DE102004049511A1 - Semi-active heat-exchanging silencer for internal combustion engine has valve to control portion of exhaust gas flowing through exhaust gas guide tube - Google Patents

Semi-active heat-exchanging silencer for internal combustion engine has valve to control portion of exhaust gas flowing through exhaust gas guide tube Download PDF

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Abstract

The silencer (10) for exhaust gas has a housing (12), an exhaust gas entrance (14), an exhaust gas exit (16), a thermally insulated exhaust gas guide tube (24), and a valve (30) which controls the portion of the exhaust gas flowing through the exhaust gas guide tube. The exhaust gas guide tube may be surrounded by an insulating layer (26).

Description

Die Erfindung betrifft einen semi-aktiven, wärmetauschenden Schalldämpfer, der beispielsweise in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann, die mit einem NOx-Speicherkatalysator versehen ist.The The invention relates to a semi-active, heat-exchanging silencer, the used for example in an exhaust system of an internal combustion engine can be, which is provided with a NOx storage catalyst.

Ein NOx-Speicherkatalysator arbeitet nur in einem Temperaturfenster zwischen 250°C und 450°C. Nach dem Start des Verbrennungsmotors sollte die im Abgas enthaltene Wärme so wenig wie möglich an die Umgebung abgeführt werden, damit der Katalysator seine Anspringtemperatur so schnell wie möglich erreicht. Bei betriebswarmem Verbrennungsmotor muß gewährleistet sein, daß ein Teil der Wärme des Abgases an die Umgebung abgegeben wird, damit der Katalysator nicht überhitzt.One NOx storage catalyst works only in a temperature window between 250 ° C and 450 ° C. After starting the internal combustion engine, the exhaust gas contained in the exhaust should Heat like that as few as possible discharged to the environment so that the catalyst can start its light-off as fast as possible reached. When operating warm combustion engine must be guaranteed be that one Part of the heat the exhaust gas is discharged to the environment, so that the catalyst not overheated.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese beiden widersprüchlichen Anforderungen, also kein Wärmeverlust des Abgases nach Starten des Verbrennungsmotors sowie Herbeiführen eines Wärmeverlusts, wenn sich der Motor auf Betriebstemperatur befindet, durch ein kompaktes und kostengünstig herstellbares Bauteil zu erfüllen.The The object of the invention is to contradict these two Requirements, so no heat loss of the exhaust gas after starting the internal combustion engine and causing a Heat loss, when the engine is at operating temperature, through a compact and cost-effective to meet manufacturable component.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Schalldämpfer für Abgas vorgesehen, mit einem Gehäuse, einem Abgaseintritt, einem Abgasaustritt, einem wärmeisolierenden Abgasführungsrohr und einem Ventil, welches den Anteil des durch das Abgasführungsrohr strömenden Abgases steuern kann. Dieser Schalldämpfer beruht auf dem Grundgedanken, zwei verschiedene Strömungswege für das Abgas bereitzustellen. Der erste Strömungsweg führt vom Abgaseintritt durch das Abgasführungsrohr zum Abgasaustritt. Da das Abgasführungsrohr wärmeisolierend ausgeführt ist, sind die Wärmeverluste des Abgases auf diesem Strömungsweg minimiert; das Abgas kommt am Katalysator mit hoher Temperatur an. Der zweite Strömungsweg führt vom Abgasaustritt durch den Innenraum des Gehäuses, also außerhalb des Abgasführungsrohres, zum Abgasaustritt. Dabei gelangt das Abgas in Berührung mit dem Gehäuse, welches auf seiner Außenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Hierdurch wird das Abgas gekühlt, so daß eine Überhitzung des Katalysators verhindert werden kann. Das Ventil kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Katalysators gesteuert werden, so daß beim Start des Verbrennungsmotors der gesamte Abgasstrom durch den ersten Strömungsweg geleitet wird (abgesehen von einem vernachlässigbaren Leckstrom durch den zweiten Strömungsweg) und mit steigender Betriebstemperatur des Katalysators ein immer größerer Anteil des Abgasstroms durch den zweiten Strömungsweg geleitet wird. Bei hohen Betriebstemperaturen des Katalysators kann schließlich der gesamte Abgasstrom (wiederum abgesehen von einem vernachlässigbaren Leckstrom) durch den zweiten Strömungsweg geleitet werden.to solution This object is inventively a muffler for exhaust provided with a housing, an exhaust gas inlet, an exhaust gas outlet, a heat insulating Exhaust gas guide tube and a valve which controls the proportion of the gas through the exhaust pipe flowing Control exhaust gases. This muffler is based on the idea, two different flow paths for the exhaust gas provide. The first flow path leads from Exhaust gas inlet through the exhaust pipe to the exhaust outlet. Because the exhaust pipe heat insulation accomplished is, are the heat losses the exhaust gas on this flow path minimized; the exhaust gas arrives at the catalyst at high temperature. The second flow path leads from Exhaust gas outlet through the interior of the housing, ie outside the exhaust pipe, to the exhaust outlet. The exhaust gas comes into contact with it the housing, which on its outside the ambient air is exposed. As a result, the exhaust gas is cooled, so that overheating of the catalyst can be prevented. The valve can, for example dependent on be controlled by the temperature of the catalyst, so that at start of the internal combustion engine, the entire exhaust gas flow through the first flow path is passed (apart from a negligible leakage through the second flow path) and with increasing operating temperature of the catalyst an increasing proportion the exhaust stream is passed through the second flow path. At high Operating temperatures of the catalyst may eventually increase entire exhaust flow (again apart from a negligible Leakage current) through the second flow path be directed.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Abgasführungsrohr von einer Hohlkammerstruktur umgeben ist. Die Hohlkammerstruktur dient zur Schalldämpfung mittels Absorption und stellt eine in sich mechanisch stabile Einheit dar. Sie wird gebildet aus einer Vielzahl von hohlen Metallkörpern, beispielsweise Kugeln, die aus einem gesinterten Material bestehen. Da sich die Metallkörper beim Sintern auch mit ihren jeweiligen Nachbarn verbinden, entsteht ein eigenstabiles Gebilde, das durchströmbar ist. Die Herstellung und der Aufbau einer solchen Hohlkammerstruktur ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, so daß hierauf nicht weiter eingegangen wird. Der besondere Vorteil einer Hohlkammerstruktur liegt jedoch darin, daß sie zusätzlich zum hohen Schallabsorptionsvermögen eine geringe thermische Masse und ein gutes Isolationsvermögen aufweist. Aufgrund der geringen thermischen Masse wird nicht viel Energie benötigt, um die Struktur aufzuheizen. Mit einer Dichte in der Größenordnung von 0,3 g/cm3 ist ihre thermische Masse knapp 30 mal kleiner als diejenige eines Rohres gleicher Stärke. Aufgrund ihres Isolationsvermögens nimmt die Struktur auf der Seite des ersten Strömungsweges sehr schnell die Temperatur des Abgases an, während die dem ersten Strömungsweg abgewandten Bereiche der Struktur sich erst mit einer sehr großen zeitlichen Verzögerung erwärmen. Dieser Trägheitseffekt wirkt wie eine zusätzliche Verringerung der thermischen Masse; die thermische Masse ist damit gegenüber herkömmlichen Materialien sehr gering. Besonders vorteilhaft ist, daß die Hohlkammerstruktur eine Doppelfunktion hat. Zum einen dient sie als wärmeisolierende Schicht auf der Außenseite des Abgasführungsrohres, und zum anderen dient sie als schallabsorbierende Schicht ebenfalls auf der Außenseite des Abgasführungsrohres und somit im Inneren des Gehäuses.According to a preferred embodiment it is provided that the exhaust gas guide tube is surrounded by a hollow chamber structure. The hollow chamber structure serves for sound absorption by means of absorption and constitutes a mechanically stable unit. It is formed from a multiplicity of hollow metal bodies, for example balls, which consist of a sintered material. Since the metal bodies also bond with their respective neighbors during sintering, an intrinsically stable structure is created, which can be flowed through. The production and construction of such a hollow chamber structure is well known from the prior art, so that will not be discussed further. However, the particular advantage of a hollow chamber structure is that it has a low thermal mass and good insulation in addition to the high sound absorption capacity. Due to the low thermal mass, not much energy is needed to heat the structure. With a density of the order of 0.3 g / cm 3 , its thermal mass is almost 30 times smaller than that of a tube of equal thickness. Due to their insulating capacity, the structure on the side of the first flow path very quickly assumes the temperature of the exhaust gas, while the regions of the structure facing away from the first flow path only heat up with a very large time delay. This inertia effect acts as an additional reduction in thermal mass; the thermal mass is thus very low compared to conventional materials. It is particularly advantageous that the hollow chamber structure has a double function. On the one hand, it serves as a heat-insulating layer on the outside of the exhaust pipe, and on the other hand, it serves as a sound-absorbing layer also on the outside of the exhaust pipe and thus inside the housing.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.advantageous embodiments The invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described in the attached Drawing is shown. In the drawing shows the only figure a schematic cross section through a silencer according to the invention.

In der Figur ist ein Schalldämpfer 10 zu sehen, der ein Gehäuse 12 aufweist, welches mit einem Abgaseintritt 14 und einem Abgasaustritt 16 versehen ist. Das Gehäuse 12 ist auf seiner Außenseite mit mehreren Kühlrippen 18 versehen.In the figure is a silencer 10 to see a case 12 having, which with an exhaust gas inlet 14 and an exhaust outlet 16 is provided. The housing 12 is on its outside with several cooling fins 18 Mistake.

Der Schalldämpfer ist insbesondere dafür vorgesehen, Teil einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs zu sein. Er kann jedoch grundsätzlich auch in anderen Abgasanlagen eingesetzt werden, beispielsweise bei stationären Verbrennungskraftmaschinen.Of the silencer is specifically designed to To be part of an exhaust system of a motor vehicle. He can, however in principle be used in other exhaust systems, for example at stationary Internal combustion engines.

Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Eintrittsrohr 20 angeordnet, welches sich an den Abgaseintritt 14 anschließt und mit mehreren schematisch angedeuteten Öffnungen 22 versehen ist, durch die das Abgas aus dem Inneren des Eintrittsrohres 20 heraus in den Innenraum des Gehäuses 12 einströmen kann. An das Eintrittsrohr 20 schließt sich ein Abgasführungsrohr 24 an, welches hier einstückig mit dem Eintrittsrohr 20 ausgeführt ist. Das Abgasführungsrohr 24 kann als Verlängerung des Abgaseintritts 14 und des Eintrittsrohres 20 gesehen werden und erstreckt sich hin zum Abgasaustritt 16, wobei es jedoch in einem Abstand von diesem frei im Inneren des Gehäuses 12 endet. Auf der Außenseite des Abgasführungsrohres 24 und damit im Inneren des Gehäuses 12 ist eine Hohlkammerstruktur 26 angeordnet, welche die Außenfläche des Abgasführungsrohres 24 eng umschließt. In der Wandung des Abgasführungsrohres 24 sind mehrere schematisch angedeutete Öffnungen 28 vorgesehen, die eine Strömungsverbindung zwischen dem Inneren des Abgasführungsrohres 24 und der Hohlkammerstruktur 26 bilden.Inside the case 12 is an inlet pipe 20 arranged, which adjoins the exhaust gas inlet 14 connects and with several schematically indicated openings 22 is provided, through which the exhaust gas from the interior of the inlet pipe 20 out into the interior of the housing 12 can flow in. To the inlet pipe 20 closes an exhaust pipe 24 on, which here in one piece with the inlet pipe 20 is executed. The exhaust pipe 24 can as an extension of the exhaust gas inlet 14 and the inlet pipe 20 be seen and extends to the exhaust outlet 16 However, it is at a distance from this freely inside the case 12 ends. On the outside of the exhaust pipe 24 and thus inside the case 12 is a hollow chamber structure 26 arranged, which the outer surface of the exhaust pipe 24 tightly encloses. In the wall of the exhaust pipe 24 are several schematically indicated openings 28 provided, which is a flow connection between the interior of the exhaust pipe 24 and the hollow chamber structure 26 form.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß das Abgasführungsrohr 24 einstückig mit dem Abgasaustritt 16 ausgeführt ist und im Bereich des Übergangs zum Abgasaustritt mit mehreren Öffnungen versehen ist, durch die das Abgas, das durch die Öffnungen 22 in den Innenraum des Gehäuses geströmt ist, wieder in den Abgasaustritt eintreten kann.Alternatively it can be provided that the exhaust pipe 24 integral with the exhaust outlet 16 is executed and is provided in the region of the transition to the exhaust outlet with a plurality of openings through which the exhaust gas through the openings 22 has flowed into the interior of the housing, can enter the exhaust gas outlet again.

Am Übergang vom Eintrittsrohr 20 zum Abgasführungsrohr 24 ist ein Ventil 30 angeordnet, welches als wesentlichen Bestandteil eine Abgasklappe 32 aufweist. Die Abgasklappe 32 kann den Strömungsweg vom Eintrittsrohr 20 zum Abgasführungsrohr 24 stufenlos schließen oder freigeben. Gesteuert wird das Ventil 30 in Abhängigkeit von externen Parametern, insbesondere in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur eines NOx-Speicherkatalysators, der stromabwärts vom Schalldämpfer 10 angeordnet ist.At the transition from the inlet pipe 20 to the exhaust pipe 24 is a valve 30 arranged, which is an essential part of an exhaust flap 32 having. The exhaust flap 32 can the flow path from the inlet pipe 20 to the exhaust pipe 24 steplessly close or release. The valve is controlled 30 as a function of external parameters, in particular as a function of the operating temperature of a NOx storage catalytic converter, downstream of the muffler 10 is arranged.

Alternativ kann die Abgasklappe 32 auch stromabwärts der Hohlkammerstruktur 26 angeordnet sein.Alternatively, the exhaust flap 32 also downstream of the hollow chamber structure 26 be arranged.

Der Schalldämpfer 10 arbeitet in der folgenden Weise: Wenn stromabwärts des Schalldämpfers eine hohe Abgastemperatur gewünscht wird, stellt das Ventil 30 die Abgasklappe 32 parallel zur Längsachse des Eintrittsrohres 20 und des Abgasführungsrohres 24. Dadurch ergibt sich ein sehr geringer Strömungswiderstand, so daß das Abgas auf einem ersten Strömungsweg SW1 vom Abgaseintritt 14 über das Eintrittsrohr 20 und das Abgasführungsrohr 24 zum Abgasaustritt 16 geführt wird. Aufgrund der wärmeisolierenden Eigenschaften der Hohlkammerstruktur 26 wird dem Abgas auf dem ersten Strömungsweg SW1 kaum Wärme entzogen, so daß es den Schalldämpfer mit einer hohen Temperatur verläßt. Gleichzeitig wirkt die Hohlkammerstruktur 26, die vorzugsweise offenporig gesintert ist, als Schallabsorber mit definiertem Absorptionsvolumen.The silencer 10 works in the following way: If a high exhaust gas temperature is desired downstream of the muffler, the valve stops 30 the exhaust flap 32 parallel to the longitudinal axis of the inlet pipe 20 and the exhaust pipe 24 , This results in a very low flow resistance, so that the exhaust gas on a first flow path SW1 from the exhaust gas inlet 14 over the inlet pipe 20 and the exhaust pipe 24 to the exhaust outlet 16 to be led. Due to the heat-insulating properties of the hollow chamber structure 26 Heat is hardly removed from the exhaust gas on the first flow path SW1, so that it leaves the muffler at a high temperature. At the same time the hollow chamber structure acts 26 , which is preferably sintered porous, as a sound absorber with a defined absorption volume.

Wenn stromabwärts des Schalldämpfers 10 eine niedrigere Abgastemperatur gewünscht wird, verstellt das Ventil 30 die Abgasklappe 32 so, daß der Abgasstrom durch den ersten Strömungsweg SW1 gedrosselt wird. Dadurch strömt ein Teil des Abgases durch die Öffnungen 22 aus dem Eintrittsrohr 20 heraus in den Innenraum des Gehäuses 12 und strömt in einem zweiten Strömungsweg SW2 außen um das Abgasführungsrohr 24 und die Hohlkammerstruktur 26 herum zum Abgasaustritt 16. Dabei gelangt es in Berührung mit der Innenseite des Gehäuses 12, welches auf seiner Außenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist. Dadurch wirkt das Gehäuse 12 des Schalldämpfers 10 als Wärmetauscher, der dem Abgas Wärme entzieht. Dies wird durch die Kühlrippen 18 auf der Außenseite des Gehäuses 12 unterstützt. Der Abgasstrom verläßt den Schalldämpfer 10 somit mit einer niedrigeren Temperatur.When downstream of the muffler 10 a lower exhaust gas temperature is desired, the valve adjusts 30 the exhaust flap 32 such that the exhaust gas flow is throttled through the first flow path SW1. As a result, a portion of the exhaust gas flows through the openings 22 from the inlet pipe 20 out into the interior of the housing 12 and flows in a second flow path SW2 outside around the exhaust pipe 24 and the hollow chamber structure 26 around to the exhaust outlet 16 , It comes into contact with the inside of the housing 12 , which is exposed on its outside of the ambient air. As a result, the housing acts 12 of the muffler 10 as a heat exchanger, which extracts heat from the exhaust gas. This is done by the cooling fins 18 on the outside of the case 12 supported. The exhaust stream leaves the muffler 10 thus with a lower temperature.

Auch für das über den zweiten Strömungsweg SW2 strömende Abgas dient die Hohlkammerstruktur 26 als Schallabsorber.The hollow chamber structure also serves for the exhaust gas flowing via the second flow path SW2 26 as a sound absorber.

1010
Schalldämpfersilencer
1212
Gehäusecasing
1414
Abgaseintrittexhaust inlet
1616
Abgasaustrittexhaust outlet
1818
Kühlrippencooling fins
2020
Eintrittsrohrinlet pipe
2222
Öffnungopening
2424
AbgasführungsrohrExhaust gas guide tube
2626
HohlkammerstrukturHollow chamber structure
2828
Öffnungenopenings
3030
VentilValve
3232
Abgasklappeexhaust flap

Claims (11)

Schalldämpfer (10) für Abgas, mit einem Gehäuse (12), einem Abgaseintritt (14), einem Abgasaustritt (16), einem wärmeisolierenden Abgasführungsrohr (24) und einem Ventil (30), welches den Anteil des durch das Abgasführungsrohr (24) strömenden Abgases steuern kann.Silencer ( 10 ) for exhaust gas, with a housing ( 12 ), an exhaust gas inlet ( 14 ), an exhaust outlet ( 16 ), a heat insulating exhaust pipe ( 24 ) and a valve ( 30 ), which determines the proportion of the gas through the exhaust pipe ( 24 ) flowing exhaust gas can control. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasführungsrohr (24) von einer isolierenden Schicht (26) umgeben ist.Silencer according to claim 1, characterized in that the exhaust gas duct ( 24 ) of an insulating layer ( 26 ) is surrounded. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasführungsrohr (24) von einer schallabsorbierenden Schicht (26) umgeben ist.Silencer according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the exhaust-gas guide tube ( 24 ) of a sound-absorbing layer ( 26 ) is surrounded. Schalldämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasführungsrohr (24) mit Öffnungen (28) versehen ist, die zur schallabsorbierenden Schicht (26) führen.Silencer according to claim 3, characterized in that the exhaust gas duct ( 24 ) with openings ( 28 ) to the sound-absorbing layer ( 26 ) to lead. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasführungsrohr (24) von einer Hohlkammerstruktur (26) umgeben ist.Silencer according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas guide tube ( 24 ) of a hollow chamber structure ( 26 ) is surrounded. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) auf seiner Außenseite mit Kühlrippen (18) versehen ist.Silencer according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 12 ) on its outside with cooling fins ( 18 ) is provided. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (30) ein Klappenventil ist.Silencer according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 30 ) is a flapper valve. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (30) am Eingang des Abgasführungsrohres (24) angeordnet ist.Silencer according to one of the preceding claims, characterized in that the valve ( 30 ) at the entrance of the exhaust pipe ( 24 ) is arranged. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abgaseintritt (14) und dem Abgasführungsrohr (24) ein Eintrittsrohr (20) angeordnet ist.Silencer according to one of the preceding claims, characterized in that between the exhaust gas inlet ( 14 ) and the exhaust pipe ( 24 ) an inlet pipe ( 20 ) is arranged. Schalldämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsrohr (20) mit Öffnungen (22) versehen ist, durch die das Abgas in den Innenraum des Gehäuses (12) überströmen kann.Silencer according to claim 9, characterized in that the inlet pipe ( 20 ) with openings ( 22 ), through which the exhaust gas into the interior of the housing ( 12 ) can overflow. Schalldämpfer nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsrohr (20) einstückig mit dem Abgasführungsrohr (24) ausgeführt ist.Silencer according to claim 9 or claim 10, characterized in that the inlet pipe ( 20 ) in one piece with the exhaust pipe ( 24 ) is executed.
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