DE10035760A1 - Wärmetauscher für Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher 1 für Abgas einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Verschlußeinrichtung 2, wobei der Wärmetauscher 1 eine mit Kühlmittel umströmte, einen Kühlkammereinlaß 3 und einen Kühlkammerauslaß 5 aufweisende Kühlkammer 4 besitzt und der Abgasstrom über eine Verschlußeinrichtung 2 gesteuert wird, die aufgrund von Wärmeausdehnung eine Relativbewegung in eine Schließ- oder Druchflußstellung ausführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Abgas einer Brennkraftmaschine.

Zur Begrenzung der Temperaturalterung von Katalysatoren sind beispielsweise bei einem NO_x-Speicherkatalysator eines di­ rekteinspritzenden Ottomotors Maßnahmen notwendig, die Gasein­ trittstemperatur auf einen zulässigen Maximalwert zu begren­ zen. Entsprechende Maßnahmen an der Motor- bzw. Verbrennungs­ konfiguration führen zu erhöhten Schadstoffemissionen und er­ höhtem Kraftstoffverbrauch oder reduzieren die Nennleistung des Motors. In der Abgastechnik befindliche aktive Elemente, wie geschaltete Bypass- oder Wärmetauschersysteme, erfordern ein technisch hochwertiges und entsprechend aufwendiges Ab­ sperrorgan, wie eine Abgasklappe, ein Ventil oder sonstige ak­ tiv bewegte Steuerelemente im Abgasstrang. Außerdem wird eine mechanische bzw. elektronische Ansteuerung benötigt, die in­ klusive Steuergerät und Zusatzteilen einen erheblichen Aufwand darstellt.

Aus der DE 197 46 658 A1 ist bereits der Einsatz eines solchen Wärmetauschers bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Abgas­ katalysatoranlage zur Regelung des Temperaturbereichs eines NO_x-Speichers zum Reinigen eines in einem Abgasstrang geführten Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine. Es ist zumindest in jeweils einem Abgasstrang ein erster Katalysator und NO_x- Speicher vorgesehen, wobei zumindest ein Wärmetauscher im Ab­ gasstrang angeordnet ist. Dieser ist als Gegenstromwärmetau­ scher ausgebildet, der in einer durch eine Doppelwand gebilde­ ten Hülle von Kühlmittel durchströmt wird. Als Kühlmittel ist Wasser oder Luft vorgesehen, das als Zwangsströmung durch den Wärmetauscher strömt. Der Wärmetauscher ist also als eigener Wärmetauscher mit erzwungenem Gegenstromprinzip ausgeführt. Ein solcher Wärmetauscher benötigt zum einen erheblichen Bau­ raum und muß mit entsprechenden Steuerelementen und Steuere­ lektronik versorgt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für Abgas derart auszubilden und anzuordnen, daß ein minimaler Aufwand an Bauraum und keine Steuerelemente bzw. Steuerelek­ tronik notwendig sind.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Ab­ gasstrom über eine Verschlußeinrichtung gesteuert wird, die aufgrund von Wärmeausdehnung eine Relativbewegung in eine Schließ- oder Durchflußstellung ausführt. Dadurch wird er­ reicht, daß die Steuerung des Abgasstroms ohne aufwendige Er­ fassungs- und Regeltechnik erfolgt. Durch die Temperaturerhö­ hung des so ausgebildeten Wärmetauschers bzw. der Verschluß­ einrichtung setzt die Kühlwirkung ein. Entsprechend führt eine Abkühlung der Verschlußeinrichtung zu einem Verschließen des Wärmetauschers. Hierzu ist es von Vorteil, daß ein Abgasrohr mit der über Wärmeausdehnung gesteuerten Verschlußeinrichtung in der Kühlmittelkammer vorgesehen ist und das Abgasrohr am Umfang angeordnete Steueröffnungen aufweist, die aufgrund der Wärmeausdehnung den Kühlkammereinlaß und den Kühlkammerauslaß freigeben. Das Abgasrohr ist hierzu nur an einer Stirnseite innerhalb der Kühlmittelkammer befestigt, so daß eine Erwär­ mung zu einer einseitigen, axialen Ausdehnung des Rohres führt. Mit dieser Ausdehnung des Rohres ist ein axialer Ver­ satz der im Rohr vorgesehenen Steueröffnungen verbunden, so daß diese die Kühlkammer bzw. Kühlkammeröffnungen freigeben.

Ferner ist es vorteilhaft, daß eine Kühlkammerwand koaxial zum Abgasrohr angeordnet ist und die Kühlkammerwand abschnittswei­ se an dem Abgasrohr anliegt oder mit dem Abgasrohr in Wirkver­ bindung steht und daß die Steueröffnung derart angeordnet ist, daß bei einer Temperaturerhöhung des Abgasrohrs ein axialer Versatz zwischen der Steueröffnung und der Kühlkammer oder ei­ ner Kühlkammeröffnung auftritt. Die so ausgebildete Kühlkam­ merwand bzw. der an dem Abgasrohr anliegende Teil der Kühlkam­ merwand verschließt im kalten Zustand die Steueröffnungen. Im heißen Zustand kommt es zu einem axialen Versatz des Abgasroh­ res innerhalb der Kühlkammerwand, und der anliegende Teil der Kühlkammerwand gibt die Steueröffnungen frei.

Hierzu ist es von Vorteil, daß eine Kühlkammerwand der Kühl­ kammer einlaßseitig und auslaßseitig mit einem Krümmer oder einer Abgasanlage verbunden und das Abgasrohr nur auslaßseitig oder einlaßseitig mit dem Krümmer oder der Abgasanlage verbun­ den ist. Somit ist eine axiale Ausdehnung des Abgasrohres in­ nerhalb der Kühlkammer bzw. relativ zur Kühlkammer gewährlei­ stet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß verschiedene Kühlkam­ mern einen gemeinsamen Überströmkanal, der am Ende des Wärme­ tauschers eine Rückströmöffnung bildet, aufweisen und durch diesen verbunden sind. Somit kann das zu kühlende Abgas durch die freigegebenen Kühlkammeröffnungen in die Kühlkammer ein­ treten und über die Rückströmöffnung am Ende des Wärmetau­ schers wieder in die Abgasanlage zurückströmen.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, daß das Abgasrohr auf der Innenseite im Bereich der Steueröff­ nung eine Einströmhilfe wie ein Leitblech und im Bereich der Steueröffnung eine Ausströmhilfe aufweist. Hierdurch wird er­ reicht, daß das zu kühlende Abgas bzw. ein Teil dessen schnel­ ler und leichter in die Kühlkammer einströmt und aus dieser auch wieder in den Abgastrakt zurückströmt.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und An­ ordnung ist es von besonderem Vorteil, daß die Kühlkammer ne­ ben dem Abgasrohr ein weiteres koaxial oder anliegend zum Ab­ gasrohr axial verschiebbar angeordnetes Steuerrohr aufnimmt, das die mit den Steueröffnungen des Abgasrohrs korrespondie­ renden Kühlkammeröffnungen aufnimmt. Das Steuerrohr ersetzt die anliegenden Teile der Kühlkammerwand mit dem besonderen Vorteil, daß Kühlkammereinlässe und Kühlkammerauslässe gebil­ det werden können, ohne den Überströmkanal auszubilden. Die beiden Rohre dehnen sich axial in entgegengesetzter Richtung aus und bilden so die erfindungsgemäße Verschlußeinrichtung.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß das Abgasrohr einlaßseitig oder auslaßseitig und das Steuerrohr entgegengesetzt auslaßseitig oder einlaßseitig mit dem Krümmer verbunden ist und die Wär­ meausdehnung beider Rohre gegensinnig ausgerichtet ist. Die entgegengesetzte Befestigung der Rohre hat den Vorteil, daß sich die Längung der Rohre aufgrund der Wärmeausdehnung er­ gänzt bzw. addiert, so daß wesentlich größere Kühlkammeröff­ nungen realisiert werden können.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß ein mit einer Venturidüse ausgestattetes und am Umfang vor und hinter der Venturidüse angeordnete Steueröffnungen aufweisendes Abgasrohr innerhalb oder koaxial zu einem Steuerrohr angeordnet ist, wobei das Steuerrohr am Umfang im Bereich der Steueröffnungen des Abgas­ rohres Kühlkammeröffnungen aufweist und beide Rohre aufgrund der Wärmeausdehnung relativ zueinander axial beweglich ange­ ordnet sind.

Ferner ist es vorteilhaft, daß das Material des Abgasrohres einen vom Material der Kühlkammer oder des Steuerrohres ver­ schiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist oder die Steueröffnung durch eine Verschlußeinrichtung aus Bimetall verschlossen ist. Die Wahl der verschiedenen Werkstoffe begün­ stigt die Wärmeausdehnung bzw. den zu öffnenden Querschnitt der Kühlkamnmeröffnungen.

Vorteilhaft ist es auch, daß die Kühlkammerwand mit dem Steu­ errohr die an die äußeren Platzverhältnisse am Fahrzeugboden angepaßte Kühlkammer bildet und zwischen Kühlkammer und einem Katalysator eine Mischstrecke vorgesehen ist. Somit ist die Funktionsfähigkeit des Wärmetauschers innerhalb der gegebenen Platzverhältnisse in einem Motorraum bzw. auf der Unterseite eines Kfz gewährleistet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Wärmetauschers mit Kühlkammer, Abgasrohr und Steuerrohr, wobei in der oberen Bildhälfte ein kalter und in der unteren Bildhälfte ein heißer Betriebszustand dargestellt ist,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Wärmetau­ schers mit zwei Kühlkammern, wobei in der oberen Bildhälfte ein kalter und in der unteren Bildhälfte ein heißer Betriebszu­ stand dargestellt ist.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Wärmetauscher bezeichnet. Der Wärme­ tauscher 1 weist eine Kühlkammer 4 auf, die durch eine Kühl­ kammerwand 9, ein Abgasrohr 7 und ein Steuerrohr 15 gebildet wird. Das Abgasrohr 7 ist innerhalb des Steuerrohres 15 ange­ ordnet. Beide Rohre 7, 15 dehnen sich bei Erwärmung aus. Auf­ grund der einseitigen Einspannung kommt es zu einem axialen Versatz zwischen beiden.

Die Kühlkammer 4 ist gemäß Fig. 1 mit ihrer Kühlkammerwand 9 auf ihrer rechten und linken Seite an je einen schematisierten Krümmer 8 angeschlossen und weist einen rechteckförmigen Quer­ schnitt auf. Der Krümmer stellt den Teil der Abgasanlage zwi­ schen Brennraumauslaß des Motors und dem NO_x-Katalysator bzw. Schalldämpfer dar.

Das Abgasrohr 7 ist koaxial zu einer Mittelachse 18 der Kühl­ kammer 4 angeordnet und gemäß Fig. 1 auf der rechten Seite, d. h. abgaseinlaßseitig bzw. motorseitig, unmittelbar mit der Kühlkammerwand 9 an den Krümmer 8 angeschlossen. Das Abgas­ rohr 7 weist im mittleren Bereich nach einem Kühlkammerein­ laß 3 eine Verjüngung 16 in der Art einer Venturidüse auf, so daß die gemäß Fig. 1 von rechts, also abgaseinlaßseitig bzw. motorseitig eintretende Abgasströmung einen Druckverlust in­ nerhalb dieses Strömungsabschnitts des Abgasrohres 7 erfährt. Vor und nach der Verjüngung 16 bzw. der Venturidüse weist das Abgasrohr 7 Steueröffnungen 6 am Umfang auf, die mit dem Steu­ errohr 15 und den darin vorgesehenen Kühlkammeröffnungen 3, 5 in Wirkverbindung stehen. Abgasrohr 7 und Steuerrohr 15 bilden relativ zueinander aufgrund der Wärmeausdehnung einen tempera­ turabhängigen, axialen Versatz, so daß die Steueröffnungen 6 und die Kühlkammeröffnungen 3 im kalten Zustand versetzt zu­ einander angeordnet sind und im heißen Zustand einen nahezu deckungsgleichen Zustand einnehmen.

Das Steuerrohr 15 ist ebenfalls koaxial zur Kühlkammermitte­ lachse 18 und zum Abgasrohr 7 angeordnet und gemäß Fig. 1 auf der linken Seite, d. h. abgasauslaßseitig bzw. katalysatorsei­ tig, unmittelbar mit der Kühlkammerwand 9 an den Krürnmer 8 an­ geschlossen. Im Bereich der Anschlußstellen 17 bzw. im Bereich der Steueröffnungen 6 des Abgasrohres 7 weist das Steuer­ rohr 15 die Kühlkammeröffnungen 3, 5 auf.

Gemäß oberer Bildhälfte in Fig. 1 sind die Steueröffnungen 6 und die Kühlkammeröffnungen 3, 5 derart angeordnet, daß im kalten Betriebszustand, d. h. bis etwa 300°C, ein axialer Versatz zwischen den Steueröffnungen 6 und den Kühlkammeröff­ nungen 3, 5 besteht und diese verschlossen sind. Der Abstand zwischen den jeweils korrespondierenden Öffnungsmitten ist demnach größer bzw. gleich groß wie die Breite der Kühlkammer­ öffnungen 3, 5.

Gemäß unterer Bildhälfte in Fig. 1 sind die Steueröffnungen 6 und die Kühlkammeröffnungen 3, 5 im heißen Betriebszustand, d. h. ab etwa 400°C, aufgrund der Wärmeausdehnung des Abgas­ rohrs 7 und des Steuerrohrs 15 bzw. deren verwendeten Materia­ lien übereinander angeordnet, d. h. der Versatz zwischen den jeweiligen Öffnungsmitten ist geringer bzw. geht auf Null zu­ rück.

Das gemäß Fig. 1 von rechts einströmende Abgas wird durch die folgende, nach dem Kühlkammereinlaß 3 angeordnete Venturidü­ se 16 verzögert, d. h. es kommt in Strömungsrichtung gesehen vor der Venturidüse zu einem Druckanstieg. Dieser Druckanstieg begünstigt die Abzweigung eines Teilmassenstroms in die Kühl­ kammer 4. Das in die Kühlkammer 4 über die Steueröffnung 6 und die Kühlkammeröffnung 3 einströmende Abgas wird aufgrund des größer werdenden Strömungsquerschnitts in der Kühlkammer 4 verzögert bzw. es kommt an dieser Stelle zu einer Druckerhö­ hung. Entsprechend wird das Abgas beim Eintritt in das Abgas­ rohr 7 wieder beschleunigt, da dort die beiden Masseströme wieder zusammentreffen und der gesamte Strömungsquerschnitt kleiner wird. Es kommt zu einer Beschleunigung und somit zu einer Druckabnahme. Unterstützt durch die so erzeugte Druck­ differenz innerhalb der Kühlkammer 4 strömt das Abgas durch den geöffneten Kühlkammereinlaß 3 in die Kühlkammer 4 ein und am Ende der Kühlkammer 4 durch den Kühlkammerauslaß 5 wieder in das Abgasrohr 7 gekühlt zurück.

Claims (12)

1. Wärmetauscher (1) für Abgas einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Verschlußeinrichtung (2), wobei der Wärmetau­ scher (1) eine mit Kühlmittel umströmte, einen Kühlkammerein­ laß (3) und einen Kühlkammerauslaß (5) aufweisende Kühlkam­ mer (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom über eine Verschlußeinrichtung (2) gesteu­ ert wird, die aufgrund von Wärmeausdehnung eine Relativbewe­ gung in eine Schließ- oder Durchflußstellung ausführt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasrohr (7) mit der über Wärmeausdehnung gesteuerten Verschlußeinrichtung (2) in der Kühlmittelkammer (4) vorgese­ hen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Kühlkammer (4) ein Abgasrohr (7) mit am Um­ fang angeordneten Steueröffnungen (6) vorgesehen ist, das über Wärmeausdehnung den Kühlkammereinlaß (3) und den Kühlkam­ merauslaß (5) freigibt.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlkammerwand (9) koaxial zum Abgasrohr (7) angeord­ net ist und die Kühlkammerwand (9) abschnittsweise an dem Ab­ gasrohr (7) anliegt oder mit dem Abgasrohr (7) in Wirkverbin­ dung steht.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueröffnung (6) derart angeordnet ist, daß bei einer Temperaturerhöhung des Abgasrohrs (7) ein axialer Versatz zwi­ schen der Steueröffnung (6) und der Kühlkammer (4) oder einer Kühlkammeröffnung (3) auftritt.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlkammerwand (9) der Kühlkammer (4) einlaßseitig und auslaßseitig mit einem Krümmer (8) oder einer Abgasanlage verbunden und das Abgasrohr (7) nur auslaßseitig oder einlaß­ seitig mit dem Krümmer (8) oder der Abgasanlage verbunden ist.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Kühlkammern (4) einen gemeinsamen Überström­ kanal (11), der am Ende des Wärmetauschers eine Rückströmöff­ nung (10) bildet, aufweisen und durch diesen verbunden sind.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (7) auf der Innenseite im Bereich der Steu­ eröffnung (6) eine Einströmhilfe (12) wie ein Leitblech und im Bereich der Steueröffnung (6) eine Ausströmhilfe (14) wie ein Leitblech aufweist.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer (4) neben dem Abgasrohr (7) ein weiteres koaxial oder anliegend zum Abgasrohr (7) axial verschiebbar angeordnetes Steuerrohr (15) aufnimmt, das die mit den Steuer­ öffnungen (6) des Abgasrohrs (7) korrespondierenden Kühlkam­ meröffnungen (10) aufnimmt.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (7) einlaßseitig oder auslaßseitig und das Steuerrohr (15) entgegengesetzt auslaßseitig oder einlaßseitig mit dem Krümmer (8) verbunden ist und die Wärmeausdehnung bei­ der Rohre (7, 15) gegensinnig ausgerichtet ist.

11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einer Venturidüse (16) ausgestattetes und am Um­ fang vor und hinter der Venturidüse (16) angeordnete Steuer­ öffnungen (6) aufweisendes Abgasrohr (7) innerhalb oder koa­ xial zu einem Steuerrohr (15) angeordnet ist, wobei das Steu­ errohr (15) am Umfang im Bereich der Steueröffnungen (6) des Abgasrohres (7) Kühlkammeröffnungen (3, 5) aufweist und beide Rohre (7, 15) aufgrund der Wärmeausdehnung relativ zueinander axial beweglich angeordnet sind.

12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Abgasrohres (7) einen vom Material der Kühlkammer (4) oder des Steuerrohres (15) verschiedenen Wär­ meausdehnungskoeffizienten aufweist oder die Steueröffnung (6) durch eine Verschlußeinrichtung aus Bimetall verschlossen ist.