katalysators verhindert wird.
  • Ferner ist aus der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-93110 eine Anordnung bekannt, in welcher Wärmetauscher sowohl an der stromaufwärts-Seite als auch an der stromabwärts-Seite eines in einem Abgaskanal angeordneten katalytischen Systems angeordnet sind, und der Katalysator wird durch Steuern/Regeln der Temperatur des Abgases auf einer geeigneten Temperatur gehalten.
  • Um eine höchst effiziente Funktion des katalytischen Systems zu ermöglichen, ist es natürlich wichtig, es innerhalb eines Temperaturbereichs zu verwenden, welcher optimal für die katalytische Reaktion ist. Wenn die Katalysatortemperatur jedoch von der für die katalytische Reaktion optimalen Temperatur abweicht, so ist es ebenfalls wichtig, dass die Katalysatortemperatur schnell wieder hergestellt wird, so dass sie innerhalb des für die katalytische Reaktion optimalen Temperaturbereichs liegt (vergleiche Tabelle 1). Hinsichtlich der Abweichung von der für die katalytische Reaktion optimalen Temperatur, auf die sich hier bezogen wird, gibt es einen Fall, in welchem die Katalysatortemperatur niedriger als die optimale Temperatur ist, sowie einen Fall, in welchem sie höher ist, und für das Wiederherstellen der Katalysatortemperatur, so dass sich diese innerhalb des für die katalytische Reaktion optimalen Temperaturbereichs befindet, gibt es einen Fall, in welchem die Katalysatortemperatur erhöht wird, und einen Fall, in welchem sie reduziert wird.
  • Figure 00030001
  • Beispielsweise ist unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine die Temperatur des katalytischen Systems selbst nahe der Umgebungstemperatur und es ist daher notwendig, das katalytische System so schnell wie möglich zu erwärmen, um die Katalysatortemperatur über die Aktivierungstemperatur zu erhöhen.
  • Von den herkömmlichen Verfahren setzt das Verfahren, in welchem das katalytische System an einer stromaufwärts-Position des Abgaskanals angeordnet wird, wo die Abgastemperatur hoch ist, aufgrund struktureller Beschränkungen, welche durch ein das katalytische System einsetzendes System oder durch das gesamte System auferlegt sind, eine mechanische Grenze dahingehend, wie nahe das katalytische System dem stromaufwärts-Ende des Abgaskanals kommen kann. Ferner benötigt das Verfahren, in welchem das katalytische System bei einer niedrigen Temperatur durch einen elektrischen Heizer oder durch Verbrennungsgas, welches durch ein ausschließlich zum Erwärmen verwendetes Verbrennungssystem erzeugt wird, erwärmt wird, eine besondere Energiequelle und es tritt das Problem aus, dass der Kraftstoffverbrauch des gesamten Systems ansteigt.
  • Da im Gegensatz dazu eine übermäßig hohe Katalysatortemperatur eine Verschlechterung des Katalysators verursacht, ist es notwendig, die Katalysatortemperatur schnell unter die Wärmebeständigkeitstemperatur abzukühlen. Da in diesem Fall das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angereichert wird, um den Katalysator mittels der Verdampfungswärme des überfüssigen Kraftstoffs zu kühlen, tritt das Problem einer Zunahme des Kraftstoffverbrauchs auf.
  • Es sollte hier beachtet werden, dass es in der Anordnung, die in der Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 60-93110 beschrieben ist, von Natur aus schwierig ist, die Katalysatortemperatur aktiv zu steuern/regeln. Das heißt, in diesem Verfahren ist ein Wärmetauscher an der stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems angeordnet und es gibt eine zusätzliche thermische Kapazität innerhalb des Abgaskanals, durch welche das Abgas, das eine Wärmequelle darstellt, hindurchtritt. Wenn, in anderen Worten, die Temperatur des Hauptkörpers einer Brennkraftmaschine unmittelbar nach einem Kaltstart noch gering ist, so wird die Wärme des Abgases durch Erhöhen der Temperatur des Wärmetauschers verbraucht, welcher sich weiter stromaufwärts befindet als das katalytische System, und die Temperatur des Abgases nimmt ab, bevor es die Temperatur des katalytischen Systems erhöht.
  • Wenn sich ferner der Katalysator in einem überhitzten Zustand befindet, so findet ein Wärmeaustausch zuerst zwischen einem Niedrigtemperaturmedium und dem Abgas innerhalb des Wärmetauschers auf der stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems statt, so dass die Temperatur des Abgases verringert wird, und das Abgas, dessen Temperatur durch den Wärmetauscher verringert wurde, wird dem katalytischen System zugeführt, wodurch eine Erhöhung der Temperatur des Katalysators indirekt unterdrückt wird. Natürlich trägt der Wärmetauscher auf der stromabwärts-Seite des katalytischen Systems nahezu gar nicht zur Reduzierung der Katalysatortemperatur bei.
  • Da, wie soeben beschrieben wurde, dieses Verfahren die auf den Katalysator übertragene thermische Energie indirekt steuert/regelt, indem die Temperatur des Abgases, welches eine Wärmequelle ist, gesteuert/geregelt wird, ist eine geeignete Steuerung/Regelung der Katalysatortemperatur schwierig.
  • Ferner ist eine Brennkraftmaschine, welche mit einem Abgasreinigungssystem in ihrem Abgaskanal ausgerüstet ist, aus den Offenlegungsschriften der japanischen Patentanmeldungen Nr. 60-93110 und 8-68318 bekannt, in welchen Wärmetauscher in dem Abgaskanal sowohl auf der stromaufwärts-Seite als auch auf der stromabwärts-Seite des Abgasreinigungssystems angeordnet sind, um zu versuchen, sowohl Temperatursteuer-/regelfähigkeit für das Abgasreinigungssystem als auch Abwärmerückgewinnungsfähigkeit für die Wärmetauscher zu erreichen.
  • Obwohl das Abgasreinigungssystem beim Entfernen schädlicher Bestandteile aus dem Abgas Reaktionswärme erzeugt, so ist es doch, da in der oben erwähnten herkömmlichen Anordnung das Abgasreinigungssystem und die Wärmetauscher nicht im direkten Kontakt sind, schwierig, die durch das Abgasreinigungssystem in den Wärmetauschern erzeugte Reaktionswärme effektiv auszunutzen. Obwohl es möglich ist, den Katalysator zu aktivieren und ihn vor einer Überhitzung zu schützen, indem die Temperatur des Abgasreinigungssystems mittels der Strömungsrate eines Betriebsmediums, welches durch den Wärmetauscher strömt, gesteuert/geregelt wird, so ist es doch, da in der oben erwähnten herkömmlichen Anordnung das Abgasreinigungssystem und die Wärmetauscher nicht im direkten Kontakt miteinander stehen, schwierig, die Temperatur des Abgasreinigungssystems wirkungsvoll zu steuern/regeln.
  • Ein Verbrennungsgasreinigungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US-A-5899063 bekannt, welche ein Reinigungssystem zeigt, das ein Verbrennungsgas einer Brennkraftmaschine einer Schiffsmaschine reinigt. Das Reinigungssystem ist in einem Abgaskanal angeordnet, welcher durch eine Wärmeübertragungsröhre umgeben ist, durch welche Wasser zum Kühlen des Katalysators strömt. Um das Risiko eines Brands zu reduzieren und es zu ermöglichen, dass die bekannte Maschine innerhalb der Reichweite von Personen angeordnet wird, ist eine das Katalysatorgehäuse umgebende Gasisolationskammer bereitgestellt, wobei die Kammer mit Abgas gefüllt ist. Der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeübertragungsrohr und dem Katalysator ist somit durch die Abgasisolationsschicht blockiert und eine Steuerung/Regelung der Katalysatortemperatur innerhalb des Betriebsbereichs ist eher langsam und ineffektiv.
  • Ferner offenbart die Druckschrift DE-A-197 46 658 ein Verbrennungsgasreinigungssystem, in welchem ein Vorkatalysator und ein Hauptkatalysator nacheinander in einem Abgaskanal angeordnet sind. Um die Temperatur beider Katalysatoren innerhalb eines vorbestimmten Betriebsbereichs zu steuern/regeln, umfasst das System gemäß der D2 einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher, welche stromaufwärts des Vorkatalysators bzw. des Hauptkatalysators angeordnet sind. Beide Wärmetauscher sind durch eine gewendelte Wärmeübertragungsröhre gebildet, durch welche ein Betriebsmedium mit einer steuer-/regelbaren Geschwindigkeit strömt.
  • Ferner offenbart die Druckschrift US-A-3236044 ein Heizungssystem für Kraftfahrzeuge, welches einen Wärmeluftmantel umfasst, der einen Abgaskanal umgibt, in dem ein Katalysator angeordnet ist. Dieses Heizsystem sieht wiederum einen ringförmigen Spalt zwischen dem Katalysator und einer Innenwand des Abgaskanals vor, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad zwischen dem Katalysator und dem Wärmeluftmantel reduziert wird.
  • Ferner offenbaren die JP-A-60093110 und die JP-A-08068318 Verbrennungsgasereinigungssysteme mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauscher, welche innerhalb eines Abgaskanals stromaufwärts und stromabwärts eines katalytischen Systems in einer Entfernung von dem Katalysator angeordnet sind. Ferner ist die Verwendung einer Wärmeübertragungsröhre, welche um ein katalytisches System herum gewunden ist, um Wärme eines Katalysators wieder zu gewinnen, in der US-A-5033264 offenbart, welche ein Heizsystem für Schwimmbäder beschreibt.
  • Darin sind die Wärmeübertragungsrohre wiederum um das katalytische System herum angeordnet, wobei ein bestimmter Spalt zwischen den Wärmeübertragungsröhren und dem Katalysator belassen ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine wird dann zuerst durch das katalytische System hindurch geführt und bewegt sich dann um die Wärmeübertragungsröhrenwendeln herum, um mit einem durch die Wärmeübertragungsröhren strömenden Betriebsmedium Wärme auszutauschen.
  • Außerdem wird auf die WO-A-95/20721 und die EP-A-1033481 verwiesen, welche Abgasreinigungssysteme betreffen, die ein innerhalb eines Behälters oder eines Mantels angeordnetes katalytisches System umfassen. Der Behälter oder der Mantel kann durch Kühlwasser gekühlt werden oder durch Evakuierung isoliert werden.
  • Außerdem offenbart die JP-A-11166410 ein Verbrennungsgasereinigungssystem, welches einen innerhalb eines Abgaskanals angeordneten Verwirbelungsgenerator enthält, welcher eine Schaufel zum Erzeugen einer Verwirbelung innerhalb des Abgases enthält, um Reduktionsmittel gleichmäßig zu verteilen.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Umstände ausgeführt und es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Abgasereinigungssystem bereitzustellen, welches aktiv und effizienter die Katalysatortemperatur in einen optimalen Temperaturbereich steuern/regeln kann, ohne den Energiewirkungsgrad des gesamten Systems zu verschlechtern.
  • Ferner ist es eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es zu ermöglichen, dass von einem Abgasreinigungssystem und einem Wärmetauscher, welche in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, die bestmögliche Leistung erbracht wird.
  • Um die erste Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verbrennungsgasreinigungssystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
  • Da gemäß dieser Anordnung wenigstens ein Teil des katalytischen Systems, welches in dem das Verbrennungsgas von dem Verbrennungssystem führenden Abgaskanal vorgesehen ist, mit einem Temperatureinstellmittel zum Einstellen seiner Temperatur versehen ist, kann die Temperatur des katalytischen Systems aktiv durch das Temperatureinstellmittel, anstatt passiv über die Temperatur des Verbrennungsgases, gesteuert/geregelt werden und die Katalysatortemperatur kann somit auf geeignete Weise in den optimalen Temperaturbereich gesteuert/geregelt werden.
  • Ferner wird zusätzlich zu dieser Anordnung ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem das Temperatureinstellmittel ein Wärmetauscher ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das Temperatureinstellmittel zum Einstellen der Temperatur des katalytischen Systems ein Wärmetauscher ist, können die thermische Energie des Verbrennungsgases und die durch die katalytische Reaktion erzeugte thermische Energie effektiv wieder gewonnen werden, wodurch die Leistung des Wärmetauschers gesteigert wird.
  • Ferner wird zusätzlich zu dieser Anordnung ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem das mit dem Temperatureinstellmittel versehene katalytische System auf einer stromaufwärts-Seite des Abgaskanals angeordnet ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das mit dem Temperatureinstellmittel versehene katalytische System auf der stromaufwärts-Seite des Abgaskanals angeordnet ist, kann nach dem Starten der Brennkraftmaschine das katalytische System unter Verwendung von Verbrennungsgas hoher Temperatur ohne Bereitstellung einer speziellen Quelle thermischer Energie schnell über die Katalysatoraktivierungstemperatur erwärmt werden.
  • Ferner wird zusätzlich zu dieser Anordnung ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem das Temperatureinstellmittel auch die Temperatur eines anderen Teils des katalytischen Systems als dem einen Teil des katalytischen Systems steuert/regelt. Da gemäß diese Anordnung das Temperatureinstellmittel für den einen Teil des katalytischen Systems die Temperatur des anderen Teils des katalytischen Systems steuert/regelt, kann die Katalysatortemperatur des gesamten katalytischen Systems auf geeignete Weise innerhalb des optimalen Temperaturbereichs gesteuert/geregelt werden.
  • Ferner wird zusätzlich zu dieser Anordnung ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem ein weiteres Temperatureinstellmittel zum Einstellen der Temperatur des Verbrennungsgases in dem Abgaskanal auf einer stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems vorgesehen ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das Temperatureinstellmittel in dem Abgaskanal auf der stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems vorgesehen ist, kann die Temperatur von Verbrennungsgas hoher Temperatur durch das Temperatureinstellmittel eingestellt werden, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des katalytischen Systems die Wärmebeständigkeitstemperatur desselben übersteigt.
  • Ferner wird zusätzlich zu dieser Anordnung ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem das weitere Temperatureinstellmittel ein Wärmetauscher ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das in dem Abgaskanal auf der stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems vorgesehene weitere Temperatureinstellmittel ein Wärmetauscher ist, kann die thermische Energie von Verbrennungsgas hoher Temperatur effektiv wiedergewonnen werden, wodurch die Leistung des Wärmetauschers gesteigert wird.
  • In einem Verbrennungsgasreinigungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung sind zumindest der eine Teil des katalytischen Systems und das Temperatureinstellmittel im Kontakt miteinander angeordnet, um so Wärme miteinander austauschen zu können.
  • Da gemäß dieser Anordnung das in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnete katalytische System das Temperatureinstellmittel kontaktiert, so dass sie miteinander Wärme austauschen können, kann eine Steuerung/Regelung der Temperatur des katalytischen Systems effektiv durch das Temperatureinstellmittel durchgeführt werden, wodurch der Katalysator aktiviert und geschützt wird.
  • Zusätzlich zu dieser Anordnung wird ferner ein Verbrennungsgasreinigungssystem vorgeschlagen, in welchem wenigstens ein Teil des katalytischen Systems aus einem Metall gebildet ist und mit dem Temperatureinstellmittel an einer Kontaktstelle vereinigt ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das katalytische System aus einem Metall gebildet ist und mit dem Temperatureinstellmittel vereinigt ist, kann ein Wärmeaustausch zwischen dem katalytischen System und dem Temperatureinstellmittel extrem effizient ausgeführt werden.
  • In den oben erwähnten Aspekten 1 bis 8 entspricht eine Brennkraftmaschine 1 einer Ausführungsform dem Verbrennungssystem, ein Vorkatalysatorsystem 34 und ein Hauptkatalysatorsystem 35 einer Ausführungsform entsprechen dem katalytischen System und ein Wärmetauscher dritter Stufen H3, ein Wärmetauscher vierte Stufe H4 und ein Wärmetauscher fünfter Stufe H5 der Ausführungsform entsprechen dem Temperatureinstellmittel.
  • Um ferner die zweite Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, welche in einem Abgaskanal ein Verbrennungsgasereinigungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
  • Da gemäß dieser Anordnung das Abgasreinigungssystem und der Wärmetauscher, welche in dem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehen sind, in Kontakt miteinander angeordnet sind, so dass sie miteinander Wärme austauschen können, kann nicht nur die Reaktionswärme, welche durch das schädliche Bestandteile aus dem Abgas entfernende Abgasreinigungssystem erzeugt wird, effektiv durch den Wärmetauscher wieder gewonnen werden, wodurch die Abwärmerückgewinnungsfähigkeit maximiert wird, sondern es kann auch die Temperatur des Abgasreinigungssystems effektiv durch die Strömungsrate eines durch den Wärmetauscher strömenden Betriebsmediums gesteuert/geregelt werden, wodurch der Katalysator aktiviert und geschützt wird.
  • Zusätzlich zu dieser Anordnung wird ferner eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, in welcher ein Verwirbelungsmittel zum Verwirbeln der Strömung des Abgases auf einer stromaufwärts-Seite desjenigen Abschnitts vorgesehen ist, in welchem das Abgasreinigungssystem und der Wärmetauscher in Kontakt miteinander sind.
  • Da gemäß dieser Anordnung das Verwirbelungsmittel auf der stromaufwärts-Seite desjenigen Abschnitts vorgesehen ist, in welchem das Abgasreinigungssystem und der Wärmetauscher in Kontakt miteinander sind, wird die Strömung des Abgases verwirbelt und das Abgas kann mit dem Abgasreinigungssystem und dem Wärmetauscher gleichmäßig und ausreichend in Kontakt gebracht werden, wodurch der Abgasreinigungswirkungsgrad und der Wärmeaustauschwirkungsgrad weiter gesteigert werden.
  • Zusätzlich zu dieser Anordnung wird ferner eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, in welcher wenigstens ein Teil des Abgasreinigungssystems aus einem Metall gebildet ist und mit wenigstens einem Teil des Wärmetauschers an einer Kontaktstelle vereinigt ist.
  • Da gemäß dieser Anordnung das aus einem Metall gebildete Abgasreinigungssystem mit dem Wärmetauscher vereinigt ist, kann ein Wärmeaustausch zwischen dem Abgasreinigungssystem und dem Wärmetauscher extrem effektiv ausgeführt werden.
  • In den oben erwähnten Aspekten 9 bis 11 entsprechen Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D einer Ausführungsform dem Abgasreinigungssystem, Wärmetauscher erster Stufe H1 bis fünfter Stufe H5 der Ausführungsform entsprechen dem Wärmetauscher und das Verwirbelungsmittel entspricht einer Führungsschaufel 245 der Ausführungsform.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 bis 18 illustrieren eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 ist eine Darstellung welche die Gesamtanordnung eines Antriebssystems zeigt, welches den Rankine-Kreislauf einsetzt; 2 ist eine Darstellung, welche die Struktur eines Kraftübertragungssystems für das Antriebssystem zeigt; 3 ist ein Längsquerschnitt eines Zylinderkopfteils einer Brennkraftmaschine; 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 in 3; 5 ist ein vergrößerter Querschnitt eines wesentlichen Teils in 3; 6 ist ein Querschnitt entlang der 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 eine Darstellung, welche eine Wärmeübertragungsröhre eines Wärmetauschers vierter Stufe zeigt; 9B ist eine Ansicht von Pfeil b in 9A; 9C ist eine Ansicht von Pfeil c in 9A; 10 ist eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung eines Vorkatalysatorsystems; 11 ist eine schematische Darstellung, welche einen Wasserzuführungsweg einer Verdampfungseinrichtung zeigt; 12 ist eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer Verdampfungseinrichtung; 13 ist eine Darstellung, welche den Aufbauplan von katalytischen Systemen und Wärmetauschern in einer Ausführungsform und in Vergleichsausführungsformen zeigt; 14 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Entfernung von einem Abgasanschluss beim Kaltstart zeigt; 15 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Entfernung von dem Abgasanschluss bei hoher Temperatur zeigt; 16 ist eine Grafik, welche die Wirkung von Mehrfachwasserzuführungen erläutert; 17 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl und der Wärmeübertragungsleistung für gleichmäßige Strömung und pulsierende Strömung zeigt, und 18 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl und der Wärmeübertragungsleistung bei unterschiedlichen Abgasdrücken zeigt.
  • 19 bis 29 illustrieren eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 19 ist ein Längsquerschnitt eines Zylinderkopfteils einer Brennkraftmaschine; 20 ist ein Querschnitt eines wesentlichen Teils in 19; 21 ist eine Ansicht von der Pfeillinie 21-21 in 20; 22 ist ein Querschnitt entlang der Linie 22-22 in 20; 23 ist ein Querschnitt entlang der Linie 23-23 in 20; 24 ist eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils in 20; 25 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils 25 in 22; 26 ist ein Querschnitt entlang der Linie 26-26 in 21; 27A ist eine Darstellung, welche eine Wärmeübertragungsröhre eines Wärmetauschers vierter Stufe zeigt; 27B ist eine Ansicht von Pfeil b in 27A; 27C ist eine Ansicht von Pfeil c in 27A; 28 ist eine Darstellung in Explosionsansicht eines Metallkatalysatorsystems und eines Wärmetauschers dritter Stufe; und 29 ist eine schematische Ansicht, welche einen Wasserzuführungsweg einer Verdampfungseinrichtung zeigt.
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 18 erläutert.
  • In 1 enthält ein Abwärmewiedergewinnungssystem 2 für eine Brennkraftmaschine 1 als in einem Kraftfahrzeug eingebautes Verbrennungssystem eine Verdampfungseinrichtung 3, welche unter Verwendung von Abwärme, wie z.B. Abgas von der Brennkraftmaschine 1, als Wärmequelle Dampf mit erhöhter Temperatur und Druck, das heißt, Hochdruckdampf erzeugt; eine Expandiereinrichtung 4, welche durch Expansion des Hochdruckdampfes einen Wellenabtrieb erzeugt; eine Kondensiereinrichtung 5, welche den Dampf mit reduzierter Temperatur und reduziertem Druck, das heißt dem Niederdruckdampf, welcher aus der Expandiereinrichtung 4 nach der Expansion ausgelassen wird, verflüssigt, und eine Wasserzuführungspumpe 6, welche Wasser von der Kondensiereinrichtung 5 der Verdampfungseinrichtung 3 zuführt.
  • Wie durch Bezugnahme auf 2 deutlich ist, umfasst ein mit dem Abwärmerückgewinnungssystem 2 verbundenes Kraftübertragungssystem 121 einen Planetenradmechanismus 122, ein kontinuierlich veränderbares Riemengetriebe 123 sowie einen elektrischen Generator/Motor 124.
  • Der Planetenradmechanismus 122 enthält ein Sonnenrad 125, ein Ringrad 126, einen Planetenträger 127 und eine Mehrzahl von Planetenrädern 128, welche axial durch den Planetenträger 127 getragen sind und gleichzeitig mit dem Sonnenrad 125 und dem Ringrad 126 kämmen. Der mit einer Ausgangswelle 129 der Expandiereinrichtung 4 verbundene Planetenträger 127 kann über eine Trägerbremse 130 in Eingriff mit einem nicht gezeigten Gehäuse gelangen. Das mit einer Eingangs-/Ausgangswelle 131 des elektrischen Generators/Motors 124 verbundene Sonnenrad 125 kann über eine Sonnenradbremse 132 in Eingriff mit dem nicht gezeigten Gehäuse gelangen. Das Ringrad 126 kann über eine Ringradbremse 133 in Eingriff mit dem nicht gezeigten Gehäuse gelangen. Die Trägerbremse 130, die Sonnenradbremse 132 sowie auch die Ringradbremse 133 sind als hydraulische Bremse oder als elektromagnetische Bremse ausgebildet.
  • Der elektrische Generator/Motor 124 ist mit einer Batterie 134 verbunden, welche aufgeladen und entladen werden kann. Der elektrische Generator/Motor 124 lädt die Batterie 134, wenn er durch den Wellenabtrieb der Expandiereinrichtung 4 oder die Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, so dass er als elektrischer Generator arbeitet, und er unterstützt den Antrieb von angetriebenen Rädern durch die Brennkraftmaschine 1 oder startet die Brennkraftmaschine 1, wenn er als durch die Batterie 134 betriebener Motor arbeitet.
  • Das kontinuierlich veränderbare Riemengetriebe 123 enthält eine an einer Eingangswelle 135 vorgesehene Antriebsriemenscheibe 136, eine an einer Ausgangswelle 137 bereitgestellte Folgeriemenscheibe 138 sowie einen um die beiden Riemenscheiben 136, 138 herum gewundenen Endlosriemen 139.
  • Die Rinnenbreite der Antriebsriemenscheibe 136 und die Rinnenbreite der Folgeriemenscheibe 138 sind durch hydraulische Steuerung/Regelung oder elektrische Steuerung/Regelung individuell veränderbar. Eine Vergrößerung der Rinnenbreite der Antriebsriemenscheibe 126 und eine Verkleinerung der Rinnenbreite der Folgeriemenscheibe 138 verändern das Übersetzungsverhältnis kontinuierlich zur NIEDRIG-Seite und eine Verkleinerung der Rinnenbreite der Antriebsriemenscheibe 136 und eine Vergrößerung der Rinnenbreite der Folgeriemenscheibe 138 verändern das Übersetzungsverhältnis kontinuierlich zur HOCH-Seite.
  • Ein an dem Ringrad 126 des Planetenradmechanismus 122 bereitgestelltes Antriebsrad 140 kämmt mit einem an der Eingangswelle 135 des kontinuierlich veränderbaren Riemengetriebes 123 bereitgestellten angetriebenen Rad 141. Der Wellenabtrieb der Brennkraftmaschine 1 wird auf ein Getriebe 143 über eine Ausgangswelle 142 übertragen und die Ausgabe von dem Getriebe 143 wird auf nicht dargestellte angetriebene Räder übertragen. Ein an der Ausgangswelle 137 bereitgestelltes Antriebsrad 144 des kontinuierlich veränderbaren Riemengetriebes 123 kämmt mit einem an der Ausgangswelle 142 der Brennkraftmaschine 1 bereitgestellten angetriebenen Rad 145.
  • Drehmomentbegrenzer 146, 147 sind an der Ausgangswelle 129 der Expandiereinrichtung 4 bzw. an der Eingangs-/Ausgangswelle 131 des elektrischen Generators/Motors 124 bereitgestellt. Die Drehmomentbegrenzer 146, 147 rutschen, wenn an die Expandiereinrichtung 4 oder an den elektrischen Generator/Motor 124 ein Drehmoment angelegt wird, welches gleich oder größer einem vorbestimmten Wert ist, wodurch die Erzeugung einer übermäßigen Belastung verhindert wird. Die Drehmomentbegrenzer 146, 147 können durch Kupplungen ersetzt werden, welche ausrücken, wenn ein Überlastungsdrehmoment erzeugt wird, welches gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist. Eine Kupplung 148 ist an der Ausgangswelle 137 des kontinuierlich veränderbaren Riemengetriebes 123 vorgesehen. Die Kupplung 148 ist dafür vorgesehen zu verhindern, dass eine Überlastung aufgrund einer Rückübertragung der Antriebskraft von der Brennkraftmaschine 1 oder von den angetriebenen Rädern auf die Expandiereinrichtung 4 wirkt, und sie stellt eine Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine 1 und der Expandiereinrichtung 4 bereit, wenn sie eingerückt ist, und trennt die Brennkraftmaschine 1 von der Expandiereinrichtung 4, wenn sie ausgerückt ist.
  • Wenn das Sonnenrad 125 durch den Eingriff der Sonnenradbremse 132 des Planetenradmechanismus 122 festgehalten ist, so werden der Planetenträger 127 und das Ringrad 126 jeweils ein Eingabeelement oder ein Ausgabeelement; eine von der Expandiereinrichtung 4 in den Planetenträger 127 eingegebene Antriebskraft wird an das Ringrad 126 ausgegeben und dann von dort über das Antriebsrad 140, das angetriebene Rad 141, das kontinuierlich veränderbare Riemengetriebe 123, das Antriebsrad 144 und das angetriebene Rad 145 an die Ausgangswelle 142 der Brennkraftmaschine 1 übertragen und der Wellenabtrieb der Expandiereinrichtung 4 kann somit den Wellenabtrieb der Brennkraftmaschine 1 unterstützen. Wenn andererseits eine Antriebskraft auf dem zum oben genannten Weg umgekehrten Weg übertragen wird, wenn die Expandiereinrichtung 4 gestartet wird, so kann der Wellenabtrieb der Brennkraftmaschine 1 die Expandiereinrichtung 4 problemlos starten.
  • Wenn das Ringrad 126 durch den Eingriff der Ringradbremse 133 des Planetenradmechanismus 122 festgehalten wird, so wird jeweils die Expandiereinrichtung 4 sowie auch der elektrische Generator/Motor 124 ein Eingabeelement und ein Ausgabeelement. Eine von der Expandiereinrichtung 4 in den Planetenträger 127 eingegebene Antriebskraft wird über das Sonnenrad 125 an den elektrischen Generator/Motor 124 ausgegeben, so dass die Funktion des elektrischen Generators/Motors 124 als elektrischer Generator ermöglicht wird und somit die Batterie 134 aufgeladen wird. Wenn andererseits eine Antriebskraft auf dem zum oben genannten Weg umgekehrten Weg übertragen wird, wenn die Expandiereinrichtung 4 gestartet wird, so kann der Wellenabtrieb des elektrischen Generators/Motors 124, welcher als ein Motor wirkt, die Expandiereinrichtung 4 problemlos starten.
  • Wenn der Planetenträger 127 durch den Eingriff der Trägerbremse 130 des Planetenradmechanismus 122 festgehalten wird, so werden das Sonnenrad 125 sowie auch das Ringrad 126 jeweils ein Eingabeelement oder ein Ausgabeelement. Eine von dem als Motor wirkenden elektrischen Generator/Motor 124 in das Sonnenrad 125 eingegebene Antriebskraft wird daher von dem Ringrad 126 ausgegeben, wird von dort über das Antriebsrad 140, das angetriebene Rad 141, das kontinuierlich veränderbare Riemengetriebe 123, das Antriebsrad 144 und das angetriebene Rad 145 auf die Ausgangswelle 142 der Brennkraftmaschine 1 übertragen und unterstützt den Wellenabtrieb der Brennkraftmaschine 1 oder startet die Brennkraftmaschine 1. Andererseits ermöglicht es die Übertragung des Wellenabtriebs der Brennkraftmaschine 1 zum elektrischen Generator/Motor 124 über die Umkehrung zum oben genannten Weg, dass der elektrische Generator/Motor 124 als elektrischer Generator wirkt, wodurch die Batterie 134 aufgeladen wird.
  • Die Struktur der Verdampfungseinrichtung 3 des Abwärmerückgewinnungssystems 2 für die Brennkraftmaschine 1 wird nun im Detail unter Bezugnahme auf 3 bis 12 erläutert.
  • Wie in 3 bis 8 gezeigt ist, enthält die Reihen-drei-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 einen Zylinderblock 11, einen Zylinderkopf 12 und eine Kopfabdeckung 13, welche aufeinander geschichtet sind, und Kolben 15 sind verschiebbar in drei in dem Zylinderblock 11 ausgebildete Zylinderbohrungen eingesetzt. Von Einlassanschlüssen 17 und Abgasanschlüssen 18, welche mit drei zugeordneten, in dem Zylinderkopf 12 ausgebildeten Verbrennungskammern 16 in Verbindung stehen, sind die Einlassanschlüsse 17, wie herkömmlich, in den Zylinderkopf 12 gebohrt, während jedoch die Abgasanschlüsse 18 aus einem separaten Bauteil gebildet sind und mit dem Zylinderkopf 12 verbunden sind.
  • Das obere Ende einer Stange 21 eines Einlassventils 20, welches ein Einlassventilloch 19 öffnet und schließt, stößt gegen ein Ende eines Einlasskipphebels 23, welcher an einer Einlasskipphebelwelle 22 drehbar gelagert ist, und das obere Ende einer Stange 26 eines Auslassventils 25, welches ein Auslassventilloch 24 öffnet und schließt, stößt gegen ein Ende eines Auslasskipphebels 23, welcher an einer Auslasskipphebelwelle 27 drehbar gelagert ist. Das andere Ende des Einlasskipphebels 26 und das andere Ende des Auslasskipphebels 28 stoßen gegen einen Einlassnocken 30 bzw. einen Auslassnocken 31, welche jeweils an einer Nockenwelle 29 vorgesehen sind, welche sich in Zuordnung mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle dreht, wodurch das Einlassventil 20 und das Auslassventil 25 geöffnet und geschlossen werden.
  • An der Seitenfläche des Zylinderkopfs 12 ist an der Auslassseite die Verdampfungseinrichtung 3 vorgesehen, welche Dampf mit erhöhter Temperatur und mit erhöhtem Druck (das heißt Hochdruckdampf), unter Verwendung des Abgases der Brennkraftmaschine 1 als Wärmequelle erzeugt. Die Verdampfungseinrichtung 3 enthält einen Abgaskanal 33, welcher die drei Abgasanschlüsse 18 als Basisende aufweist und zu einem Abgasrohr 32 verläuft, drei Vorkatalysatorsysteme 34 und drei Hauptkatalysatorsysteme 35, welche in dem Abgaskanal 33 angeordnet sind, sowie Wärmetauscher H1 bis H5, welche einen Wärmeaustausch mit dem in dem Abgaskanal 33 strömenden Abgas ausführen.
  • Jeder der Abgasanschlüsse 18 ist mit einem Teil mit gleichmäßigem Durchmesser 18a, welches auf der stromaufwärts-Seite der Strömung des Abgases angeordnet ist und einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist, und einem Teil mit zunehmendem Durchmesser 18b gebildet, welches so vorgesehen ist, dass es mit der stromabwärts-Seite des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 18a verbunden ist und einen trompetenförmig zunehmenden Durchmesser aufweist. Der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 ist um den Außenumfang des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 18a herum vorgesehen und der Wärmetauscher vierter Stufe H4 ist innerhalb des Teils mit zunehmendem Durchmesser 18b vorgesehen. Der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 ist aus ungefähr fünf Windungen einer einzelnen Wärmeübertragungsröhre 37 gebildet, welche um den Außenumfang des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 18a gewickelt ist. Der Wärmetauscher vierter Stufe H5 ist aus mehreren Windungen einer einzelnen Wärmeübertragungsröhre 38 gebildet, welche innerhalb des Teils mit zunehmendem Durchmesser 18b untergebracht ist, und die Wärmeübertragungsröhre 37 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5 verläuft durch eine in dem Abgasanschluss 18 ausgebildete Öffnung (nicht gezeigt) und setzt die Wärmeübertragungsröhre 38 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 fort.
  • Wie durch Bezugnahme auf 9A bis 9C deutlich ist, ist die Wärmeübertragungsröhre 38 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 in einer Dreifachwendelform aufgewickelt, welche sich verjüngt, so dass sie der Form des Inneren des Teils mit zunehmendem Durchmesser 18b des Abgasanschlusses 18 folgt. Die Wendel in der inneren Schicht ist von hinten (linke Seite der Figur) nach vorne (rechte Seite der Figur) gewickelt, wobei dabei der Durchmesser abnimmt, und ist am vorderen Ende zurückgebogen. Daran schließt sich die Wendel in der mittleren Schicht an, welche von vorne nach hinten gewickelt ist, wobei ihr Durchmesser zunimmt, und am hinteren Ende zurückgebogen ist. Daran schließt sich die Wendel in der äußeren Schicht an, welche von hinten nach vorne gewickelt ist, wobei ihr Durchmesser abnimmt. Ein in 9B gezeigter Wassereinlass ist mit dem Wärmetauscher dritter Stufe H3 verbunden, welcher sich an der stromaufwärts-Seite befindet und später beschrieben wird, und ein in 9C gezeigter Wasserauslass ist mit der Wärmeübertragungsröhre 37 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5 verbunden, welcher sich auf der stromabwärts-Seite befindet. Die in 9A gezeigten eingekreisten Bezugszeichen zeigen den Weg, über welchen Wasser durch die Wärmeübertragungsröhre 38 strömt.
  • Das Wickeln der Wärmeübertragungsröhre 38 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 in einer Dreifachwendelform, welche sich derart verjüngt, dass sie der Form des inneren des Teils mit zunehmendem Durchmesser 18b des Abgasanschlusses 18 folgt, ermöglicht es, einen Gleichrichtungseffekt des durch den Teil mit zunehmendem Durchmesser 18b strömenden Abgases zu erhalten, was zu einer Reduzierung des Zirkulationswiderstands beiträgt.
  • Wie am deutlichsten in 7 und 8 gezeigt ist, ist ein ringförmiges Verteilungskanalbildungselement 41 integral an dem hinteren Ende des Teils mit zunehmendem Durchmesser 18b des Abgasanschlusses 18 ausgebildet und durch Verbinden eines separaten ringförmigen Verteilungskanalbildungselements 42 mit der Rückseite des Verteilungskanalbildungselements 41 wird ein dritter kreisförmiger Verteilungskanal 43 zwischen den beiden Verteilungskanalbildungselementen 41, 42 ausgebildet. Das stromaufwärts-Ende der Wärmeübertragungsröhre 38 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 ist mit dem dritten kreisförmigen Verteilungskanal 43 verbunden.
  • Das vordere Ende eines zylindrischen Gehäuses 44, welches den Außenumfang des Vorkatalysatorsystems 34 abdeckt, ist mit dem Verteilungskanalbildungselement 42 verbunden und ein zweiter kreisförmiger Verteilungskanal 47 ist zwischen zwei ringförmigen Verteilungskanalbildungselementen 45, 46 ausgebildet, welche miteinander überlagert sind und mit dem hinteren Ende des zylindrischen Gehäuses 44 verbunden sind. Das Vorkatalysatorsystem 34 und der Wärmetauscher dritter Stufe H3 sind innerhalb des zylindrischen Gehäuses 44 angeordnet.
  • Das Vorkatalysatorsystem 34 enthält sieben Schichten eines Katalysatorträgers 48, welche aus einem Metall in Honigwabenplatten ausgebildet sind und auf deren Oberfläche ein bekannter Abgasreinigungskatalysator getragen ist. Der Wärmetauscher dritter Stufe H3, welcher innerhalb des zylindrischen Gehäuses 44 derart angeordnet ist, dass er die sieben Katalysatorträgerschichten 48 umgibt, ist aus zwei gebogenen Wärmeübertragungsröhren 49, 49 (siehe 10) gebildet. Jede der Wärmeübertragungsröhren 49, 49 ist zickzackförmig innerhalb einer kreisförmigen Ebene gebogen, verläuft dann zur nächsten Ebene, welche davon durch einen Teilungsabstand in axialer Richtung getrennt ist, und ist in gleicher Zickzackform gebogen, wobei dies wiederholt wird, um eine zylindrische äußere Form mit einer Mehrzahl von Teilungsabständen bereitzustellen. Die sieben Katalysatorträgerschichten 40 sind innerhalb des inneren Raums untergebracht, welcher durch Verflechten der beiden Wärmeübertragungsröhren 49, 49 miteinander gebildet ist. Die beiden Wärmeübertragungsröhren 49, 49 sind hier derart integriert, dass sie in engem Kontakt mit der Oberfläche der sieben Katalysatorschichten 48 stehen. Die stromaufwärts-Enden der beiden Wärmeübertragungsröhren 49, 49 sind mit dem zweiten kreisförmigen Verteilungskanal 47 verbunden, der zwischen den Verteilungskanalbildungselementen 45, 46 gebildet ist, und die stromabwärts-Enden der selben sind mit dem dritten kreisförmigen Verteilungskanal 43 verbunden, der zwischen den Verteilungskanalbildungselementen 41, 42 gebildet ist.
  • Zwei zylindrische Gehäuse 50, 51 sind coaxial außen in radialer Richtung des zylindrischen Gehäuses 44 des Vorkatalysatorsystems 34 angeordnet und der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 ist in ringförmiger Form zwischen den beiden zylindrischen Gehäusen 50, 51 angeordnet. Der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 ist aus einer großen Anzahl von in Wendelform in einer Richtung gewickelten Wärmeübertragungsröhren 52 und einer großen Anzahl von in Wendelform in der anderen Richtung gewickelten Wärmeübertragungsröhren 53 gebildet, wobei die Röhren 52, 53 abwechselnd angeordnet sind, so dass Teile der selben miteinander vermascht sind, wodurch die Anordnungsdichte der Wärmeübertragungsröhren 52, 53 innerhalb des Raums vergrößert wird. Der Außenumfang des Vorkatalysatorsystems 34 ist somit von den Wärmeübertragungsröhren 52, 53 umgeben.
  • Ein erster kreisförmiger Verteilungskanal 56 ist zwischen einem an dem vorderen Ende des zylindrischen Gehäuses 50 an der Außenseite befestigten Verteilungskanalbildungselement 54 und einem mit der Vorderseite des Verteilungskanalbildungselements 54 verbundenen Verteilungskanalbildungselement 55 ausgebildet. Die stromaufwärts-Enden der Wärmeübertragungsröhren 52, 53 sind mit dem ersten kreisförmigen Verteilungskanal 56 verbunden und die stromabwärts-Enden der Wärmeübertragungsröhren 52, 53 sind mit dem zweiten kreisförmigen Verteilungskanal 47 verbunden.
  • Die drei Vorkatalysatorsysteme 34 sind durch eine pressgeformte Metallplatten-Montageplatte 57 in einer Einheit kombiniert und an dem Zylinderkopf 12 befestigt. Drei Öffnungen 57a sind in der Montageplatte 57 ausgebildet und das Verteilungskanalbildungselement 41 eines jeden der Teile mit zunehmendem Durchmesser 18b der drei Abgasanschlüsse 18 ist integral an der zugeordneten Öffnung 57a befestigt. Ein ovalförmiger Flansch 58, welcher an dem äußeren Rand der Montageplatte 57 befestigt ist, ist durch 16 Bolzen 59 an dem Zylinderkopf 12 befestigt.
  • Die drei Hauptkatalysatorsysteme 35 sind an der Rückseite der drei Vorkatalysatorsysteme 34 angeordnet. Die Hauptkatalysatorsysteme 35 sind dadurch gebildet, dass ein Katalysator an der Oberfläche von Katalysatorträgern 60 getragen ist, die eine insgesamt in zylindrischer Form ausgebildete Honigwabenstruktur aufweisen, und dass dicke Ringelemente 61 um deren Außenumfänge herum angebracht sind. Die Hauptkatalysatorsysteme 35 weisen einen größeren Durchmesser auf als die Vorkatalysatorsysteme 34 und die Hauptkatalysatorsysteme 35 sind in innere Schichtteile 35a, welche den gleichen Durchmesser wie die Vorkatalysatorsysteme 34 aufweisen, und äußere Schichtteile 35b, welche über die Ränder der Vorkatalysatorsysteme 34 nach außen vorstehen, unterteilt. Um gegenüberliegende Teile der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Hauptkatalysatorsysteme 35 abzudichten, liegen Dichtelemente 63, welche an der Rückseite des Verteilungskanalbildungselements 46 getragen sind, über Federn 62 elastisch an den Vorderseiten der Hauptkatalysatorsysteme 35 an. Endkappen 65 sind über Federn 64 an den hinteren Enden der Ringelemente 61 an den Außenumfängen der Hauptkatalysatorsysteme 35 getragen. Die Rückseiten der drei Endkappen 65 liegen an Vorsprüngen 66a an, welche an der Vorderseite eines später zu beschreibenden Innenwandelements 66 vorgesehen sind, und werden nach vorne gedrückt.
  • Die Außenseiten der drei Vorkatalysatorsysteme 34 und der drei Hauptkatalysatorsysteme 35 sind mit einer abnehmbaren gemeinsamen Abdeckung 71 abgedeckt. Die Abdeckung 71 enthält ein plattenförmiges Verteilungskanalbildungselement 72 mit einem Montageloch 72a für das Abgasrohr 32 in seiner Mitte und ein dreifach ringförmiges Verteilungskanalbildungselement 73, welches mit der Vorderseite des Verteilungskanalbildungselements 72 verbunden ist. Ein erster dreifach ringförmiger Verteilungskanal 74 ist zwischen den beiden Verteilungskanalbildungselementen 72, 73 ausgebildet. Ein radial außen angeordnetes röhrenförmiges Element 75 und ein radial innen angeordnetes röhrenförmiges Element 76 verlaufen mit einem geringfügigen Zwischenraum dazwischen von dem dreifach ringförmigen Verteilungskanalbildungselement 73 aus nach vorne und ein an dem Vorderende des äußeren röhrenförmigen Elements 75 vorgesehener ovaler Flansch 77 ist mit dem Flansch 58 überlagert und diese sind miteinander über die Bolzen 59 befestigt.
  • Ein dreifach ringförmiges Verteilungskanalbildungselement 78 ist am vorderen Ende des inneren röhrenförmigen Elements 76 befestigt und ein zweiter dreifach ringförmiger Verteilungskanal 80 ist dadurch gebildet, dass mit der Vorderseite des Verteilungskanalbildungselements 78 ein Verteilungskanalbildungselement 79 von im Wesentlichen gleicher Form verbunden ist. Der erste dreifach ringförmige Verteilungskanal 74 und der zweite dreifach ringförmige Verteilungskanal 80 weisen identische Form auf und sind einander in der Richtung von vorne nach hinten zugewandt. Das Topf-förmige Innenwandelement 66 ist innerhalb der Abdeckung 71 untergebracht und der Wärmetauscher erster Stufe H1 ist zwischen dem Außenumfang des Innenwandelements 66 und dem Innenumfang des inneren röhrenförmigen Elements 76 angeordnet.
  • Der Wärmetauscher erster Stufe H1 weist eine ähnliche Struktur auf wie die des Wärmetauschers zweiter Stufe H2. Eine große Anzahl von Wärmeübertragungsröhren 81, welche in Wendelform in einer Richtung gewickelt sind, und eine große Anzahl von Wärmeübertragungsröhren 82, welche in Wendelform in der anderen Richtung gewickelt sind, sind abwechselnd angeordnet, so dass Teile der selben miteinander vermascht sind, und diese Wärmeübertragungsröhren 81, 82 umgeben die Außenumfänge der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 und die Außenumfänge der Hauptkatalysatorsysteme 35. Die stromaufwärts-Enden der Wärmeübertragungsröhren 81, 82 sind mit dem ersten dreifach ringförmigen Verteilungskanal 74 verbunden und die stromabwärts-Enden derselben sind mit dem zweiten dreifach ringförmigen Verteilungskanal 80 verbunden.
  • Die Materialien der Wärmeübertragungsröhren 37 der Wärmetauscher fünfter Stufe H5, die Wärmeübertragungsröhren 38 der Wärmetauscher vierter Stufe H4, die Wärmeübertragungsröhren 49 der Wärmetauscher dritter Stufe H3, die Wärmeübertragungsröhren 52, 53 der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 und die Wärmeübertragungsröhren 81, 82 des Wärmetauschers erster Stufe H1 sind vorzugsweise ein wärmeresistenter rostfreier Stahl (Austenit-Typ, wie SUS 316L oder SUS 310S, Ferrit-Typ, wie SUS 430 oder SUS 444) oder eine wärmebeständige Legierung auf Nickelbasis. Das Verbinden der Wärmeübertragungsröhren wird vorzugsweise durch Hartlöten oder mechanische Zwängung durchgeführt.
  • Bezüglich der Katalysatorträger 48 für die Vorkatalysatorsysteme 34 werden ferner wärmebeständiger rostfreier Stahl (z.B. rostfreier Stahl vom Ferrit-Typ mit 20 Gew.-% Cr und 5 Gew.-% Al) oder eine wärmebeständige Legierungsfolie auf Nickelbasis (Dicke 0,1 mm oder darunter) bevorzugt und hinsichtlich der Katalysatorträger 60 für die Hauptkatalysatorsysteme 35 wird Cordylit bevorzugt.
  • Wie unter Bezugnahme auf 11 deutlich ist, ist ein Wassereinlass 83, welchem Wasser als Quelle von Hochdruckdampf eingeleitet wird, in einem mittleren Teil des ersten dreifach ringförmigen Verteilungskanals 74 vorgesehen, welcher mit dem zweiten dreifach ringförmigen Verteilungskanal 80 über eine große Anzahl von Wärmeübertragungsröhren 81, 82 des Wärmetauschers erster Stufe H1 in Verbindung steht, die derart angeordnet sind, dass sie die Außenumfänge der drei Hauptkatalysatorsysteme 35 umgeben, und der zweite dreifach ringförmige Verteilungskanal 80 steht mit den drei ersten kreisförmigen Verteilungskanälen 56 über zwei abnehmbare Anschlussstücke 84 in Verbindung.
  • Die drei ersten kreisförmigen Verteilungskanäle 56 stehen mit den drei zweiten kreisförmigen Verteilungskanälen 74 über die Wärmeübertragungsröhren 52, 53 der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 in Verbindung, welche so angeordnet sind, dass sie die Außenumfänge der drei Vorkatalysatorsysteme 34 umgeben, und jeder dieser drei zweiten kreisförmigen Verteilungskanäle 74 steht mit dem entsprechenden der drei dritten kreisförmigen Verteilungskanäle 43 über zwei der Wärmeübertragungsröhren 49 der Wärmetauscher dritter Stufe H3 in Verbindung, die innerhalb der drei Vorkatalysatorsysteme 34 angeordnet sind. Jeder der drei dritten kreisförmigen Verteilungskanäle 43 setzt sich fort durch eine der Wärmeübertragungsröhren 38 der Wärmetauscher vierte Stufe H4, welche innen durch die drei Abgasanschlüsse 18 hindurch verlaufen, und durch eine der Wärmeübertragungsröhren 37 der Wärmetauscher fünfter Stufe H5, welche außen um die drei Abgasanschlüsse 18 herum verlaufen, und sie werden dann durch ein Anschlussstück 85 miteinander kombiniert und der Expandiereinrichtung 4 in einer nachfolgendenn Stufe von einem Wasserauslass 86 aus zugeführt.
  • Wasser, welches von einem Strommittenwassereinlass 87 aus zugeführt wird, verzweigt in einem Verteiler 88 in drei Richtungen, wobei ein Teil davon in der Strommitte den drei ersten kreisförmigen Verteilungskanälen 56 über die Anschlussstücke 84 zugeführt wird, ein Teil davon in der Strommitte den drei zweiten kreisförmigen Verteilungskanälen 47 zugeführt wird und ein Teil davon in der Strommitte den drei dritten kreisförmigen Verteilungskanälen 43 zugeführt wird.
  • Während auf diese Weise das von dem Wassereinlass 83 zugeführte Wasser über den Wärmetauscher erster Stufe H1 → die Wärmetauscher zweiter Stufe H2 → die Wärmetauscher dritter Stufe H3 → die Wärmetauscher vierter Stufe H4 → die Wärmetauscher fünfter Stufe H5 zu dem Wasserauslass 86 fließt, tauscht es mit Abgas, welches aus der Brennkraftmaschine 1 austritt und in eine Richtung fließt, die der Wasserströmung entgegengesetzt ist, Wärme aus, wobei das Wasser zu Dampf wird.
  • Das bedeutet, dass das aus der Brennkraftmaschine 1 austretende Abgas, während es durch die Teile mit gleichmäßigem Durchmesser 18a der drei Abgasanschlüsse 18 hindurchströmt, mit den Wärmetauschern fünfter Stufe H5, welche aus den um die Außenumfänge der Teile mit gleichmäßigem Durchmesser 18a herum gewickelten Wärmeübertragungsröhren 37 gebildet sind, Wärme austauscht. Das Abgas, welches aus den Teilen mit gleichmäßigem Durchmesser 18a der Abgasanschlüsse 18 in die Teile mit zunehmendem Durchmesser 18b geströmt ist, tauscht durch direkten Kontakt mit den Wärmetauschern vierter Stufe H4, welche aus den in dreifacher Wendelform gewickelten und in den Teilen mit zunehmendem Durchmesser 18b untergebrachten Wärmeübertragungsröhren 38 gebildet sind, Wärme aus. Das Abgas strömt von den Abgasanschlüssen 18 aus durch das Innere der sieben Katalysatorträger 48 eines jeden der drei Vorkatalysatorsysteme 34 hindurch, um seine schädlichen Bestandteile zu entfernen, und tauscht an diesen Punkt mit den Wärmetauschern dritter Stufe H3, welche aus den die Umfänge der Katalysatorträger 48 umgebenden Wärmeübertragungsröhren 49 gebildet sind, Wärme aus.
  • Das Abgas, welches durch die drei Vorkatalysatorsysteme 34 geströmt ist, strömt durch die Innenschichtteile 35a der drei Hauptkatalysatorsysteme 35 von vorne nach hinten, wird dann durch die Endkappen 65 geblockt und vollführt eine Kehrtwendung und strömt durch die Außenschichtteile 35b der Hauptkatalysatorsysteme 35 von hinten nach vorne. Während dieser Phase werden schädliche Bestandteile in dem Abgas durch die Hauptkatalysatorsysteme 35 entfernt. Das aus den Hauptkatalysatorsystemen 35 austretende Abgas tauscht Wärme aus, während es von hinten nach vorne durch die Wärmetauscher zweiter Stufe H2 strömt, welche aus den zwischen den Paaren von zylindrischen Gehäusen 50, 51 angeordneten Wärmeübertragungsröhren 52, 53 gebildet sind, ähndert dann seine Richtung um 180°, tauscht Wärme aus, während es von vorne nach hinten durch den Wärmetauscher erster Stufe H1 strömt, welcher aus den zwischen dem röhrenförmigen Element 76 und dem Innenwandelement 66 angeordneten Wärmeübertragungsröhren 81, 82 gebildet ist, und wird schließlich durch das Montageloch 72a des Verteilungskanalbildungselements 72 in das Abgasrohr 32 ausgelassen.
  • Der Vorgang zum Zusammenbau der Verdampfungseinrichtung 3 mit der oben erwähnten Struktur wird hauptsächlich durch Bezugnahme auf 12 erläutert.
  • Zunächst ist in dem Zylinderkopf 12 ein Unteraufbau montiert, welcher integral gebildet ist aus den drei Abgasanschlüssen 18, an welchen die Wärmetauscher vierter Stufe H4 und die Wärmetauscher fünfter Stufe H5 vormontiert sind, und den drei Vorkatalysatorsystemen 34, an welchen die Wärmetauscher zweiter Stufe H2 und die Wärmetauscher dritter Stufe H3 vormontiert sind. Das bedeutet, dass die in den drei Abgasanschlüssen 18 vorgesehenen Verteilungskanalbildungselemente 41 integral an den drei Öffnungen 57a der plattenförmigen Montageplatte 57 befestigt sind und der an dem äußeren Rand der Montageplatte 57 befestigte ovalförmige Flansch 58 ist an dem Zylinderkopf 12 positioniert.
  • Anschließend werden die drei Hauptkatalysatorsysteme 35 von hinten zu den drei Vorkatalysatorsystemen 34 gebracht und die Außenumfänge an den vorderen Enden der Ringelemente 61 an den Außenumfängen der Hauptkatalysatorsysteme 35 werden an den Außenumfängen am hinteren Ende der zylindrischen Gehäuse 50 der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 angebracht. An diesem Punkt liegen die an den Rückseiten der Verteilungskanalbildungselemente 46 gehaltenen Dichtelemente 63 über die Federn 62 elastisch an den Vorderseiten der Hauptkatalysatorsysteme 35 an (siehe 4).
  • Anschließend wird die Abdeckung 71 nach vorne bewegt, um die Außenumfänge der drei Hauptkatalysatorsysteme 35 und die drei Wärmetauscher zweiter Stufe H2 mit dem dreifach ringförmigen Wärmetauscher erster Stufe H1, in welchem drei Kreise in lateraler Richtung versetzt und miteinander überlagert sind, abzudecken, und der an dem röhrenförmigen Element 75 bereitgestellte Flansch 77 der Abdeckung 71 wird an der Rückseite des Flansches 58 der Montageplatte 57 überlagert und mit dem Zylinderkopf 12 durch 16 Bolzen 59 verbunden. An diesem Punkt drücken Vorsprünge 66a des Innenwandelements 66 innerhalb der Abdeckung 71 die Endkappen 65 der Hauptkatalysatorsysteme 35 nach vorne, um so die Federn 64 zwischen den an den Außenumfängen der Endkappen 65 vorgesehenen Federsitzen 67 und den an den hinteren Enden der Ringelemente 61 an den Außenumfängen der Hauptkatalysatorsysteme 35 vorgesehenen Federsitzen 68 zusammenzudrücken (siehe 4).
  • Da, wie zuvor beschrieben, der Zusammenbau derart ausgeführt wird, dass ein geringfügiger Zwischenraum in radialer Richtung zwischen einem die Vorkatalysatorsysteme 34 und die Hauptkatalysatorsysteme 35 enthaltenden Innenschichtteil und der Abdeckung 71, welche ein die Außenumfänge derselben abdeckendes Außenschichtteil ist, belassen ist, kann eine thermische Ausdehnung derselben in radialer Richtung aufgenommen werden. Da ferner die Hauptkatalysatorsysteme 35 elastisch durch die Federn 62 und 64 zwischen den Rückseiten der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Vorderseite des Innenwandelements 66 der Abdeckung 71 gehalten sind, kann eine thermische Ausdehnung der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Hauptkatalysatorsysteme 35 in axialer Richtung aufgenommen werden.
  • Schließlich sind die drei ersten kreisförmigen Verteilungskanäle 56 jeweils mit dem zweiten dreifach ringförmigen Verteilungskanal 80 am vorderen Ende der Abdeckung 71 über die Anschlussstücke 84 verbunden und die drei von dem Abgasanschlüssen 18 aus verlaufenden Wärmeübertragungsröhren 37 der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 sind durch das Anschlussstück 85 miteinander kombiniert, um so den Zusammmenbau der Verdampfungseinrichtung 3 fertig zu stellen.
  • Es sollte hier angemerkt werden, dass, wie in 13 gezeigt, in der vorliegenden Ausführungsform P-1 ein katalytisches System zum Reinigen eines Abgases in die Vorkatalysatorsysteme 34 auf der stromaufwärts-Seite und die Hauptkatalysatorsysteme 35 auf der stromabwärts-Seite unterteilt ist, wobei die Wärmetauscher vierter Stufe H4 und die Wärmetauscher fünfter Stufe H5 auf der stromaufwärts-Seite der Strömung des Abgases der Vorkatalysatorsysteme 34 angeordnet sind und der Wärmetauscher erster Stufe H1 und die Wärmetauscher zweiter Stufe H2 auf der stromabwärts-Seite der Strömung des Abgases der Hauptkatalysatorsysteme 35 angeordnet sind. Wie zuvor beschrieben wurde, sind die Wärmetauscher dritter Stufe H3 innerhalb der Vorkatalysatorsysteme 34 untergebracht.
  • Andererseits enthält das Vergleichsbeispiel C-0 weder ein katalytisches System, noch einen Wärmetauscher, Vergleichsbeispiel C-1 enthält lediglich einen Hauptkatalysator, Vergleichsbeispiel C-2 enthält ein Hauptkatalysatorsystem als die einem Vorkatalysatorsystem folgende Stufe und Vergleichsbeispiel C-3 enthält Wärmetauscher sowohl als Stufe vor als auch als Stufe nach einem Hauptkatalysatorsystem.
  • 14 zeigt die Veränderung der Temperatur des Abgases von der Stromaufwärts-Seite zur Stromabwärts-Seite (L0→L1→L2→L3→L4→L5) während einer Kaltperiode unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine 1. Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform P-1 die Vorkatalysatorsysteme 34 auf der stromaufwärts-Seite des Abgaskanals 33 angeordnet sind und die Kapazität der Vorkatalysatorsysteme 34 gering ist, kann die Temperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 sogar während der Kaltperiode schnell auf die Katalysatoraktivierungstemperatur oder darüber angehoben werden, wodurch schädliche Bestandteile in dem Abgas wirkungsvoll reduziert werden.
  • Obwohl die Abgasreinigungsleistung mit lediglich den Vorkatalysatorsystemen 34 mit geringer Kapazität unzureichend wäre, kann ferner die Anordnung der Hauptkatalysatorsysteme 35 mit großer Kapazität auf deren stromabwärts-Seite die Abgasreinigungsleistung der Vorkatalysatorsysteme 34 mit geringer Kapazität adäquat ausgleichen. Da ferner die Richtung der Strömung des Abgases für die Innenschichtteile 35a und die Außenschichtteile 35b der Hauptkatalysatorsysteme 35 entgegengesetzt zueinander ist, nimmt ferner die Temperatur des Abgases, wenn dieses zuerst durch die Innenschichtteile 35a der Hauptkatalysatorsysteme 35 strömt, aufgrund der katalytischen Reaktion zu, das Abgas mit erhöhter Temperatur wird den Außenschichtteilen 35b der Hauptkatalysatorsysteme 35 zugeführt und wenn das Abgas um 180° gedreht wird, werden schädliche Bestandteile in dem Abgas effektiv durchmischt, wodurch die katalytische Reaktion in den Außenschichtteilen 35b gefördert wird, und auf diese Weise wird die Gesamtabgasreinigungsleistung der Hauptkatalysatorsysteme 35 gesteigert. Ferner ist das Abgas in den Innenschichtteilen 35a durch das Abgas in den Außenschichtteilen 35b überdeckt, wodurch thermische Verluste verhindert werden und somit jegliche Verschlechterung des Wärmeaustauschwirkungsgrads verhindert wird.
  • 15 zeigt die Veränderung der Temperatur des Abgases von der stromaufwärts-Seite zur stromabwärts-Seite, wenn die Brennkraftmaschine 1 bei hoher Temperatur betrieben wird. Obwohl die Möglichkeit einer Schädigung aufgrund der Einwirkung von Abgas mit hoher Temperatur besteht, da die Vorkatalysatorsysteme 34 nahe der Abgasanschlüsse 18 angeordnet sind, ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform P-1 möglich zu verhindern, dass die Katalysatortemperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 die Wärmebeständigkeitstemperatur übersteigt, da die Wärmetauscher vierte Stufe H4 und die Wärmetauscher fünfter Stufe H5 in den Abgasanschlüssen 18 angeordnet sind. Da ferner innerhalb der Vorkatalysatorsysteme 34 die Katalysatorträger 48 der Wärmetauscher dritter Stufe H3 in sieben schmale Stücke unterteilt sind und die zickzack-gebogenen Wärmeübertragungsröhren 49 der Wärmetauscher dritter Stufe H3 sich in direktem Kontakt mit den Rändern der Katalysatorträger 48 befinden, kann ferner zuverlässiger verhindert werden, dass die Katalysatortemperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 die Wärmebeständigkeitstemperatur übersteigt.
  • Da ferner der Wärmetauscher erste Stufe H1, die Wärmetauscher zweiter Stufe H2, die Wärmetauscher dritter Stufe H3, die Wärmetauscher vierter Stufe H4 und die Wärmetauscher fünfter Stufe H5 in Reihe miteinander verbunden sind und Wasser folgerichtig von der Seite des Wärmetauschers erster Stufe H1 aus zur Seite der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 geleitet wird (dieses Wasserzuführungsverfahren wird Einweg-Wasserzuführung genannt), kann eine Erhöhung/Reduzierung der zugeführten Wassermenge die Temperaturen der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Hauptkatalysatorsysteme 35 nach Maßgabe des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 geeignet steuern/regeln (siehe Tabelle 2).
  • Figure 00330001
  • Ferner können ein Zuführen von Wasser in der Strommitte an drei Positionen in dem Wasserzuführungsweg von dem Wärmetauscher erster Stufe H1 zu den Wärmetauschern fünfter Stufe H5, d.h. den ersten kreisförmigen Verteilungskanälen 56 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher zweiter Stufe H2, den zweiten kreisförmigen Verteilungskanälen 47 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher dritter Stufe H3 und den dritten kreisförmigen Verteilungskanälen 43 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher vierter Stufe H4, sowie individuelle Steuerung/Regelung der den Wärmetauschern zweiter Stufe bis vierter Stufe H2, H3, H4 zugeführten Wassermenge nach Maßgabe der Änderungen des Betriebszustands (der Strömungsrate des Abgases oder der Temperatur des Abgases) der Brennkraftmaschine 1 und der Katalysatortemperatur (dieses Wasserzuführungsverfahren wird Mehrfachwasserzuführung genannt) noch feiner die Katalysatortemperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Hauptkatalysatorsysteme 35 auf die für die katalytische Reaktion geeigneten Temperaturen steuern/regeln (siehe Tabelle 3 und 16).
  • Figure 00350001
  • Die Wirkung der Mehrfachwasserzuführung wird weiter unter Bezugnahme auf 16 erläutert. Wenn bei der Ausführung der Einweg-Wasserzuführung, gezeigt durch unterbrochene Linien, die zugeführte Wassermenge entsprechend einem Niedriglastzustand der Brennkraftmaschine 1 gering ist, so durchläuft die Katalysatortemperatur die untere Grenztemperatur (Aktivierungstemperatur des Katalysators) früher, sie überschreitet jedoch auch schnell die obere Grenztemperatur (Wärmebeständigkeitstemperatur des Katalysators). Wenn im Gegensatz dazu die zugeführte Wassermenge entsprechend einem Hochlastzustand der Brennkraftmaschine 1 groß eingestellt ist, so kann, wenngleich die Katalysatortemperatur die untere Grenztemperatur (Aktivierungstemperatur des Katalysators) langsam überschreitet, ein Überschreiten der oberen Grenztemperatur (Wärmebeständigkeitstemperatur des Katalysators) verzögert werden. Somit ist es schwierig, mit der Einweg-Wasserzufuhr sowohl frühe Aktivierung als auch Haltbarkeit des Katalysators zu erreichen, durch Einstellen einer geringen zugeführten Wassermenge, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Niedriglastzustand befindet, und Erhöhen der zugeführten Wassermenge durch Strommitten-Wasserzuführung, wenn die Belastung ansteigt, kann jedoch sowohl frühe Aktivierung als auch Haltbarkeit des Katalysators erreicht werden.
  • Der Grund dafür, warum sich die Linien für die Vorkatalysatorsysteme 34 auf der linken Seite befinden und die Linien für die Hauptkatalysatorsysteme 35 sich auf der rechten Seite in 16 befinden, liegt darin, dass die Kapazität der Vorkatalysatorsysteme 34 gering ist und die Kapazität der Hauptkatalysatorsysteme 35 groß ist. Es ist selbstverständlich möglich, die Temperaturen der Vorkatalysatorsysteme 34 und der Hauptkatalysatorsysteme 35 noch feiner zu steuern/regeln, indem die zugeführten Wassermengen zu den Strommitten-Wassereinlässen an den drei Stellen individuell gesteuert/geregelt werden.
  • Wie zuvor beschrieben wurde, können gemäß der vorliegenden Ausführungsform P-1 im Vergleich mit den Vergleichsbeispielen C-0 bis C-3 die Gesamtabgasreinigungsleistung und die Haltbarkeit des katalytischen Systems gesteigert werden. Insbesondere kann durch eine integrale Bereitstellung der Wärmetauscher dritter Stufe H3 innerhalb der Vorkatalysatorsysteme 34 die Temperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 aktiv gesteuert/geregelt werden und die Strommitten-Wasserzuführung zu den ersten kreisförmigen Verteilungskanälen 56, den zweiten kreisförmigen Verteilungskanälen 47 und den dritten kreisförmigen Verteilungskanälen 43 in der Nähe der Vorkatalysatorsysteme 34 kann nicht nur die Temperatur der Vorkatalysatorsysteme 34 selbst steuern/regeln, sondern kann auch die Temperatur der Hauptkatalysatorsysteme 35, welche sich stromabwärts derselben befinden, geeignet steuern/regeln, wodurch die Gesamtabgasreinigungsleistung stark verbessert wird.
  • Bezüglich der Wärmeübertragungsoberflächendichten (Wärmeübertragungsfläche/Volumen) der fünf Wärmetauscher H1 bis H5 ist die des Wärmetauschers erster Stufe H1 am größten und die Oberflächendichte nimmt allmählich von diesem aus in Richtung der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 hin ab. In Bezug auf die Kanalquerschnittsflächen der fünf Wärmetauscher H1 bis H5 ist die des Wärmetauschers erster Stufe H1 am kleinsten und die Querschnittsfläche nimmt allmählich von diesem aus in Richtung der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 hin zu. Die Wärmeübertragungsoberflächendichten und die Kanalquerschnittsflächen der Wärmetauscher der ersten bis vierten Stufe H1 bis H4 sind in Tabelle 4 gezeigt.
  • Figure 00380001
  • Das allmähliche Abnehmen der Wärmeübertragungsoberflächendichte (Wärmeübertragungsfläche/Volumen) von dem Wärmetauscher erster Stufe H1 aus zu den Wärmetauschern fünfter Stufe H5 hin minimiert die Wärmeübertragungsoberflächendichte der Wärmetauscher fünfter Stufe H5, durch welche Abgas hoher Temperatur strömt, da sie sich nahe der Brennkammern 16 befinden, und maximiert die Wärmeübertragungsoberflächendichte des Wärmetauschers erster Stufe H1, durch welche das Abgas, dessen Temperatur abgenommen hat, strömt, nachdem es durch den Abgaskanal 33 geströmt ist, wodurch die Wärmeaustauschwirkungsgrade über alle fünf Wärmetauscher H1 bis H5 gemittelt werden.
  • Da ferner das aus der Brennkammer 16 austretende Abgas eine hohe Temperatur und ein großes Volumen, und im Ergebnis eine hohe Strömungsrate, aufweist, kann eine Maximierung der Kanalquerschnittsfläche der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 in der Nähe der Verbrennungskammern 16 den Druckverlust minimieren. Da andererseits das Abgas, welches nach dem Durchströmen des Abgaskanals 33 eine reduzierte Temperatur aufweist, ein reduziertes Volumen und auch eine reduzierte Strömungsrate aufweist, kann ein Minimieren der Kanalquerschnittsfläche des Wärmetauschers erster Stufe H1 eine kompakte Verdampfungseinrichtung 3 bereitstellen.
  • Die Effekte, welche durch Einstellen der Wärmeübertragungsoberflächendichten und der Kanalquerschnittsflächen der Wärmetauscher erster Stufe H1 bis vierter Stufe H4, wie in Tabelle 3 gezeigt, erhalten werden, sind in Tabelle 5 zusammengefasst.
  • Figure 00400001
  • Es sollte hier angemerkt werden, dass die Wärmetauscher zweiter bis fünfter Stufe H2 bis H5, welche aus Sicht von der Brennkraftmaschine 1 Wärmetauscher in der frühen Stufe sind, für jeden der Abgasanschlüsse 18 bereitgestellt sind, und da die von den Abgasanschlüssen 18 kommenden Abgase nicht vermischt werden, ist es möglich, das Auftreten einer Abgasstörung zu vermeiden, wodurch jegliche Reduzierung der Ausgabe der Brennkraftmaschine 1 verhindert wird. Wenn ferner Druckschwankungen in dem Abgas an den Ausgängen der Abgasanschlüsse 18 auftreten und der Abgasdruck hoch ist, so kann ein Wärmeübertragungsförderungseffekt erwartet werden. 17 zeigt einen Vergleich der Wärmeübertragungsleistung bei verschiedenen Reynolds-Zahlen zwischen einem Heißluftgerät ohne Abgasschwankungen und einer Brennkraftmaschine mit Abgasschwankungen und dieser bestätigt, dass die Brennkraftmaschine mit Abgasschwankungen die höhere Wärmeübertragungsleistung aufweist. 18 zeigt einen Vergleich der Wärmeübertragungsleistung bei verschiedenen Reynolds-Zahlen bei zwei unterschiedlichen Abgasdrücken in einer Einzylinder-Brennkraftmaschine, welche mit einem Wärmetauscher vom Typ mit Gruppenrohr versehen ist, und dieser bestätigt, dass die Wärmeübertragungsleistung umso höher ist, je höher der Abgasdruck ist.
  • Da in dem Wärmetauscher erster Stufe H1, welcher aus Sicht von der Brennkraftmaschine 1 ein Wärmetauscher in der späteren Stufe ist, die von den drei Abgasanschlüssen 18 kommenden Abgase in einer nicht pulsierenden Strömung kombiniert sind, kann das Abgas bei einer konstant hohen Temperatur gehalten werden und im Gegensatz zu einer gepulsten Strömung kann erreicht werden, dass das Abgas eine gleichmäßige Strömung ausführt, welche nicht abbricht, wodurch jegliche Verschlechterung der Wärmeaustauschleistung verhindert wird.
  • Da ferner das Abgas von der Seite der Brennkraftmaschine 1 zur Seite des Abgasrohrs 32 hin strömt, während Wasser von der Seite des Abgasrohrs 32 aus zur Seite der Brennkraftmaschine 1 hin strömt, befinden sich das Abgas und das Wasser in einem Kreuzströmungszustand und die Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas und dem Wasser kann daher über alle Wärmetauscher von dem Wärmetauscher erster Stufe zu den Wärmetauschern fünfter Stufe H1 bis H5 hinweg maximiert werden, was zu einer Verstärkung des Wärmeaustauschwirkungsgrads zwischen dem Abgas und dem Wasser beiträgt.
  • Wie ferner aus 4 deutlich ist, weicht die Breite der Verdampfungseinrichtung 3 (Breite der Brennkraftmaschine 1 in der Richtung der Kurbelwelle) geringfügig von der Breite der drei Zylinderbohrungen 14 ab und sie ist extrem kompakt. Ferner kann nicht nur die Verdampfungseinrichtung 3 von dem Zylinderkopf 12 abgenommen werden, indem lediglich die 16 Bolzen 59 gelockert werden, wodurch eine einfache Wartung bereitgestellt wird, sondern die gesamte Verdampfungseinrichtung 3 ist auch mit hoher Festigkeit durch die Abdeckung 71 eingebaut, wodurch die Haltbarkeit gegenüber Vibrationen der Brennkraftmaschine 1 verbessert wird.
  • Da ferner der Abgaskanal 33 in einer dreistufigen Zickzackform gebogen ist und die Wärmetauscher erster bis vierter Stufe H1 bis H4 in Schichten in radialer Richtung angeordnet sind, können die Gesamtabmessungen der Verdampfungseinrichtung 3 so weit wie möglich reduziert werden, während thermische Verluste minimiert werden und ein Austritt von Geräuschen aus dem Inneren der Verdampfungseinrichtung 3 verhindert wird, wodurch dieser ein kompakter Aufbau in dem Zylinderkopf 12 der Brennkraftmaschine E verliehen wird.
  • Da ferner die Wärmetauscher erster bis fünfter Stufe H1 bis H5 in Labyrinth-Form angeordnet sind, indem die Vorkatalysatorsysteme 34 und die Hauptkatalysatorsysteme 35 in Schichten in radialer Richtung angeordnet sind, kann nicht nur deren Schalldämpfungseffekt wirkungsvoll dafür sein, dass der Austritt von Abgasgeräuschen aus dem Abwärme-Rückgewinnungssystem 2 nach außen verhindert wird, sondern es kann auch, hauptsächlich durch die Wärmetauscher erster bis fünfter Stufe H1 bis H5) ein Abgastemperaturverringerungseffekt erreicht werden. Dies ermöglicht es, dass ein Abgasschalldämpfer vereinfacht wird oder ein solcher weggelassen wird, wodurch das Abgassystem selbst kompakt und von geringem Gewicht hergestellt wird. Da ferner die Reduzierung der Abgastemperatur eine Reduzierung der Temperatur des Abgaskanals bewirkt, nehmen insbesondere auf der stromabwärts-Seite des Wärmetauschers erster Stufe H1 die Freiheitsgrade für die Gestaltung in Bezug auf Wärmebeständigkeit zu und die Verwendung eines Materials wie etwa Kunststoff für den Abgaskanal wird möglich. Im Ergebnis nehmen die Freiheitsgrade der Form des Abgaskanals, die Freiheitsgrade der Montage an einem Fahrzeug, die Freiheitsgrade im Hinblick auf Kühlungscharakteristiken, usw. zu und die Freiheitsgrade der Gestaltung des gesamten Fahrzeugs, welche Beschränkungen durch herkömmliche Abgassysteme unterlagen, können vergrößert werden, was zu einer Reduzierung des gesamten Gewichts des Abgassystems beiträgt.
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 19 bis 29 erläutert.
  • Wie in 19 gezeigt ist, enthält eine Brennkraftmaschine E einen Zylinderblock 211, einen Zylinderkopf 212 und eine Kopfabdeckung 213, welche übereinander geschichtet sind, sowie einen Kolben 215, welcher verschiebbar in einer in dem Zylinderblock 211 ausgebildeten Zylinderbohrung 214 eingesetzt ist. Von dem Einlassanschluss 217 und dem Auslassanschluss 218, welche einzeln mit einer in dem Zylinderkopf 212 ausgebildeten Verbrennungskammer 216 verbunden sind, ist der Einlassanschluss 217 wie herkömmlich in den Zylinderkopf 212 eingebohrt, während jedoch der Auslassanschluss 218 aus einem separaten Element gebildet und mit dem Zylinderkopf 212 verbunden ist.
  • Das obere Ende eines Stiels 221 eines Einlassventils 220, welches ein Einlassventilloch 219 öffnet und schließt, stößt gegen ein Ende eines Einlasskipphebels 223, welcher schwenkbar an einer Einlasskipphebelwelle 222 gelagert ist, und das obere Ende eines Stiels 226 eines Auslassventils 225, welches ein Auslassventilloch 224 öffnet und schließt, stößt gegen ein Ende eines Auslasskipphebels 228, welcher schwenkbar an einer Auslasskipphebelwelle 227 gelagert ist. Das andere Ende des Einlasskipphebels 223 und das andere Ende des Auslasskipphebels 228 stoßen gegen einen Einlassnocken 230 bzw. einen Auslassnocken 231, welche jeweils an einer Nockenwelle 229 vorgesehen sind, die in Zuordnung zu einer nicht gezeigten Kurbelwelle dreht, wodurch das Einlassventil 220 und das Auslassventil 225 geöffnet und geschlossen werden.
  • An der Seitenfläche des Zylinderkopfs 212 an der Auslassseite ist ein Abgasreinigungssystem C vom Typ mit eingebauter Verdampfungseinrichtung vorgesehen. Die Struktur des Abgasreinigungssystems C vom Typ mit eingebauter Verdampfungseinrichtung wird unter Bezugnahme auf 20 bis 29 erläutert.
  • Die Verdampfungseinrichtung erzeugt Dampf mit erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck unter Verwendung von Abgas von der Brennkraftmaschine E als Wärmequelle und enthält einen Abgaskanal 233, welcher den Abgasanschluss 218 als Basisende aufweist und zu einem Abgasrohr 232 verläuft, sowie Wärmetauscher H1 bis H5, welche in dem Abgaskanal 233 angeordnet sind und Wärmeaustausch mit dem Abgas ausführen, wobei Metallkatalysatorsysteme 246A bis 246D, welche später beschrieben werden, in dem Wärmetauscher dritter Stufe H3 eingebaut sind.
  • Der Abgasanschluss 218 ist aus einem Teil mit gleichmäßigem Durchmesser 218a gebildet, welches auf der stromaufwärts-Seite der Strömung des Abgases angeordnet ist und einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist, sowie einem Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b, welches derart vorgesehen ist, dass es mit der stromabwärts-Seite des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 218a verbunden ist, und welches einen in Trompetenform zunehmenden Durchmesser aufweist. Der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 ist um den Außenumfang des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 218a herum vorgesehen und der Wärmetauscher vierter Stufe H4 ist innerhalb des Teils mit zunehmendem Durchmesser 218b vorgesehen.
  • Der Wärmetauscher fünfter Stufe H5 ist aus ungefähr fünf Windungen einer einzelnen Wärmeübertragungsröhre 234 gebildet, welche um den Außenumfang des Teils mit gleichmäßigem Durchmesser 218a herum gewickelt ist. Der Wärmetauscher vierter Stufe H4 ist aus mehreren Windungen einer einzelnen Wärmeübertragungsröhre 235 gebildet und ist in dem Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b untergebracht und die Wärmeübertragungsröhre 234 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5 läuft durch eine Öffnung (nicht gezeigt), welche in dem Abgasanschluss 218 ausgebildet ist, und ist mit der Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe verbunden.
  • Wie aus Bezugnahme auf 27A bis 27C deutlich ist, ist die Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 in einer Dreifachwendelform gewickelt, welche sich derart verjüngt, dass sie der Form des Inneren des Teils mit zunehmendem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 folgt. Die Wendel in der inneren Schicht ist von hinten (linke Seite in der Figur) in Richtung nach vorn (rechte Seite in der Figur) gewickelt, während ihr Durchmesser abnimmt, und ist an dem vorderen Ende zurückgebogen. Daran schließt sich die Wendel der mittleren Schicht an, welche von vorn nach hinten gewickelt ist, während ihr Durchmesser zunimmt, und am hinteren Ende zurückgebogen ist. Daran schließt sich die Wendel der äußeren Schicht an, welche von hinten nach vorn gewickelt ist, während ihr Durchmesser abnimmt. Ein in 27B gezeigter Wassereinlass ist mit dem Wärmetauscher dritter Stufe H3 verbunden, welcher sich auf der stromaufwärts-Seite befindet und später beschrieben wird, und ein in 27C gezeigter Wasserauslass ist mit der Wärmeübertragungsröhre 234 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5 verbunden, welche sich an der stromabwärts-Seite befindet. Die in 27A gezeigten eingekreisten Bezugszeichen zeigen den Weg, über welchen Wasser durch die Wärmeübertragungsröhre 235 strömt.
  • Das Wickeln der Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 in der Dreifachwendelform, welche sich derart verjüngt, dass sie der Form des Inneren des Teils mit zunehmendem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 folgt, ermöglicht es, eine gleichrichtende Wirkung auf das Abgas, welches durch das Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b strömt, zu erhalten, was zu einer Reduzierung des Zirkulationswiderstandes beiträgt.
  • Wie am deutlichsten in 20, 21 und 26 gezeigt ist, ist ein scheibenförmiges Verteilungskanal-Bildungselement 241 mit dem hinteren Ende des Teils mit zunehmendem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 verbunden und durch Verbinden eines anderen scheibenförmigen Verteilungskanal-Bildungselements 242 mit der Rückseite des Verteilungskanal-Bildungselements 241 wird ein zweiter spiralförmiger Verteilungskanal 243 zwischen den zwei Verteilungskanal-Bildungselementen 241, 242 ausgebildet. Das radial äußere Ende des zweiten spiralförmigen Verteilungskanals 243 ist mit dem stromaufwärts-Ende der Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 verbunden. Eine spiralförmige Öffnung 244 ist in den beiden Verteilungskanal-Bildungselementen 241, 242 derart ausgebildet, dass sie dem zweiten spiralförmigen Verteilungskanal 243 folgt. Der Querschnitt der zweiten spiralförmigen Öffnung 244 ist an der Austrittsseite radial schräg nach außen ausgebildet, so dass er der Schräge des Teils mit zunehmendem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 folgt, und eine große Anzahl von Leitflügeln 245 sind in ihrem Inneren schräg angebracht. Das von dem Teil mit schrägem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 zugeführte Abgas strömt daher in einer Spirale, während es radial nach außen diffundiert, wenn es durch die spiralförmige Öffnung 244 hindurch strömt.
  • Wie am deutlichsten in 20, 22 bis 24 und 28 gezeigt ist, ist das vordere Ende eines zylindrischen Gehäuses 247, welches die Außenumfänge der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D sowie den Wärmetauscher dritter Stufe H3 abdeckt, mit dem Verteilungskanal-Bildungselement 242 verbunden, ein vierter kreisförmiger Verteilungskanal 250 ist zwischen zwei ringförmigen Verteilungskanal-Bildungselementen 248, 249 ausgebildet, welche einander überlagert sind und mit dem hinteren Ende des zylindrischen Gehäuses 247 verbunden sind, und der vierte kreisförmige Verteilungskanal 250 ist mit dem äußeren Ende des ersten spiralförmigen Verteilungskanals 251 verbunden, welcher durch Krümmen eines Rohrs in Spiralform gebildet ist. Die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D, welche in Reihe angeordnet sind, sind jeweils durch Ausbilden konzentrisch angeordneter, ringförmiger, gewellter Metallträger 252 bis 255 hergestellt, welche vier unterschiedliche Durchmesser aufweisen und einen Abgasreinigungskatalysator auf ihrer Oberfläche tragen. Wie in 25 vergrößert gezeigt ist, sind die Phasen der Wellen der Metallträger 252 bis 255 eine jeden Stufe der Metallkatalysatorsysteme 246A bis 246D zueinander um einen halben Teilungsabstand versetzt.
  • Der Wärmetauscher dritter Stufe H3 ist aus vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 gebildet, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen und in einer Wendelform gewickelt sind (siehe 28). Die vier Wärmeübertragungsröhren 256 und 259 sind in dem zylindrischen Gehäuse 247 untergebracht, so dass sie konzentrisch zu den vier Metallträger 252 bis 255 der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D und abwechselnd mit diesen angeordnet sind. Die stromabwärts-Enden der vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 sind mit einem mittleren Abschnitt des zweiten spiralförmigen Verteilungskanals 243 verbunden und die stromaufwärts-Enden der vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 sind mit einem mittleren Abschnitt des ersten spiralförmigen Verteilungskanals 251 verbunden.
  • Zwei zylindrische Gehäuse 260, 261 sind koaxial radial außerhalb des zylindrischen Gehäuses 247 angeordnet, welches die Außenumfänge der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D sowie den Wärmetauscher dritter Stufe H3 abdeckt, und der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 ist in einer Ringform zwischen den beiden zylindrischen Gehäusen 260, 261 angeordnet. Der Wärmetauscher zweiter Stufe H2 ist gebildet aus einer großen Anzahl von Wärmeübertragungsröhren 262, welche in einer Wendelform in einer Richtung gewickelt sind, und einer großen Anzahl an Wärmeübertragungsröhren 263, welche in einer Wendelform in der anderen Richtung gewickelt sind, wobei die Röhren 262, 263 abwechselnd angeordnet sind, so dass Teile davon miteinander vermascht sind, wodurch die Anordnungsdichte der Wärmeübertragungsröhren 262, 263 innerhalb des Raums vergrößert wird. Die Außenumfänge der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D und des Wärmetauschers dritter Stufe H3 sind somit von den Wärmeübertragungsröhren 262, 263 des Wärmetauschers zweiter Stufe H2 umgeben.
  • Ein dritter kreisförmiger Verteilungskanal 266 ist zwischen einem an dem vorderen Ende des äußeren zylindrischen Gehäuses 260 befestigten ringförmigen Verteilungskanal-Bildungselement 264 und einem mit der Vorderseite des Verteilungskanal-Bildungselements 264 verbundenen ringförmigen Verteilungskanal-Bildungselement 265 ausgebildet. Das stromaufwärts-Ende der Wärmeübertragungsröhren 262, 263 des Wärmetauschers zweiter Stufe H2 sind mit dem dritten kreisförmigen Verteilungskanal 266 verbunden und die stromabwärts-Enden der Wärmeübertragungsröhren 262, 263 sind mit dem vierten kreisförmigen Verteilungskanal 250 verbunden. An dem hinteren Ende des zylindrischen Gehäuses 260, welches das äußere des Wärmetauschers zweiter Stufe H2 abdeckt, ist eine schalenförmige Endkappe 267 befestigt, welche die Rückseiten der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 264A bis vierter Stufe 246D sowie den Wärmetauscher dritter Stufe H3 abdeckt.
  • Eine abnehmbare Abdeckung 271, welche die äußere Begrenzung des Abgasreinigungssystems C vom Typ mit eingebauter Verdampfungseinrichtung bildet, enthält ein plattenförmiges Verteilungskanal-Bildungselement 272, welches in seiner Mitte ein mit dem Abgasrohr 232 verbundenes Auslassloch 272a aufweist, sowie ein ringförmiges Verteilungskanal-Bildungselement 273, welches mit der Vorderseite des Verteilungskanal-Bildungselements 272 verbunden ist, und ein erster kreisförmiger Verteilungskanal 274 ist zwischen den beiden Verteilungskanal-Bildungselementen 272, 273 gebildet. Ein radial außen angeordnetes zylindrisches Gehäuse 275 und ein radial innen angeordnetes zylindrisches Gehäuse 276 verlaufen mit einem geringfügigen Zwischenraum dazwischen von dem Verteilungskanal-Bildungselement 273 aus nach vorn und ein an dem vorderen Ende des äußeren zylindrischen Gehäuses 275 vorgesehener Flansch 277 ist mit einem Flansch 279 überlagert, der an dem hinteren Ende einer an dem Verteilungskanal-Bildungselement 242 befestigten Montageplatte 278 vorgesehen ist, und diese sind zusammen an dem Zylinderkopf 212 durch Bolzen 280 befestigt.
  • Ein ringförmiges Verteilungskanal-Bildungselement 281 ist an dem vorderen Ende des inneren zylindrischen Gehäuses 276 befestigt und ein zweiter kreisförmiger Verteilungskanal 283 ist durch Verbinden eines ringförmigen Verteilungskanal-Bildungselements 282 mit der Vorderseite des Verteilungskanal-Bildungselements 281 gebildet. Der erste kreisförmige Verteilungskanal 274 und der zweite kreisförmige Verteilungskanal 283 weisen identische Form auf und sind einander in der Richtung von hinten nach vorn zugewandt. Ein Topf-förmiges Innenwandelement 284 ist in der Abdeckung 271 untergebracht und der Wärmetauscher erster Stufe H1 ist zwischen dem Außenumfang des Innenwandelements 284 und dem Innenumfang des inneren zylindrischen Gehäuses 276 angeordnet.
  • Der Wärmetauscher erster Stufe H1 weist eine ähnliche Struktur auf wie die der Wärmetauscher zweiter Stufe H2. Eine große Anzahl von in einer Wendelform in einer Richtung gewickelten Wärmeübertragungsröhren 285 und eine große Anzahl von in einer Wendelform in der anderen Richtung gewickelten Wärmeübertragungsröhren 286 sind abwechselnd angeordnet, so dass Teile davon miteinander vermascht sind, und diese Wärmeübertragungsröhren 285, 286 umgeben den Außenumfang des Wärmetauschers zweiter Stufe H2. Die stromaufwärts-Enden der Wärmeübertragungsröhren 285, 286 sind mit dem ersten kreisförmigen Verteilungskanal 274 verbunden und deren stromabwärts-Enden sind mit dem zweiten kreisförmigen Verteilungskanal 283 verbunden.
  • Die Materialien für die Wärmeübertragungsröhre 234 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5, die Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe H4, die Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 des Wärmetauschers dritter Stufe H3, die Wärmeübertragungsröhren 262, 263 des Wärmetauschers zweiter Stufe H2 sowie die Wärmeübertragungsröhren 285, 286 des Wärmetauschers erster Stufe H1 sind vorzugsweise aus wärmebeständigem rostfreiem Stahl (Austenit-Typ, wie etwa SUS 316L oder SUS 310S, Ferrit-Typ, wie etwa SUS 430 oder SUS 444) oder aus einer wärmebeständigen Legierung auf Nickelbasis. Das Verbinden der Wärmeübertragungsröhren wird vorzugsweise durch Hartlöten, Laserschweißen oder mechanische Zwängung ausgeführt.
  • In Bezug auf die Metallträger 252 bis 255 der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 264A bis vierter Stufe 246D ist ferner ein wärmebeständiger rostfreier Stahl (z.B. ein rostfreier Stahl vom Ferrit-Typ mit 20 Gew.-% Cr, 5 Gew.-% Al) oder eine Metallfolie aus einer wärmebeständigen Legierung auf Nickelbasis (Dicke 0,1 mm oder darunter) bevorzugt.
  • Wie aus 29 deutlich ist, ist ein Wassereinlass 287, in welchen Wasser als Quelle von Hochdruckdampf geleitet wird, in dem ersten kreisförmigen Verteilungskanal 274 vorgesehen, welcher mit dem zweiten kreisförmigen Verteilungskanal 283 über eine große Anzahl von Wärmeübertragungsröhren 285, 286 des Wärmetauschers erster Stufe H1 in Verbindung steht, und der zweite kreisförmige Verteilungskanal 283 steht mit dem dritten kreisförmigen Verteilungskanal 266 über einen Verbindungskanal 288 in Verbindung. Der dritte kreisförmige Verteilungskanal 266 steht mit dem vierten kreisförmigen Verteilungskanal 250 über die Wärmeübertragungsröhren 262, 263 des Wärmetauschers zweiter Stufe H2 in Verbindung und der vierte kreisförmige Verteilungskanal 250 steht mit vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 des Wärmetauschers dritter Stufe H3 über den ersten spiralförmigen Verteilungskanal 251 in Verbindung. Die vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 des Wärmetauschers dritter Stufe H3 stehen mit einem Dampfauslass 289 über den zweiten spiralförmigen Verteilungskanal 243, die Wärmeübertragungsröhre 235 des Wärmetauschers vierter Stufe H4 und die Wärmeübertragungsröhre 234 des Wärmetauschers fünfter Stufe H5 in Verbindung.
  • Während auf diese Weise das von dem Wassereinlass 287 zugeführte Wasser über den Wärmetauscher erster Stufe H1 → den Wärmetauscher zweiter Stufe H2 → den Wärmetauscher dritter Stufe H3 → den Wärmetauscher vierter Stufe H4 → den Wärmetauscher fünfter Stufe H5 zu dem Dampfauslass 289 wandert, tauscht es mit dem Abgas, welches aus der Brennkraftmaschine E austritt und in eine Richtung strömt, die der Strömungsrichtung des Wassers entgegengesetzt ist, Wärme aus, wobei das Wasser zu Dampf wird.
  • Das bedeutet, dass das aus der Brennkraftmaschine E austretende Abgas, während es durch das Teil mit gleichmäßigem Durchmesser 218a des Abgasanschlusses 218 strömt, mit dem Wärmetauscher fünfter Stufe H5, welcher aus der um den Außenumfang des Teil mit gleichmäßigem Durchmesser 218a herum gewickelten Wärmeübertragungsröhre 234 gebildet ist, Wärme austauscht. Das Abgas, welches aus dem Teil mit gleichmäßigem Durchmesser 218a des Abgasanschlusses 218 in das Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b strömt, tauscht Wärme durch direkten Kontakt mit dem Wärmetauscher vierter Stufe H4 aus, welcher aus der in einer dreifachen Wendelform gewickelten und in dem Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b untergebrachten Wärmeübertragungsröhre 235 gebildet ist. Schädliche Bestandteile werden aus dem aus dem Abgasanschluss 218 austretenden Abgas entfernt, während es durch das Innere der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe 246A bis vierter Stufe 246D strömt und an diesem Punkt tauscht das Abgas mit dem Wärmetauscher dritter Stufe H3, welcher aus den Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 gebildet ist, die konzentrisch zu den Metallkatalysatorsystemen erster bis vierter Stufe 246A bis 246D angeordnet sind, Wärme aus.
  • Das Abgas, welches durch die Metallkatalysatorsysteme erster bis vierter Stufe 246A bis 246D sowie den Wärmetauscher dritter Stufe H3 geströmt ist, wird durch die Endkappen 267 blockiert und vollführt eine Kehrtwendung, tauscht Wärme aus, während es von hinten nach vorn durch den Wärmetauscher zweiter Stufe H2 strömt, der aus den zwischen dem Paar von zylindrischen Gehäusen 260, 261 angeordneten Wärmeübertragungsröhren 262, 263 gebildet ist, ändert dann seine Richtung um 180°, tauscht Wärme aus, während es von vorn nach hinten durch den Wärmetauscher erster Stufe H1 strömt, der aus den zwischen dem zylindrischen Gehäuse 276 und dem Innenwandelement 284 angeordneten Wärmeübertragungsröhren 285, 286 gebildet ist, und wird schließlich durch das Auslassloch 272a des Verteilungskanal-Bildungselements 272 in das Abgasrohr 232 ausgelassen.
  • Das durch den Wärmetauscher zweiter Stufe H2 geströmte Abgas diffundiert radial nach außen aus, wenn es durch die spiralförmige Öffnung 244 strömt, die mit dem Teil mit zunehmendem Durchmesser 218b des Abgasanschlusses 218 in Verbindung steht, und ihm wird durch die Leitflügel 245, welche im Inneren der spiralförmigen Öffnung 244 angebracht sind, eine Spiralströmung verliehen. Dies bewirkt, dass das Abgas gleichmäßig überall in den Metallkatalysatorsystemen erster bis vierter Stufe 246A bis 246D wirkt und erhöht die Aufenthaltszeit des Abgases in den Metallkatalysatorsystemen erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D, wodurch der Abgasreinigungswirkungsgrad verbessert wird. Da die Phasen der Wellungen der Metallträger 252 bis 255 einer jeden Stufe der Metallkatalysatorsysteme 246A bis 246D, wie in 25 vergrößert gezeigt, um einen halben Teilungsabstand zueinander versetzt sind, kann eine starke turbulente Strömung in der Abgasströmung verursacht werden. Dies erhöht die Aufenthaltszeit des Abgases innerhalb der Metallkatalysatorsysteme erster bis vierter Stufe 246A bis 246D, wodurch der Abgasreinigungswirkungsgrad erhöht wird und der Wärmeaustauschwirkungsgrad des benachbarten Wärmetauschers dritter Stufe H3 erhöht wird.
  • Ferner können die Strömungsweglängen der vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259, welche die Strömungsweglängen von Teilen der ersten und zweiten spiralförmigen Verteilungskanäle 251 und 243 enthalten, durch Verbinden der vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 des Wärmetauschers dritter Stufe H3 mit optimalen Stellen an dem ersten spiralförmigen Verteilungskanal 251 und dem zweiten spiralförmigen Verteilungskanal 243, d.h. durch Verbinden entgegengesetzter Enden der Wärmeübertragungsröhre 256, welche radial außen liegt und eine lange Rohrlänge aufweist, mit der Außenseite in radialer Richtung des ersten spiralförmigen Verteilungskanals 251 und der Außenseite in radialer Richtung des zweiten spiralförmigen Verteilungskanals 243 sowie durch Verbinden entgegengesetzter Enden der Wärmeübertragungsröhre 259, welche radial innen liegt und eine kurze Rohrlänge aufweist, mit der Innenseite in radialer Richtung des ersten spiralförmigen Verteilungskanals 251 und der Innenseite in radialer Richtung des zweiten spiralförmigen Verteilungskanals 243, so gleichmäßig wie möglich gemacht werden, wodurch die Druckverlustdifferenzen zwischen den Wärmeübertragungsröhren 256 und 259 reduziert werden.
  • Da ferner die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D und der Wärmetauscher dritter Stufe H3 so eingebaut sind, dass sie Wärme miteinander austauschen, kann die in den Metallkatalysatorsystemen erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D erzeugte Reaktionswärme durch den Wärmetauscher dritter Stufe H3 wiedergewonnen werden, wodurch der Wiedergewinnungseffekt für thermische Energie verstärkt wird, und ferner erwärmt und aktiviert ein Steuern/Regeln der Strömungsrate des durch den Wärmetauscher dritter Stufe H3 strömenden Wassers dadurch die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D oder kühlt die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D, wodurch die Haltbarkeit verbessert wird.
  • Zusätzlich können Mittel zum Steuern/Regeln der durch den Wärmetauscher dritter Stufe H3 strömenden Wassermenge vorgesehen werden, indem die „Mehrfach-Wasserzuführungs"-Struktur der ersten Ausführungsform, welche in den 11, 16, usw. gezeigt ist, hinzugefügt wird. Unter Bezugnahme auf 29 können insbesondere durch Zuführen von Wasser in der Strommitte an vier Stellen in dem Wasserzuführungsweg von dem Wärmetauscher erster Stufe H1 zu den Wärmetauschern fünfter Stufe H5, d.h. den dritten kreisförmigen Verteilungskanälen 266 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher zweiter Stufe H2, dem vierten kreisförmigen Verteilungskanal 250 oder dem ersten spiralförmigen Verteilungskanal 251 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher dritter Stufe H3 und den zweiten spiralförmigen Verteilungskanälen 243 unmittelbar stromaufwärts der Wärmetauscher vierter Stufe H4, sowie durch individuelles Steuern/Regeln der den Wärmetauschern zweiter Stufe bis vierte Stufe H2, H3, H4 zugeführten Wassermenge nach Maßgabe von Änderungen im Betriebszustand (der Strömungsrate des Abgases oder der Temperatur des Abgases) der Brennkraftmaschine 1 und der Katalysatortemperatur (dieses Wasserzuführungsverfahren wird Mehrfachwasserzuführung genannt), die Katalysatortemperaturen der Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D noch feiner auf die für die katalytische Reaktion geeigneten Temperaturen gesteuert/geregelt werden.
  • Das Abgas, welches durch die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D sowie den Wärmetauscher dritter Stufe H3 geströmt ist, tauscht Wärme aus, wenn es durch den ersten spiralförmigen Verteilungskanal 251, welcher aus einem spiralförmigen Rohrmaterial gebildet ist, strömt. Da dieser erste spiralförmige Verteilungskanal 251 die Strömung des Abgases diffundieren lässt, kann das Auftreten von punktueller Wärme in der Endkappe 267, welche sich hinter dem Kanal 251 an einer Stelle befindet, an der das Abgas umkehrt, verhindert werden, die Endkappe 267, welche sich unter thermisch schweren Bedingungen befindet, kann geschützt werden und eine Wärmeabstrahlung von der Endkappe 267 kann verhindert werden. Da ferner der aus dem spiralförmigen Rohrmaterial gebildete erste spiralförmige Verteilungskanal 251 Flexibilität aufweist, können Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen den vier Wärmeübertragungsröhren 256 bis 259 unterschiedlicher Gesamtlängen aufgenommen werden.
  • Da ferner das Abgas von der Seite der Brennkraftmaschine E zur Seite des Abgasrohrs 232 strömt, während Wasser von der Seite des Abgasrohrs 232 zur Seite der Brennkraftmaschine E strömt, befinden sich das Abgas und das Wasser in einem Kreuzströmungszustand und der Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und dem Wasser kann daher über alle Wärmetauscher erster Stufe bis fünfter Stufe H1 bis H5 hinweg maximiert werden, was zu einer Steigerung des Wärmeaustauschwirkungsgrads zwischen dem Abgas und dem Wasser beiträgt. Da ferner der Abgaskanal 233 in einer dreistufigen Zickzackform gebogen ist und die Wärmetauscher erster Stufe bis dritter Stufe H1 bis H3 in radialer Richtung in Schichten angeordnet sind, können die gesamten Abmessungen des Abgasreinigungssystems C vom Typ mit eingebauter Verdampfungseinrichtung so weit wie möglich reduziert werden, wobei die thermischen Verluste minimiert werden und der Austritt von Geräuschen aus dem Inneren desselben verhindert wird, wodurch ein kompakter Aufbau desselben in dem Zylinderkopf 212 der Brennkraftmaschine E bereitgestellt wird.
  • Da ferner die Wärmetauscher erster Stufe bis dritter Stufe H1 bis H3 und die Metallkatalysatorsysteme erster Stufe bis vierter Stufe 246A bis 246D in einer Labyrinthform angeordnet sind, indem sie in radialer Richtung in Schichten angeordnet sind, kann nicht nur ihr Schalldämpfungseffekt dahingehend wirksam sein, dass ein Austritt von Abgasgeräuschen aus dem Abgasreinigungssystem C vom Typ mit eingebauter Verdampfungsvorrichtung nach außen verhindert wird, sondern außerdem kann, hauptsächlich durch die Wärmetauscher erster Stufe bis fünfter Stufe H1 bis H5, eine Abgastemperatur-Verringerungswirkung erhalten werden.
  • Dies ermöglicht es, dass ein Abgasschalldämpfer vereinfacht wird oder ein solcher weggelassen wird, wodurch das Abgassystem selbst kompakt und von geringem Gewicht hergestellt wird. Da ferner die Reduzierung der Abgastemperatur eine Reduzierung der Temperatur des Abgaskanals bewirkt, nehmen insbesondere auf der stromabwärts-Seite des Wärmetauschers erster Stufe H1 die Freiheitsgrade für die Gestaltung in Bezug auf Wärmebeständigkeit zu und die Verwendung eines Materials wie etwa Kunststoff für den Abgaskanal wird möglich. In Bezug auf eine Brennkraftmaschine E für ein Fahrzeug nehmen im Ergebnis die Freiheitsgrade der Form des Abgaskanals, die Freiheitsgrade der Montage an einem Fahrzeug, die Freiheitsgrade im Hinblick auf Kühlungscharakteristiken, usw. zu und die Freiheitsgrade der Gestaltung des gesamten Fahrzeugs, welche Beschränkungen durch herkömmliche Abgassysteme unterlagen, können vergrößert werden, was zu einer Reduzierung des gesamten Gewichts des Abgassystems beiträgt.
  • Wenngleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorstehend im Detail erläutert wurden, kann die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Arten modifiziert werden, ohne den Inhalt der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
  • Beispielsweise ist in der ersten Ausführungsform als Verbrennungssystem die Brennkraftmaschine 1 für ein Kraftfahrzeug illustriert, die vorliegende Erfindung kann jedoch auf ein beliebiges anderes Verbrennungssystem angewendet werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie oben beschrieben wurde, kann das mit der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang stehende Abgasreinigungssystem in einem Fall angewendet werden, in welchem schädliche Bestandteile in dem Verbrennungsgas von einer Brennkraftmaschine oder einem beliebigen anderen Verbrennungssystem durch eine Oxidations-/Reduktionsreaktion entfernt werden. Ferner kann die mit der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang stehende Brennkraftmaschine auf eine solche angewendet werden, in welcher ein Abgasreinigungssystem zum Reinigen eines Abgases sowie ein Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme mit dem Abgas in einem Abgaskanal vorgesehen sind.

Claims (16)

  1. Verbrennungsgas-Reinigungssystem, in welchem ein ein Verbrennungsgas reinigendes katalytisches System (34, 35; 246A bis 246D) in einem das Verbrennungsgas von einem Verbrennungssystem (1) führenden Abgaskanal (33; 233) angeordnet ist und wenigstens ein Teil des katalytischen Systems (34; 246A bis 246D) einen einen Katalysator tragenden Katalysatorträger (48; 252 bis 255) enthält und mit einem Temperatureinstellmittel (H3) zum Einstellen der Temperatur des katalytischen Systems (34) versehen ist, wobei das Temperatureinstellmittel (H3) eine Wärmeübertragungsröhre (49; 256 bis 259) aufweist, durch welche ein Arbeitsmedium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger (48; 252 bis 255) in direktem Kontakt mit der Wärmeübertragungsröhre des Temperatureinstellmittels (H3) angeordnet und mit dieser vereinigt ist und dass die Wärmeübertragungsröhre (49; 256 bis 259) und der Katalysatorträger (48; 252 bis 255) entlang einer Strömung des Verbrennungsgases an der selben Position in direkten Kontakt mit dem Verbrennungsgas gebracht sind, wobei das Temperatureinstellmittel (H3) derart arbeitet, dass es thermische Energie des Verbrennungsgases wiedergewinnt.
  2. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach Anspruch 1, in welchem der Betrieb des Temperatureinstellmittels (H3) das Steuern/Regeln der Menge an Arbeitsmedium, die der Wärmeübertragungsröhre (49; 256 bis 259) zugeführt wird, umfasst.
  3. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem das Temperatureinstellmittel ein Wärmetauscher (H3) ist.
  4. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das mit dem Temperatureinstellmittel (H3) versehene katalytische System (34) auf einer stromaufwärts-Seite des Abgaskanals (33) angeordnet ist.
  5. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Temperatureinstellmittel (H3) auch die Temperatur eines anderen Teils des katalytischen Systems (35) als dem einen Teil des katalytischen Systems (34) steuert/regelt.
  6. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem ein weiteres Temperatureinstellmittel (H4, H5) zum Einstellen der Temperatur des Verbrennungsgases in dem Abgaskanal (33) auf einer stromaufwärts-Seite des katalytischen Systems (34, 35; 246A bis 246D) vorgesehen ist.
  7. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach Anspruch 6, in welchem das weitere Temperatureinstellmittel zum Einstellen der Temperatur des Gases ein Wärmetauscher (H4, H5) ist.
  8. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der wenigstens eine Teil des katalytischen Systems (34, 246A bis 246D) aus einem Metall gebildet ist.
  9. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, in welchem als Katalysatorträger eine Mehrzahl von Katalysatorträgerschichten (48; 252 bis 255) und als Wärmeübertragungsröhre eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsröhren (49; 256 bis 259) vorgesehen sind.
  10. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach Anspruch 9, in welchem die Mehrzahl von Wärmeübertragungsröhren (49; 256 bis 259) in einer Zickzackform ausgebildet sind und an der Kontaktstelle mit der Mehrzahl von Katalysatorträgerschichten (48; 252 bis 255) verschachtelt sind.
  11. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Arbeitsmedium des Temperatureinstellmittels (H3) in einem Kanal strömt und das Verbrennungsgas in dem Abgaskanal (33) in eine Richtung strömt, welche im Wesentlichen entgegengesetzt zu der einer Strömung des Arbeitsmediums in dem Kanal des Temperatureinstellmittels (H3) ist.
  12. Verbrennungsgas-Reinigungssystem nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Temperatureinstellmittel (H3) so konstruiert ist, dass es eine Strömungsquerschnittsfläche aufweist, welche auf einer stromaufwärts-Seite der Strömung des Verbrennungsgases nahe dem Verbrennungssystem (E) groß ist und auf einer stromabwärts-Seite klein ist.
  13. Brennkraftmaschine, welche in einem Abgaskanal (233) ein Verbrennungsgas-Reinigungssystem (246A bis 246D) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche umfasst, welches Abgas reinigt.
  14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, in welcher ein Verwirbelungsmittel (245) zum Verwirbeln der Strömung des Abgases auf einer Stromaufwärts-Seite desjenigen Abschnitts vorgesehen ist, in welchem das Verbrennungsgas-Reinigungssystem (246A bis 246D) und die Wärmeübertragungsröhre (H1 bis H5) in Kontakt sind.
  15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder 14, in welcher als Katalysatorträger eine Mehrzahl von gewellten Metallträgern (252 bis 255) und als Wärmeübertragungsröhre eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsröhren (256 bis 259) vorgesehen sind.
  16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, in welcher die Mehrzahl von Wärmeübertragungsröhren (256 bis 259) mit der Mehrzahl von Metallträgern (252 bis 255) an einer Kontaktstelle konzentrisch sind und abwechselnd mit diesen angeordnet sind.
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