DE10038796A1 - Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren

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Alwin Wendel
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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung. Das Modul umfasst einen Speicherkatalysator (10) mit Eingangskonus (11) und einen Abgaskühler (20) vor dem Speicherkatalysator (10). Der Abgaskühler (20) wird durch eine Mehrzahl paralleler Rohre (21.1, 21.2, 21.3) gebildet. Um eine gasdichte Verbindung zwischen den parallelen Rohren (21.1, 21.2, 21.3) und den anschließenden Modulelementen (11, 13) herstellen zu können, sind die Enden der Rohre (21.1. 21.2. 21.3) beidseitig zu einem Rohrvielfach (22.1, 22.2) zusammengeführt und so verformt, dass sie sich hier flächig berühren. Dadurch können sie untereinander und mit den anschließenden Modulelementen (11, 13) gasdicht verschweißt werden.

Description

Die Erfindung betrifft Module für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin- Direkteinspritzung (GDI-Motoren) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
GDI-Motoren werden soweit möglich mit einem großen Luftüberschuss betrieben. In dieser Betriebsart entsteht NOx, das durch den üblichen Dreiwege-Katalysator nicht beseitigt werden kann. Aus diesem Grunde sind den GDI-Motoren zur Abgas- Nachbehandlung spezielle Speicherkatalysatoren nachgeschaltet. Diese haben die Eigenschaft, das im Magerbetrieb gebildete NOx für eine gewisse Zeitspanne, typisch 1-2 Minuten, zu speichern. Anschließend muss der Katalysator regeneriert werden. Während dieser Zeitspanne, typisch 1-3 Sekunden, schaltet die Motorelektronik den Motor in den fetten Motorbetrieb.
Die handelsüblichen Speicherkatalysatoren speichern und regenerieren sich in einem Temperaturfenster zwischen 250°C und 450°C. Bei Temperaturen oberhalb 800°C wird die Beschichtung deaktiviert. Ein GDI-Motor erzeugt jedoch je nach Betriebszustand Abgastemperaturen bis zu 950°C nach Vorkatalysator. Aus diesem Grund muss das Abgas zwischen Motor und Speicherkatalysator unter 800°C bei hohen Lasten und Drehzahlen als Temperaturschutz und zwischen 250°C und 450°C bei Magerbetrieb für die Speicherfunktion abgekühlt werden. Das geschieht in speziellen Abgaskühlern.
Es ist bekannt, dass die Automobilhersteller jedes Fahrzeugmodell mit einer ganzen Motorenpalette anzubieten pflegen. Dabei sollen die für den Betrieb des jeweiligen Motors erforderlichen Komponenten gegen die der anderen Motoren ausgetauscht werden können. Dabei sind die mechanischen Rahmenbedingungen des jeweiligen Fahrzeugtyps, insbesondere die Abmessungen der Bodengruppe, zu beachten.
Aus der DE-U 299 03 382 ist ein derartiger modulartig herzustellender Abgaskühler bekannt. Er besteht aus einem Bündel von parallelen Rohren kleinen Querschnitts, die eingangs- und ausgangsseitig von einem Konus gehalten sind. Der Konus ist so gesorgt, dass die ankommende Abgasströmung möglichst verlustarm aus dem Zuführungsrohr kommend auf die Rohre des Rohrbündels aufgeteilt bzw. aus den Rohren des Rohrbündels austretend in das weiterführende Rohr geführt wird.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass diese Konstruktion zwar sehr gut funktioniert, aber einen relativ großen Raumbedarf hat und daher den oben geschilderten beengten Platzverhältnissen der Bodengruppe der Kraftfahrzeuge nicht genügt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Modul für Abgaskühler vor Speicherkatalysatoren anzugeben, welches einen minimalen Platzbedarf hat, leicht an die räumlichen Gegebenheiten angepasst werden kann und sich erheblich schneller und preiswerter herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Modul verzichtet völlig auf Eingangs- und Ausgangskonus. Statt dessen werden die Enden der Rohre des Rohrbündels zu einem Rohrvielfach zusammengeführt und so verformt, dass sie sich flächig berühren und gasdicht verschweißen lassen. Die Außenkontur des Rohrvielfachs wird so geformt, dass sich eine gasdichte Verbindung zu den anschließenden Elementen der Abgasanlage herstellen lässt. Zur Verlängerung der Schweißnahtlänge können die Rohre parabelförmig beschnitten und geschweißt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch die mehrflutige Geometrie des Rohrbündels das Widerstandsmoment bei gleicher Wandstärke deutlich gegenüber einer einflutigen Anlage erhöht wird. Für gleiches Widerstandsmoment kann die Wandstärke des mehrflutigen Systems reduziert werden. Somit ist es in diesem Fall möglich, die Wandstärke der einzelnen Rohre des Bündels auf ähnliches Gewicht im Vergleich zur einflutigen Anlage zu reduzieren. Gleichzeitig wird die Oberfläche um den Faktor 2 vergrößert. Hierbei wird der Einfluss zusätzlicher thermisch inerter Masse des Wärmetauschers im Kaltstart vermieden und der Vorteil zusätzlicher Oberfläche zur Wärmeabgabe im Betrieb genutzt.
Vorzugsweise ist die Außenkontur des Rohrvielfachs kreisringförmig.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Kühlmodul dem Speicherkatalysator unmittelbar vorgesetzt, so dass sich das freie Ende des Eingangskonus des Katalysators direkt mit dem Rohrvielfach gasdicht verbinden lässt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung haben die Rohre unterschiedliche Längen und unterschiedliche Querschnitte. Die Verwendung von Rohren unterschiedlicher Länge kann zum einen bedingt sein durch die räumlichen Verhältnisse des jeweiligen Kraftfahrzeugs. Unterschiedliche Längen der Rohre des Rohrbündels können aber auch durch akustische Anforderungen nötig werden. Richtige Dimensionierung vorausgesetzt kommt es am Ausgang des Rohrbündels zur Interferenzbildung und damit zur Eliminierung störender Frequenzbereiche.
Das Gleiche gilt auch für das Merkmal, dass die Rohre unterschiedliche Querschnitte haben können. Die Schallwellen breiten sich in Rohren mit unterschiedlichen Querschnitten unterschiedlich schnell aus.
Ein weiterer Effekt lässt sich durch die unterschiedliche Aufteilung der heißen Abgase auf die einzelnen Rohre des Rohrbündels erreichen. Sind die Rohre unterschiedlich lang, so ergeben sich unterschiedliche Wärmedehnungen, die die Schweißnähte belasten und das Modul verbiegen. Durch die unterschiedliche Aufteilung der Gasströme lässt sich erreichen, dass die kürzeren Rohre sich stärker erwärmen als die langen Rohre, wodurch die Wärmedehnungen egalisiert werden.
Unterschiedliche Erwärmungen der Rohre des Rohrbündels lassen sich auch dadurch erreichen, dass die kürzeren Rohre teilweise wärmeisoliert oder durch geschickte Führung des Kühlmittels weniger gekühlt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Oberflächen der Rohre profiliert. Vorzugsweise können die Rohre als Drallrohre, Rippenrohre auch mit unterschiedlicher Profilierung oder als Wellrohre ausgebildet werden. Diese Profilierung hat die Aufgabe, die laminare Grenzschicht der Gasströmung aufzureißen und durch Wirbelbildung den Wärmeübergang auf die Rohrwand zu verbessern sowie die Oberfläche zu vergrößern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Gehäuse vorgesehen, welches die Rohre umgibt. Das Gehäuse besitzt Zu- und Ableitungsanschlüsse für ein Kühlmittel (Luft oder Wasser). In die Anschlüsse ist ein Stellglied zur Regulierung des Kühlmittels eingesetzt. Auf diese Weise lässt sich die Kühlwirkung des Rohrbündels im Hinblick auf das optimale Temperaturfenster des Speicherkatalysators gezielt steuern bzw. regeln. Das Stellglied, beispielsweise eine Klappe, ist im Kühlmittelstrom positioniert und somit thermisch nicht belastet und muss nicht gasdicht ausgeführt werden. Durch das Gehäuse kann der Kühlluftstrom im Kreuz,- Gegen- oder im Parallelstrom ausgeführt werden.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Teil einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit Benzin- Direkteinspritzung,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein weiteres Kühlmodul und
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem zur Herstellung des Kühlmoduls verwendbaren Rohr.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren mit Benzin- Direkteinspritzung. Da diese Motoren sehr viel NOx produzieren, ist ein Speicherkatalysator 10 erforderlich, untergebracht in einem herkömmlichen Gehäuse mit Gehäusemantel, Ausgangskonus und Eingangskonus 11. Speicherkatalysatoren speichern und regenerieren sich nur in einem Temperaturfenster zwischen 250°C und 450°C. Bei Temperaturen oberhalb 800°C wird die Beschichtung deaktiviert. Da Motoren mit Benzin-Direkteinspritzung je nach Betriebszustand Abgastemperaturen bis 950°C nach Vorkatalysator erzeugen, muss das Abgas vor dem Speicherkatalysator 10 abgekühlt werden.
Die Abkühlung der Abgase erfolgt in einem Kühlmodul 20, welches im einfachsten Fall vom Fahrtwind des Kraftfahrzeuges gekühlt wird. Das Kühlmodul 20 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Bündel von drei Rohren 21.1, 21.2, 21.3, deren Durchmesser und Länge so ausgesucht sind, dass die Summe der Oberflächen ausreicht, um die erforderliche Kühlwirkung zu erzielen.
Die beiderseitigen Enden des Rohrbündels sind zu einem Rohrvielfach 22.1, 22.2 zusammengefasst. Die Rohre sind so geformt, dass sie sich flächig berühren, und anschließend gasdicht verschweißt. Der Außenumfang des Rohrvielfachs 22.1, 22.2 ist kreisringförmig gestaltet, so dass sich eine gasdichte Verbindung direkt mit dem Eingangskonus 11 des Speicherkatalysators 10 herstellen lässt.
Auf der Eingangsseite ist das Rohrvielfach 22.1 gasdicht mit einem vom Motor kommenden Krümmerrohr 12 verbunden, wobei ein integriertes Flexelement 13 die Elemente entkoppelt.
Die Konstruktion des Kühlmoduls 20 hat sich als sehr stabil herausgestellt. Dadurch ist es möglich, die Rohrwandstärken deutlich zu reduzieren, was Gewicht und Kosten spart. Wesentlich wichtiger ist jedoch, dass dadurch auch die Wärmekapazität des Kühlmoduls 20 reduziert ist, so dass speziell in der Startphase des Motors die Abgase weniger abgekühlt werden und der Speicherkatalysator 10 seine Betriebstemperatur schneller erreicht.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines Kühlmoduls 20'. Das Rohrbündel besteht aus vier Rohren 21.1, . . . 21.4, deren Enden zu je einem Rohrvielfach 22.1, 22.2 zusammengeführt sind. Das ausgangsseitige Rohrvielfach 22.2 ist in der Zeichnung gut zu erkennen.
Zusätzlich ist das Rohrbündel von einem Gehäuse 1 umgeben, welches einen Zuleitungsanschluss 2 und einen Ableitungsanschluss 3 für ein Kühlmittel (Luft, Wasser, Öl oder ähnliches) aufweist. Die Menge des das Gehäuse 1 durchströmenden Kühlmittels lässt sich mit Hilfe eines Stellelementes 4, beispielsweise einer Luftklappe, regulieren.
Fig. 3 zeigt teilweise aufgebrochen ein Stück eines Rohrs 21', welches als Drallrohr ausgebildet ist. Die Rohrwand ist gewindeartig profiliert, so dass die das Rohr 21' durchströmenden Abgase in einen Drall versetzt werden, durch den die den Wärmeübergang störende laminare Grenzschicht aufgelöst wird.

Claims (12)

1. Modul für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung, im wesentlichen umfassend:
  • - einen Speicherkatalysator (10) mit Eingangskonus (11)
  • - und einen Abgaskühler (20) vor dem Speicherkatalysator (10),
  • - der Abgaskühler (20) umfasst eine Mehrzahl paralleler Rohre (21.1, 21.2, 21.3),
gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • - die Enden der Rohre (21.1, 21.2, 21.3) sind beidseitig
  • - zu einem Rohrvielfach (22.1, 22.2) zusammengeführt,
  • - so verformt, dass sie sich flächig berühren
  • - und gasdicht verschweißt,
  • - die Außenkontur des Rohrvielfachs (22.1, 22.2) ist so geformt, dass eine gasdichte Verbindung zu den anschließenden Elementen (11, 13) herstellbar ist.
2. Modul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die sich berührenden Rohrflächen sind zur Verlängerung der Schweißnaht parabelförmig ausgeführt.
3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • - die Rohre (21.1, 21.2, 21.3) besitzen
  • - unterschiedliche Längen
  • - und/oder unterschiedliche Querschnitte.
4. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die kürzeren Rohre (21.1) besitzen einen größeren Querschnitt.
5. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die kürzeren Rohre (21.1) sind teilweise wärmeisoliert.
6. Modul nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die kürzeren Rohre (21.1) sind weniger gekühlt.
7. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die Oberfläche der Rohre (21.1, 21.2, 21.3) ist profiliert.
8. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die Rohre (21.1, 21.2, 21.3) sind als Drallrohre mit unterschiedlichem Profil ausgebildet.
9. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die Rohre (21.1, 21.2. 21.3) sind als Wellrohre ausgebildet.
10. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - die Außenkontur des Rohrvielfachs (22.1, 22.2) ist kreisringförmig.
11. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Merkmal:
  • - das freie Ende des Eingangskonus (11) umschließt das Rohrvielfach (22.2) gasdicht.
12. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Merkmale:
  • - ein Gehäuse (1) umgibt die Rohre (21.1, 21.2, 21.3),
  • - das Gehäuse (1) besitzt Zu- und Ableitungsanschlüsse (2, 3) für ein Kühlmittel,
  • - in die Anschlüsse (2, 3) ist ein Stellglied (4) zur Regulierung des Kühlmittels eingesetzt.
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