DE10153383A1

DE10153383A1 - Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10153383A1
Application number: DE10153383A
Authority: DE
Inventors: Roman Heckt; Thomas Klotten
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-22
Also published as: GB2381576A; GB2381576B; US6942027B2; GB0214326D0; US20030106683A1

Abstract

Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung mit einer Wärmetauscherleitung (6) und einer Bypass-Leitung (7), wobei im Bereich der Wärmetauscherleitung (6) ein Wärmetauscher (16) angeordnet ist und wobei zumindest eine Ventileinrichtung (20, 25) zur Beeinflussung des Abgasmengenstroms in der Wärmetauscherleitung (6) und der Bypass-Leitung (7) vorgesehen ist, wobei zumindest die Wärmetauscherleitung (6) in einer Abgasströmrichtung (13) in Einbaulage ein Gefälle aufweist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik, z. B. der US 4,249,375 bekannt, in der ein Wärmetauscher bezüglich der Abgasstromrichtung eines Verbrennungsmotors oberhalb des Schalldämpfers vorgeschlagen wird, wobei das Motorkühlmittel Wärme von heißen Abgasen eines Verbrennungsmotors aufnehmen kann, während es den Wärmetauscher durchströmt.
Zur Abfuhr von eventuell entstehendem Kondenswasser aus sich abkühlendem Abgas ist der Abgasbereich des Wärmetauschers über eine Drainageleitung mit einem weiter hinten liegenden Bereich der Abgasanlage verbunden, so daß entstehendes Kondenswasser aus dem Wärmetauscher abfließen kann.
Aus der US 4,391,235 ist eine Abgaswärmerückführungsvorrichtung bekannt, welche abgasstromabwärts hinter einem Abgaskatalysator angeordnet ist und eine Abgasleitung mit einem Schalldämpfer aufweist. Parallel zum Schalldämpfer verläuft eine Bypass-Leitung, welche über eine Ventileinrichtung mit Abgas beschickbar ist. In der Bypass-Leitung sitzt ein Wärmetauscher, über den Abgaswärme einem Motorkühlmittel zugeführt werden kann.
Die US 4,884,744 befaßt sich mit einem Heizungssystem für den Innenraum eines Motorfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, wobei dieses neben einer Vielzahl von Wärmetauschern, welche Wärme von heißen Motorbetriebsfluiden, z. B. Öl oder komprimierter Luft der Innenraumheizung zuführen, auch einen Abgaswärmetauscher vorsieht, welcher in einer Bypass-Leitung zum Hauptabgasstrang angeordnet ist und von einem anzuwärmenden Heizfluid durchströmt wird. In der Bypass-Leitung ist ein Drosselklappenventil angeordnet, welches in Abhängigkeit der Heizmitteltemperatur betätigt wird.
Aus der US 3,968,649 ist ein Abgasreinigungssystem bekannt, welches mit Wärmetauschern im Abgasstrang arbeitet, um Teilmengen der Schadstoffe als eine abtrennbare Flüssigkeit oder als abtrennbare Feststoffe zu kondensieren.
Aus der US 2,087,411 ist ebenfalls eine Abgaskondensierungseinrichtung mit einem Kondensatabscheider, in dem ein Filter zur Reinigung des Kondensats angeordnet ist, bekannt. Mit dieser Vorrichtung sollen unverbrannte Brennstoffanteile im Abgas rückkondensiert und dem Motor wieder zugeführt werden.
Aus der US 5,121,602 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung bekannt, die zum Abscheiden von bestimmten Anteilen des Abgases bestimmt ist.
Bei oben beschriebenen Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtungen besteht das Problem, daß durch den Wärmeentzug das im Abgas enthaltene dampfförmige Wasser kondensiert und im Abgasstrang als Flüssigkeit vorliegt.
In der kalten Jahreszeit kann diese Flüssigkeit zu Vereisungen im Abgasstrang des Abgaswärmeaustauschers und insbesondere zu Vereisungen von im Abgasstrang angeordneten Abgasventilen führen, so daß deren Funktion eingeschränkt oder gar unterbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Gefahr des Vereisens vermindert, insbesondere ausgeschlossen ist. Außerdem soll die Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung platzsparend und kostengünstig ausgestaltet sein.
Diese Aufgaben werden mit einer Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung weist eine Wärmetauscherleitung und eine Bypass-Leitung auf, wobei im Bereich der Wärmetauscherleitung ein Wärmetauscher angeordnet ist und wobei zumindest eine Ventileinrichtung zum Beeinflussen des Abgasmengenstroms in der Wärmetauscherleitung und der Bypass Leitung vorgesehen ist, wobei zumindest die Wärmetauscherleitung in einer Abgasströmrichtung in Einbaulage ein Gefälle aufweist.
Vorteilhafterweise weist die Bypass-Leitung entlang der Abgasstromrichtung in Einbaulage ebenfalls ein Gefälle auf.
Um zu erreichen, daß Kondensatwasser bei Abschaltung des Motors nicht in die Wärmeaustauscherleitung zurückläuft und dort den Wärmeaustauscher vereist, ist zweckmäßigerweise das Gefälle der Wärmeaustauscherleitung kleiner als das Gefälle der Bypass-Leitung. Dieser Gefälleunterschied bewirkt, daß das Ende der Wärmeaustauscherleitung und das ende der Bypass-Leitung einen vertikalen Höhenunterschied aufweisen. Das rückfließende Kondensatwasser müßte diese Höhe überwinden, um zum Wärmeaustauscher zurückzufließen. Der vertikale Höhenunterschied wirkt als Kondensat-Rückflußbarriere. Um den zusätzlichen Druckverlust der Abgase in der Wärmeaustauscherleitung zu minimieren, ist das Leitungsstück zur Überwindung dieses vertikalen Höhenunterschiedes s-förmig ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist, daß zumindest eine Ventilvorrichtung in der Wärmetauscherleitung stromoberhalb des Wärmetauschers angeordnet ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung in einer Seitenansicht;
Fig. 2 die erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht.
Eine erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 1 (Fig. 1, Fig. 2) weist abgasstromaufwärts angeordnet eine Abgaseinlaßöffnung 2 und abgasstromabwärts angeordnet eine Abgasauslaßöffnung 3 auf.
An der Abgaseinlaßöffnung 2 und der Abgasauslaßöffnung 3 sind jeweils Befestigungsmittel 4 zum Befestigen der Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 1 an abgasstromaufwärts vorgeordnete bzw. abgasstromabwärts nachgeordnete Teile der Abgasanlage, beispielweise eines Kraftfahrzeugs, angebracht.
Zweckmäßigerweise ist eine erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 1 stromabwärts nach einem Abgaskatalysator angeordnet.
Auf die Einlaßöffnung 2 folgend ist eine erste Abgasrohrgabelung 5 angeordnet, welche den eingangsseitig an der Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 1 angeschlossenen Abgasstrang in eine erste Abgasleitung (Wärmetauscherleitung 6) und eine zweite Abgasleitung (Bypass-Leitung 7) aufteilt.
Zwischen der Wärmetauscherleitung 6 und der Abgasleitungsgabelung 5 ist zweckmäßigerweise ein Wellrohr 8 angeordnet, welches eventuell auftretende Dehnungsunterschiede aufgrund unterschiedlicher Erwärmung der Leitungen 6 und 7 ausgleicht. Um die Ansammlung von Kondensatwasser in den inneren unteren Wellen des Wellrohrs zu vermeiden, wird das Wellrohr zweckmäßigerweise im Bereich des heißeren Abgases vor dem Wärmeaustauscher angeordnet.
Die Wärmetauscherleitung 6 und die Bypass-Leitung 7 verlaufen in der Draufsicht (Fig. 2) gering beabstandet parallel zueinander.
An stromabwärts gelegenen Enden 9 und 10 der Wärmetauscherleitung 6 und der Bypass-Leitung 7 münden diese in eine zweite Abgasleitungsgabelung 11, welche die beiden Teilleitungen 6, 7 wieder zu einer Abgasleitung 12 zusammenführt.
Die erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung 1 ist in einer Einbaulage in einem Kraftfahrzeug (Fig. 1) derart angeordnet, daß sowohl die Wärmetauscherleitung 6 als auch zweckmäßigerweise die Bypass-Leitung 7 in Abgasstromrichtung 13 ein Gefälle zur Horizontalen 14 aufweisen.
Die Bypass-Leitung 7 schließt mit der Horizontalen 14 einen Winkel α ein. Die Wärmetauscherleitung 6 schließt mit der Horizontalen 14 einen Winkel β ein. Zweckmäßigerweise weisen die Winkel α und β einen Wert zwischen 5° und 20° auf.
Das Gefälle der Bypass-Leitung 7 ist zweckmäßigerweise größer gewählt als das der Wärmetauscherleitung 6, so daß der Winkel α größer ist als der Winkel β. Dieser Gefälleunterschied bewirkt, daß die Wärmeaustauscherleitung 6 und die Bypass-Leitung 7 ein Stück vor dem Ende 9, 10 einen vertikalen Höhenunterschied Δh aufweisen. Zweckmäßigerweise wird der Gefälleunterschied zwischen dem Winkel α und dem Winkel β so gewählt, daß der vertikale Höhenunterschied Δh einen Betrag zwischen 0,2.d und 0,5.d aufweist, wobei d der Durchmesser der Wärmeaustauscherleitung 6 ist.
Zum Ende 9 hin weist die Wärmetauscherleitung 6 ein s-förmig gebogenes Leitungselement 15 auf, welches über eine im Verhältnis zur Länge 1 der Wärmetauscherleitung 6 sehr kurze Strecke s den vertikalen Höhenunterschied Δh zur Bypass-Leitung 7ausgleicht, so daß die Wärmetauscherleitung 6 und die Bypass-Leitung 7 auf einer gemeinsamen vertikalen Höhe im Bereich der Enden 9, 10 in die zweite Gabelung 11 einmünden.
Damit der innerhalb des s-förmig gebogenen Leitungselements 15 auftretende abgasseitige Druckverlust begrenzt bleibt, hat das Verhältnis zwischen der Strecke s und dem vertikalen Höhenunterschied Δh einen Wert zwischen 3 und 8.
Der steile Verlauf des Leitungselements 15 dient als Rückflussbarriere für Abgaskondensat, so daß kein Kondensat in dem Bereich der Wärmetauscherleitung verbleibt und z. B. beim Abstellen des Fahrzeuges an einem Gefälle nicht zurückfließen kann.
Innerhalb der Wärmeaustauscherleitung 6 ist über einen Großteil deren Längserstreckung ein Rohrbündelwärmeübertrager 16 integriert. Wesentliche Bestandteile sind eine Vielzahl von parallel abgasdurchströmten inneren Durchgangsrohren, die in zwei Rohrplatten (nicht gezeigt) an beiden Enden eingelötet sind. Zwischen den Außenwänden der Durchgangsrohre und der Innenwand des Mantelrohres 16 fließt das anzuwärmende Medium, beispielsweise Kühlflüssigkeit. Im Bereich des abgasstromoberen und des abgasstromunteren Endes 16b, 16c des Wärmetauscherrohrs 16a sind mittels eines Bogenstücks 17 Rohranschlußstutzen 18 zum Anschluß von z. B. Kühlmittelleitungen angeordnet.
Oberhalb des abgasstromoberen Endes 16b des Wärmetauschermantelrohres 16 ist ein Abgasventil 20 angeordnet, welches nach Art eines Drosselklappenventiles den Innenquerschnitt der Wärmetauscherleitung 6 absperren und freigeben kann. Das Abgasventil 20 ist über eine Betätigungseinrichtung 21, beispielsweise eine Unterdruckstelleinrichtung, über eine Schubstange 22, welche mit einem Betätigungshebel 23 des Ventils 20 in Verbindung steht, stufenlos betätigbar.
Zusätzlich dazu verfügt das Abgasventil 20 in geschlossenem Zustand über eine selbsttätig regelnde Abgasgegendruckregelfunktion. Mittels einer Federvorspannung innerhalb der Unterdruckstelleinrichtung wirkt im geschlossenen Zustand des Klappenventils über den Betätigungshebel 23 ein Drehmoment auf den Schaft der Ventilklappe. Durch eine exzentrische Anordnung des Ventilschafts innerhalb der Ventilklappe erzeugt ein Abgasgegendruck ein Drehmoment auf den Schaft der Ventilklappe entgegen des obigen Drehmoments. Im Gleichgewichtsfall der zwei Drehmomente regelt diese Ventilanordnung einen konstanten Abgasgegendruck.
In der Bypass-Leitung 7 ist ebenfalls eine Ventileinrichtung 25 angeordnet, welche über eine zweite Betätigungseinheit 26 mittels einer Schubstange 27 und einem Hebel 28 die Bypass-Leitung 7 absperren und freigeben kann.
Auch die Ventileinrichtung 25 ist in Abhängigkeit der Bauraumgegebenheiten im Kraftfahrzeug möglichst weit abgasstromaufwärts in der Bypass-Leitung 7 angeordnet.
Der Rohrbündelwärmeaustauscher 16 ist je nach Durchströmungsrichtung des anzuwärmenden Fluids als Gleichstrom oder Gegenstromwärmetauscher betreibbar.
Die erfindungsgemäße Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung verhindert das Vereisen von Abgasventilen zuverlässig, weil diese Ventileinrichtungen zum einen möglichst weit abgasstromaufwärts angeordnet sind, so daß das die Ventileinrichtungen durchströmende Abgas eine möglichst hohe Temperatur aufweist.
Erst nach dem Durchströmen des Abgasventils 20 wird dem Abgas im Rohrwärmetauscher 16 Wärme entzogen, so daß es erst abgasstromabwärts zur Kondensatbildung aus dem Abgas kommen kann.
Zum anderen ist durch die Gefälleanordnung der Wärmetauscherleitung 6 und die Bypass-Leitung 7 sichergestellt, daß eventuell entstehendes Abgaskondensat aufgrund der Schwerkraft von den Ventileinrichtungen 20, 25 wegfließt und mit dem strömenden Abgas mitgerissen wird.
Durch die besonders bevorzugte Anordnung der Wärmetauscherleitung 6, die in ihrem Endbereich um einen Betrag Δh vertikal höher als die Bypass-Leitung 7 ist, und durch das anschließend steiler verlaufende, s-bogenförmige Leitungselement 15 wird zuverlässig verhindert, daß durch Gegendrücke bzw. aufgrund von Druckschwankungen im Abgassystem ein im Abgasstrom eventuell entstehendes Kondensat entgegen der Abgasstromrichtung 13 im Rohrwärmetauscher 16 "nach oben" fließen kann.
Das doppel s-förmige Leitungselement 15 stellt somit wegen dessen relativ steilen Verlaufs eine Rückflussbarriere für Kondensat dar, welches beispielsweise durch Abgasstromumkehr aufgrund von Druckschwankungen im Abgassystem stromaufwärts mitgerissen werden könnte. Somit werden erfindungsgemäß durch die geeignete Wahl der Rohrverläufe platz- und bauraumsparend ohne zusätzliche Teile Vereisungen vermieden.

Claims

1. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung mit einer Wärmetauscherleitung (6) und einer Bypass-Leitung (7), wobei im Bereich der Wärmetauscherleitung (6) ein Wärmetauscher (16) angeordnet ist und wobei zumindest eine Ventileinrichtung (20, 25) zur Beeinflußung des Abgasmengenstroms in der Wärmetauscherleitung (6) und/oder der Bypass-Leitung (7) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Wärmetauscherleitung (6) in einer Abgasströmrichtung (13) in Einbaulage ein Gefälle aufweist.

2. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung (7) entlang der Abgasstromrichtung (13) in Einbaulage ein Gefälle aufweist.

3. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefälle der Wärmetauscherleitung (6) kleiner ist als das Gefälle der Bypass-Leitung (7).

4. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Wärmetauscherleitung (6) ein s-förmig gebogenes Leitungselement (15) anschließt, welches als Rückflußbarriere ein gegenüber dem Gefälle der Wärmetauscherleitung (6) vergrößertes Gefälle aufweist.

5. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Ventilvorrichtung (20, 25) in der Wärmetauscherleitung (6) stromoberhalb des Wärmetauschers (16) angeordnet ist.

6. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bypass-Leitung (7) eine weitere Ventileinrichtung (25) angeordnet ist.

7. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtungen (20, 25) in einer stromaufwärts höchstmöglichen Position angeordnet sind.

8. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherleitung (6) und die Bypass-Leitung (7) mit einer ersten Abgasrohrgabelung (5) verbunden sind, wobei zwischen der Wärmetauscherleitung (6) und der Abgasleitungsgabelung (5) ein Wellrohr (8) angeordnet ist.

9. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherleitung (6) und die Bypass-Leitung (7) in einer Draufsicht gering beabstandet parallel zueinander verlaufen.

10. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherleitung (6) und die Bypass-Leitung (7) mit deren stromabwärts gelegenen Enden (9) und (10) in eine zweite Abgasleitungsgabelung (11) münden.

11. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherleitung (6) und die Bypass-Leitung (7) ein Stück vor den Enden (9, 10) einen vertikalen Höhenunterschied Δh aufweisen, welcher durch das s-förmig gebogene Leitungselement ausgeglichen ist.

12. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Höhenunterschied Δh einen Betrag zwischen 0,2.d und 0,5.d aufweist, wobei d der Durchmesser der Wärmeaustauscherleitung (6) ist.

13. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Strecke s und dem vertikalen Höhenunterschied Δh minimal 3 und maximal 8 beträgt.

14. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Wärmetauscherleitung (6) ein Rohrbündelwärmeaustauscher (16) angeordnet ist.

15. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am abgasstromoberen Ende des Wärmetauscherrohrs (16b) ein Abgasventil (20) angeordnet ist, welches nach Art eines Drosselklappenventils ausgebildet ist und über eine Betätigungseinrichtung stufenlos betätigbar ist.

16. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasventil (20) an der stromaufwärts gelegenen und/oder vertikal in Abhängigkeit der Bauraumbedingungen höchstmöglichen Position angeordnet ist.

17. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (20) in der Wärmeaustauscherleitung (6) als Gegendruckregelventil ausgestaltet ist.

18. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbündelwärmeaustauscher (16) als Gleichstrom- oder Gegenstromwärmetauscher ausgebildet ist.

19. Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Ventil (25) in Abhängigkeit der Bauraumgegebenheiten im Kraftfahrzeug möglichst weit abgasstromaufwärts in der Bypass-Leitung (7) angeordnet ist.