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Querverweis auf verwandte
Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 1. Juli 2008 eingereichten
US-Patentanmeldung Seriennr. 61/077,362, deren Inhalt durch Verweis
darauf hierin aufgenommen wird.
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Gebiet der Erfindung
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen eine Fluideintragseinrichtung
und insbesondere eine Fluideintragseinrichtung zum Kühlen eines
Abgases.
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Hintergrund
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Hersteller
von Fahrzeugen, die Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren,
nutzen, sind bestrebt, Abgasemissionen zu reduzieren und zu steuern
sowie aktuelle und künftige
Abgasnormen für
die Freisetzung von Stickoxiden (NOx), unverbrannten
und teilweise oxidierten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid
(CO), Partikeln und anderen Emissionen (d. h. Wasserstoffsulfid
(H2S) und Ammoniak (NH3))
einzuhalten. Um die vorstehend erwähnten Emissionen zu reduzieren,
werden Dieselmotoren typischerweise mit Abgasnachbehandlungssystemen
betrieben.
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Abgasnachbehandlungssysteme
umfassen typischerweise ein oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen,
beispielsweise Oxidationskatalysato ren, NOx-Minderungsvorrichtungen,
Dieselpartikelfilter (DPFs) und Schwefelfallen, sind aber nicht
hierauf beschränkt.
Diese Nachbehandlungsvorrichtungen erfordern im Allgemeinen für optimales
Arbeiten das Vorliegen bestimmter Bedingungen im Motorabgas. Zum
Beispiel weisen NOx-Minderungsvorrichtungen und Oxidationskatalysatoren
ein relativ schmales Temperaturfenster auf, in dem die Vorrichtungen
auslösen,
regenerieren oder mit hohem Umwandlungswirkungsgrad arbeiten. Manche
Nachbehandlungsvorrichtungen erfordern das Erwärmen der Vorrichtung auf Temperaturen,
die höher
als die typischerweise von den Motorabgasen vorgesehenen sind, um
die Sollbetriebstemperatur der Nachbehandlungsvorrichtung zu erreichen.
Ein Beispiel für
eine solche Vorrichtung ist ein Dieselpartikelfilter (DPF).
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Dieselpartikelfilter
halten Partikel zurück,
die von einem Dieselmotor-Abgasstrom
mitgeführt
werden, bei Betrieb nehmen solche Dieselpartikelfilter an einem
Ende Abgasstrom auf und halten Partikel fest, wenn Abgase durch
dünne Kanalwände diffundieren und
am anderen Ende austreten. Ein ständiger Partikelaufbau im Dieselpartikelfilter
ist unerwünscht,
daher ist es erforderlich, den Partikelaufbau zu beseitigen, bevor
der Filter verstopft ist.
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Das
Entfernen des Partikelaufbaus wird durch einen Regenerationsprozess
ausgeführt,
bei dem die Temperatur des DPF auf einen Wert angehoben wird, der
zum Bewirken von Verbrennung und Verdampfung der von dem DPF zurückgehaltenen Partikel
ausreicht. Sobald die Partikel verdampft sind, können die Verbrennungsprodukte
durch den Abgasstrom aus dem Filter heraus gespült werden.
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Um
ein örtlich
begrenztes Erwärmen
zum effizienten Entfernen von Partikeln von dem Filter vorzusehen,
müssen
die Abgastemperaturen in dem DPF angehoben werden. Bei einem DPF
gibt es zwei primäre
Regenerationsvorgänge:
passiv und aktiv. Während
der passiven Regeneration erreichen Abgase ausreichende Temperaturen,
um katalytische Reaktionen zu fördern,
die zurückgehaltenen
Ruß oxidieren.
Bei aktiven Regenerationsmodi zwingt das Bordsteuermodul des Motors
das System, die Abgastemperaturen anzuheben und/oder den verfügbaren Sauerstoffgehalt
zu regeln, um einen Regenerationsvorgang entweder zu fördern oder
zu unterbrechen. Regenerationsvorgänge erfordern typischerweise Abgastemperaturen
zwischen 570 und 650 Grad Celsius.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
wird eine Abgaskühleinrichtung
und ein Verfahren zum Kühlen
eines Abgases vorgesehen. Die Abgaskühleinrichtung weist eine erste
Fluidleitung und eine veränderliche
Düse auf,
die sich von der ersten Fluidleitung erstreckt. Dabei ist die veränderliche
Düse in
einem Einlassende einer zweiten Fluidleitung angeordnet, wobei die
veränderliche Düse mindestens
zwei zueinander benachbarte unähnliche
Materialien aufweist und eine Fluideinlassöffnung zwischen einem Außenumfang
der veränderlichen
Düse und
einer Innenfläche
des Einlassendes der zweiten Fluidleitung positioniert ist. Die
unähnlichen
Materialien verändern
als Reaktion auf eine Temperatur eines durch die erste Fluidleitung
strömenden
Abgases die Größe einer Öffnung der
veränderlichen
Düse durch
Bewegen hin zu oder weg von einer Mittellinie der ersten Fluidleitung.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Kühlen
eines Abgases einer Abgasbehandlungsvorrichtung eines Motors vorgesehen. Das
Verfahren umfasst dabei: Leiten eines Abgases durch eine erste Fluidleitung
mit einer veränderlichen Düse, die
durch mindestens zwei zueinander benachbarte unähnliche Materialien festgelegt
ist und die sich von der ersten Fluidleitung erstreckt. Die veränderliche
Düse ist
in einem Einlassende einer zweiten Fluidleitung aufgenommen, und
die veränderliche Düse ist in
der zweiten Fluidleitung nahe dem Einlassende der zweiten Fluidleitung
angeordnet, so dass zwischen einem Außenumfang der veränderlichen Düse und einer
Innenfläche
des Einlassendes der zweiten Fluidleitung eine Fluideinlassöffnung festgelegt
ist. Somit wird ein Fluid durch Verändern der Größe einer Öffnung der
veränderlichen
Düse durch
die Fluideinlassöffnung
in die zweite Fluidleitung eingeleitet, wobei das Fluid eine Temperatur
aufweist, die niedriger als die des Abgases ist, und das Fluid in
der zweiten Fluidleitung mit dem Abgas gemischt wird, um ein Mischgas
vorzusehen, wobei das Mischgas eine Temperatur aufweist, die niedriger
als die des Abgases ist. Die Öffnung
der veränderlichen
Düse wird
als Reaktion auf eine Temperatur des durch die erste Fluidleitung
strömenden
Abgases durch Bewegen der mindestens zwei unähnlichen Materialien hin zu
oder weg von einer Mittellinie der ersten Fluidleitung verändert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Andere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten gehen lediglich beispielhaft
aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, wobei
die Beschreibung sich auf die Zeichnungen bezieht. Hierbei zeigen:
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1 eine
Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1A eine
vergrößerte Teilquerschnittansicht
eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung
in einer ersten Position;
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1B eine
vergrößerte Querschnittansicht eines
Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung
in einer zweiten Position;
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2 eine
Querschnittansicht der Abgaskühlvorrichtung
in einer ersten Betriebsposition;
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3 eine
Querschnittansicht der Abgaskühlvorrichtung
in einer zweiten Betriebsposition;
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4 eine
schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einer Abgaskühlvorrichtung;
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5 eine
Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer
alternativen Ausführungsform;
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5A eine
vergrößerte Querschnittansicht eines
Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung
von 5 in einer ersten Position;
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5B eine
vergrößerte Querschnittansicht eines
Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung
von 5 in einer zweiten Position;
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6 eine
Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer
noch anderen alternativen Ausführungsform;
und
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6A eine
vergrößerte Querschnittansicht eines
Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung
von 6 in einer ersten Position;
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme nun auf 1–4 und gemäß einer
nicht einschränkenden
Ausführungsform
ist eine Abgaskühleinrichtung 10 dargestellt.
Die Abgaskühleinrichtung
weist eine erste Fluidleitung 12 und eine zweite Fluidleitung 14 auf.
Auch wenn die erste und die zweite Fluidleitung mit kreisförmigen Konfigurationen
und Öffnungen
dargestellt sind, wird für
die erste und zweite Fluidstromleitung jede Querschnittform in Betracht
gezogen, solange die erwünschten
Ergebnisse erreicht werden. Nicht einschränkende Beispiele solcher Konfigurationen umfassen
oval, elliptisch, quadratisch, rechteckig und Entsprechungen derselben.
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Die
erste Fluidleitung ist durch mehrere Sicherungselemente oder Abstandshalter 16 an
der zweiten Fluidleitung befestigt. Die Abstandshalter sind so konfiguriert,
dass das Fluid von Bereichen, die die erste Fluidleitung umgeben,
in die zweite Fluidleitung strömen
kann. Die erste Fluidleitung ist dafür konfiguriert, ein Abgas von
einem (nicht gezeigten) Motor aufzunehmen, und weist eine veränderliche
Düse 17 mit
einer Öffnung 18 auf,
die zum Leiten des Abgases in die zweite Fluidleitung positioniert
ist.
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Die
veränderliche
Düse der
ersten Fluidleitung kann sich an ihrem distalen Ende zusammenziehen
und weiten, um sowohl eine kleinere Öffnung (1 und 3)
als auch eine größere Öffnung (2)
vorzusehen. Demgemäß sieht
die veränderliche
Düse eine
veränderliche
Düsenöffnung vor.
Wie hierin erläutert
wird, hängt
die Größe der veränderlichen
Düsenöffnung von
der Temperatur des durch die erste Fluidleitung und die Düse strömenden Abgases
ab. Wenn sich das distale Ende der Düse zusammenzieht, wird eine
Umfangsöffnung
zwischen einer Außenfläche der
Düse und
einer Innenfläche
einer Einlassöffnung
der zweiten Fluidleitung vorgesehen und/oder vergrößert. Diese
Einlassöffnung
lässt kühlere Gase
(z. B. Umgebungsluft) in die Abgaskühleinrichtung eintreten.
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In
der Ausführungsform
von 1–4 sind
die veränderliche
Düse und
ihre Öffnung
durch mehrere Laschenelemente 20 festgelegt, die sich von
der ersten Fluidleitung erstrecken. Die mehreren Laschenelemente
sind durch mehrere längliche Öffnungen
oder Spalte 22, die durch einen beliebigen geeigneten Herstellungsprozess
gebildet sind, voneinander beabstandet. Demgemäß legt eine Anordnung von Laschenelementen,
die sich von der ersten Fluidleitung erstrecken, die veränderliche
Düse und ihre Öffnung fest.
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Die
veränderliche
Düse erstreckt
sich von einem Ende der ersten Fluidleitung und ist in einem Einlassende 24 der
zweiten Fluidleitung positioniert. Die zweite Fluidleitung weist
einen zwischen dem Einlassende 24 und einem Auslassende 28 der
zweiten Fluidleitung angeordneten mittleren Abschnitt 26 auf.
Wie gezeigt ist eine Querschnittfläche der Öffnung in dem mittleren Abschnitt 26 kleiner
als die Querschnittfläche
der Öffnung
an dem Einlassende 24 und dem Auslassende 28.
Somit ähnelt
die zweite Fluidleitung einem Venturi-Rohr. Die mehreren Laschen
sind so konfiguriert, dass sie die Größe der Düsenöffnung verändern, was wiederum eine Öffnung für das Eindringen
von kühlerem
Fluid oder Umgebungsluft in die zweite Fluidleitung verändert und eine
veränderliche
Mündung
in die zweite Fluidleitung vorsieht.
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Der
Außendurchmesser
oder der Umfang der ersten Fluidleitung ist kleiner als der Umfang
oder Durchmesser des Einlassendes der zweiten Fluidleitung, so dass
eine Fluideinlassöffnung 30 vorgesehen
wird. Wenn die Öffnung 30 aufgrund
eines Zusammenziehens von Laschen 20 vergrößert wird,
bewegt sich ein Abgas 32 in Richtung des Pfeils 34 durch
die erste Fluidleitung und die erste Fluidleitung 12 umgebende
Umgebungsluft 36 wird durch die Fluideinlassöffnung 30 in
Richtung von Pfeil 38 eingesaugt. Somit beruht die Größe der Düsenöffnung 18 und
der Fluideinlassöffnung 30 auf
der Temperatur des durch die erste Fluidleitung und die Düse strömenden Abgases,
und die Größe der Düsenöffnung und
der Fluideinlassöffnung 30 ändert sich
entsprechend.
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Um
die Größe sowohl
der Düsenöffnung 18 als
auch der Fluideinlassöffnung 30 zu ändern, sind die
mehreren Laschen 18 aus einem Material oder Materialien
gebildet, das bzw. die jede der mehreren Laschen zwischen einer
ersten Position (1A) und einer zweiten Position
(1B) wechseln lässt/lassen,
wenn sich die Temperatur des Abgases ändert. Siehe auch 2 und 3,
die die mehreren Laschen in der ersten Position und der zweiten Position
zeigen.
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Die
erste Position (1A) entspricht einem kühlen Abgas
(z. B. unter 550 Grad Celsius), das durch die erste Fluidleitung 12 strömt, und
die zweite Position (1B) entspricht einem heißeren Abgas (z.
B. über
570 Grad Celsius), das durch die erste Fluidleitung 12 strömt. Es versteht
sich natürlich, dass
Temperaturen über
oder unter den vorstehend erwähnten
Temperaturen in Betracht gezogen werden. Die zweite Position verringert
die Größe der Düsenöffnung 18,
was wiederum die Geschwindigkeit des durch die Düsenöffnung tretenden Abgases steigert,
was ein Saugen einer größeren Menge
an Umgebungsluft (Nicht-Abgas) durch die Fluideinlassöffnung 30 in
die zweite Fluidleitung 14 bewirkt.
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Um
diese Bewegung der Laschen 20 zum Verändern der Öffnung 18 zu erreichen,
ist jede der mehreren Laschen aus einem bimetallischen Material
gebildet, das ein erstes Material (z. B. Metall oder Metalllegierung) 40 und
ein zweites Material (z. B. Metall oder Metalllegierung) 42 umfasst,
das mit dem ersten Material verbunden oder benachbart dazu ausgebildet
ist, so dass die beiden Materialien den Laschenabschnitt bilden.
Das erste Material weist einen höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten
als das zweite Material auf, so dass bei Steigen der Temperatur
des Abgases das erste Material jede der mehreren Laschen veranlasst,
sich hin zu einer Mittellinie 44 der ersten Fluidleitung
zu biegen, wobei eine solche Bewegung der mehreren Laschen die Größe der Düsenöffnung verringert.
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Jedes
Metall wird beruhend auf seinen Materialeigenschaften zum Verwirklichen
einer geeigneten Bewegung der Laschen entsprechend der Temperatur
des Abgasstroms durch die erste Fluidleitung 12 gewählt. Die
Materialeigenschaften werden so gewählt, dass das Metall 40 (äußeres Metall)
im Verhältnis
zum Metall 42 (inneres Metall) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist. Das bimetallische Material kann unter Verwendung eines beliebigen
geeigneten Prozesses (z. B. zwei zusammengelötete oder zusammengeschweißte Schichten,
Metallabscheideprozesse, verschiedene Walz- und Plattierungsprozesse
oder beliebige Entsprechungen derselben) gebildet werden, wobei
Metallschichten mit unähnlichen
Materialeigenschaften benachbart zueinander positioniert werden,
insbesondere von Prozessen, die eine starke metallurgische Bindung
zwischen dem ersten und zweiten Material bilden, die ausreicht,
um seine Beständigkeit
in der hierin beschriebenen Temperaturwechselumgebung aufrechtzuerhalten.
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Die
erste Fluidleitung 12 ist dafür konfiguriert, Abgas von einer
Abgasbehandlungsvorrichtung 46 aufzunehmen, die in einer
Ausführungsform
ein Dieselpartikelfilter (DPF) ist. Wie aus dem verwandten Stand
der Technik bekannt ist, ist ein Dieselpartikelfilter eine Abgasbehandlungsvorrichtung,
die ein Heizen auf einen Wert erfordert, der über dem liegt, der typischerweise
von dem Abgas zum Erreichen einer Sollbetriebstemperatur vorge sehen
wird, um die Regeneration des Partikelfilters zu fördern. Wie
in 4 gezeigt ist, ist die erste Einlassleitung mittels einer
Leitung 47 mit dem Auslass der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 verbunden.
Natürlich
kann die erste Fluidleitung 12 direkt mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 verbunden
sein, oder es kann ein anderes geeignetes Mittel zum Vorsehen von
Fluidverbindung dazwischen zum Verbinden der ersten Fluidleitung
mit der Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet werden.
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Wenn
die Temperatur aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 steigt
und die Umgebungstemperatur (Temperatur und Konvektionskühlung aus Bewegung
um die Abgasanlage) nicht ausreichen, um den Abgasstrom durch die
Düse zu
kühlen,
dehnt sich das äußere Metall 40 aufgrund
der bimetallischen Eigenschaften der Laschen 20 schneller
als das innere Metall 42 aus, was ein Biegen der Anordnung
von Metalllaschen nach innen bewirkt, wodurch der Durchmesser der
Düse 17 verringert
wird. Dies fördert
durch Beschleunigen des Abgasstroms durch die Düse in den mittleren Abschnitt 26 und
durch Vergrößern des
Raums für
das Eindringen von Umgebungsluft in die Venturi-Vorrichtung eine
effektivere Venturi-Wirkung durch die zweite Leitung 14.
Dadurch wird heißes
Abgas mit kühler
Umgebungsluft verdünnt
und die Kühlwirkung
erreicht. Demgemäß sieht
die Abgaskühleinrichtung
ein Venturi veränderlicher
Mündung
vor, wenn sich die Düsenöffnung 18 als
Reaktion auf die Abgastemperatur weitet und zusammenzieht, um kühlende Gasen
in ein Abgas eines Motors einzuleiten.
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Wenn
dagegen die Umgebungstemperaturen kühler sind und/oder das Fahrzeug
sich bei einer Geschwindigkeit bewegt, die zum Kühlen der Abgasanlage ausreicht
(d. h. die kühlende
Luft bewegt sich über
das Endrohr und austretende Endrohrgase sind nicht an stationären Vorrichtungen
konzentriert), und/oder der DPF sich nicht in einem Regenerationsmodus befindet
(d. h. die Abgase sind kühler,
zum Beispiel unter 550 Grad Celsius), pflegt der Durchmesser der
Düsenmündung größer zu werden,
wodurch der Gegendruck auf die Anlage verringert wird. Die Zunahme
des Durchmessers der veränderlichen Mündung wird
durch das stärkere
Zusammenziehen von dem äußeren Metall 40 im
Verhältnis
zum inneren Metall 42 erreicht, und somit wird die Wirksamkeit des
Venturi verringert und der Motorgegendruck verringert. Bei einem
Kompressionszündungsmotor (Magermotor)
kann bei einem sich bewegenden Fahrzeug diese Wirkung den Gegendruck
unter einem großen
Bereich von Betriebsbedingungen verringern, nämlich wenn keine Abgaskühlung erforderlich
ist. Diese reduzierte Beschränkung
verbessert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und erlaubt es dem Motor,
eine höhere
Leistung/ein höheres
Drehmoment zu erreichen, ohne dass verschiedene Betriebstemperaturgrenzen
von Motorbauteilen überschritten
werden.
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2 veranschaulicht
den Zustand, da das von der ersten Fluidleitung aufgenommene Abgas nicht
heiß genug
ist, um ein zusätzliches
Mischen der kühleren
Umgebungsluft durch die Einlassöffnung zwischen
der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu induzieren,
wenngleich wie gezeigt längliche Öffnungen
oder Spalte 22 ein Mischen einer gewissen Menge kühlerer Umgebungsluft
mit dem Abgas in der zweiten Fluidleitung ermöglichen, doch verringert die
geringere Geschwindigkeit der größeren Düsenöffnung die
in die zweite Fluidleitung gesaugte Menge an Umgebungsluft. Die
veränderliche Düsenöffnung 18,
die durch die distalen Enden 48 der mehreren Laschen 20 festgelegt
ist, wird ebenfalls vergrößert, was
ebenfalls zu einer verringerten Abgasgeschwindigkeit sowie einem
verringerten Gegendruck zur Abgasbehandlungsvorrichtung 46 führt, da
die Öffnung
der veränderlichen
Düse 18 sich
bei ihrer größten Konfiguration
befindet.
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3 veranschaulicht
den Zustand, da bei heißer
werdendem Abgas (z. B. aufgrund von Regeneration des Dieselpartikelfilters
der Abgasanlage) das erste Material 40 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
jede der mehreren Laschen 20 veranlasst, sich hin zur Mittellinie 44 der
ersten Fluidleitung 12 zu biegen und die Größe der Düsenöffnung 18 zu
verringern, während
gleichzeitig die Größe der Einlassöffnung 30 vergrößert wird.
Wenn die mehreren Laschen 20 hin zur Mittellinie 44 der ersten
Fluidleitung 12 gebogen werden, wird die Größe der Düsenöffnung 18,
die durch ein distales Ende 48 jedes der mehreren Laschenelemente
festgelegt ist, verringert und die Geschwindigkeit des durch die Düsenöffnung 18 tretenden
Abgases wird gesteigert und die Venturi-Wirkung der durch die zweite
Fluidleitung 14 tretenden Gase bewirkt ein Saugen von kühlerer Umgebungsluft
in die Einlassöffnung 30.
Demgemäß wird das
heiße
Abgas in dem mittleren Abschnitt der zweiten Fluidleitung 14 mit
der kühleren Umgebungsluft
verdünnt,
um ein verdünntes
oder gekühltes
Abgas 50 in der Richtung des Pfeils 52 vorzusehen.
Die Konfiguration der in 3 veranschaulichten Abgaskühleinrichtung
ist während
eines Regenerationsvorgangs des Dieselpartikelfilters oder der Abgasbehandlungsvorrichtung 46,
der zu heißeren
Abgasen (z. B. über
570 Grad Celsius) führt,
erwünscht.
Während
dieses Vorgangs ist es wünschenswert,
diese Abgase durch Mischen derselben mit der die erste Fluidleitung 12 umgebenden
Umgebungsluft zu kühlen.
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In
einer nicht einschränkenden
Ausführungsform
berühren
die Laschen 20 die zweite Fluidleitung 14 in der
ersten Position und schließen
die Öffnung 30 zwischen
dem Außenumfang
der Düse
und dem Innenumfang der Einlassöffnung
der zweiten Fluidleitung 14 im Wesentlichen. Alternativ
berühren
die Laschen 20 die zweite Fluidleitung in der ersten Position
nicht, aber die Öffnung 30 zwischen
dem Außenumfang
der ersten Fluid leitung und dem Innenumfang der zweiten Fluidleitung
bleibt im Wesentlichen geschlossen (siehe zum Beispiel 2).
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Ferner
kann der exakte Ort der veränderlichen
Düse 17 in
der zweiten Fluidleitung 14 variieren, solange das erwünschte Mischen
während
bestimmter Abgasbedingungen erreicht wird. Das Abgas wird nämlich in
dem mittleren Abschnitt 26 der zweiten Fluidleitung 14 mit
der Umgebungsluft gemischt, um ein kühleres Mischgas 50 vorzusehen,
das durch die Auslassöffnung 28 der
zweiten Fluidleitung 14 abgelassen wird. Zum Beispiel ist
ein Außenumfang
der veränderlichen
Düse 17 in
dem Einlassende 24 der zweiten Fluidleitung 14 angeordnet
oder ein Außenumfang
der ersten Fluidleitung 12 ist in dem Einlassende 24 der
zweiten Fluidleitung 14 angeordnet.
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In
einer alternativen Ausführungsform
und unter Bezug auf 5- 5B ist
es auch möglich, die
Funktionalität
der veränderlichen
Düse zu
erreichen, ohne die längsverlaufenden
Laschenelemente 20 in dem stromaufwärts befindlichen Rohr zu verwenden.
Hier ist die Düse 17 an
dem Ende der ersten Fluidleitung 12 befestigt, und die
Düse 17 ist
aus den zwei unähnlichen
Materialien gebildet. Andere in Betracht kommende Ausführungsformen
umfassen eine einstückige
Düse oder
eine Düse,
die aus mehreren Laschen 20 gebildet ist, die sich jeweils
von mehreren Rohren (z. B. ersten Fluidleitungen) erstrecken, die
nicht von konstantem Durchmesser sind, so dass mindestens ein Rohr
oder eine Leitung in ein anderes Rohr oder eine andere Leitung eingeführt werden kann
und die distalen Enden der mehreren Laschen versetzt ausgerichtet
werden, so dass sich die Enden der mehreren Laschen des Rohrs größten Durchmessers
der ersten Fluidleitung mit ihren distalen Enden gegenüber den
distalen Enden der Laschen des Rohrs oder der Rohre, die in dieses
eingeführt
sind, weiter nach außen
erstrecken. Es werden mit anderen Worten mehrere nicht einheitli che
Rohre ineinander eingesetzt, wobei jedes Rohr einen sukzessiv kleineren
Durchmesser aufweist und jedes Rohr oder einige der Rohre mehrere
Laschen mit mindestens zwei Materialien unterschiedlicher Wärmeeigenschaften
aufweisen. Dies könnte überlagernde
Laschenkonstruktionen erlauben, die einzigartige Strömungseigenschaften
fördern
und turbulente Mischwirkungen in dem Venturi regeln könnten. Siehe
zum Beispiel das kleinere innere Rohr oder die kleinere innere Leitung,
die durch die gestrichelten Linien in 4 veranschaulicht
ist. Natürlich ändert sich
die Konfiguration jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen entsprechend den
Anwendungsanforderungen. Die exakten Geometrien, die Ausrichtung
und Materialeigenschaften von Auslass/Lasche/Rohr erfordern ein
optimiertes Abstimmen auf die spezifischen Betriebsbereiche.
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Unter
Bezug auf 6 und 6A und
in einer noch anderen alternativen Ausführungsform wird die bimetallische
Konstruktionsstrategie auf das äußere Rohr
oder die zweite Fluidleitung 14 übertragen, um die Venturi-Wirkungen unter verschiedenen
Betriebsbedingungen weiter zu verbessern. Hier ist das Einlassende 24 des
zweiten Fluids 14 aus den zwei unähnlichen Materialien konstruiert.
Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Einlassende
ein bimetallisches Material, das ein erstes Material (z. B. Metall
oder Metalllegierung) 40 und ein zweites Material (z. B.
Metall oder Metalllegierung) 42 umfasst, das mit dem ersten
Material verbunden oder benachbart dazu ausgebildet ist, und das
erste Material weist einen anderen (z. B. höheren oder niedrigeren) Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf als das zweite Material, um die erwünschte Bewegung eines distalen
Endes 70 des bimetallischen Materials vorzusehen.
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In
dieser Ausführungsform
können
die beiden unähnlichen
Materialien sowohl auf der ersten Fluidleitung 12 als auch
der zweiten Fluidleitung 14 oder nur der zweiten Fluidleitung 14 angeordnet
sein. Wie in 6A veranschaulicht bewegt sich
das distale Ende 70 des bimetallischen Materials, das die Materialien 40 und 42 umfasst,
ebenfalls als Reaktion auf die Temperatur der Fluide, die in die
Abgaskühleinrichtung
gesaugt werden, und dementsprechend ändert sich die Größe der Einlassöffnung 30,
wenn sich das distale Ende 70 bewegt.
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Demgemäß werden
Verfahren zum Kühlen eines
Abgases einer Abgasbehandlungsvorrichtung vorgesehen. Wie hierin
erläutert
bewegt sich das Abgas durch eine erste Fluidleitung mit einer veränderlichen
Düse mit
einer Öffnung,
die durch mehrere Laschenelemente festgelegt wird, die sich von
der ersten Fluidleitung erstrecken. Die Düsenöffnung ist in einem Einlassende
einer zweiten Fluidleitung mit einer Venturi-Rohr-Konfiguration aufgenommen,
um zwischen der Düse
und der zweiten Fluidleitung eine Fluideinlassöffnung für das Einsaugen von Umgebungsluft
und Mischen mit dem Abgas in der zweiten Fluidleitung festzulegen,
um ein gekühltes
verdünntes
Gas vorzusehen, das aus dem Auslassende der zweiten Fluidleitung
austritt. Das Verfahren des Kühlens
des Abgases ist oft erwünscht,
wenn eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung vorhanden ist, beispielsweise
ein Dieselpartikelfilter oder DPF, der stromaufwärts der ersten Fluidleitung
angebracht ist.
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Wenn
das Abgas höherer
Temperatur in die erste Fluidleitung und durch die Düsenöffnung strömt, biegen
sich die mehreren Laschen hin zur Mittellinie der ersten Fluidleitung
und verkleinern die Düsenöffnung.
Die Verkleinerung der Querschnittfläche der Düsenöffnung lässt die Geschwindigkeit des daraus
austretenden Abgases steigen. Durch Beschleunigen des Abgases kann
eine größere Menge Umgebungsluft
durch die Einlassöffnung
oder die Öffnung,
die durch die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung festgelegt
wird und dazwischen angeordnet ist, in die zweite Fluidleitung eindringen, da
die Einlassöffnungen)
aufgrund der mehreren Laschen oder Materialien, die das Biegen der
Düsenöffnung hin
zur Mittellinie der ersten Fluidleitung festlegen, größer wird/werden.
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Die
Eigenschaften der unähnlichen
Materialien werden zum Nutzen der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten
gewählt,
um kleinere Düsendurchmesser
vorzusehen, wenn die Abgase heiß genug
sind oder über
einem vorbestimmten Temperaturbereich liegen, so dass Abgaskühlung erforderlich
ist, und wenn die Umgebungstemperaturen der umgebenden Luft nicht
kühl genug
sind, um die Temperatur des Abgases merklich zu senken, und/oder
wenn die Fahrzeugbewegung nicht genügend Umgebungsluftbewegung
um die Abgaskühleinrichtung
erzeugt, um die Abgase zu kühlen.
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Die
Kühleinrichtung
ist darauf abgestimmt, Bedingungen zu optimieren, bei denen das
System für
Abgaskühlung
aktiv wird. Unter anderen Bedingungen, bei denen keine Abgaskühlung erforderlich ist,
vergrößert die
Düse ihren
Durchmesser und senkt dadurch den Gegendruck auf die Abgasanlage.
Diese Düsenöffnung veränderlicher
Mündung
bietet die folgenden Vorteile, da die Anlage nicht immer eine kleinere
Düsenöffnung aufweisen
muss: verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit; verbesserte Leistungsfähigkeit
(Leistung/Drehmoment); und verbesserte Haltbarkeit des Motors.
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Zudem
sieht die Kühleinrichtung
einen preisgünstigen
Abgaskühler
mit einem Venturi veränderlicher
Düse vor,
der nicht komplexe bewegliche Teile, Aktuatoren und/oder rechnergesteuerte
Algorithmen erfordert, da die veränderlichen Öffnungen verwirklicht werden,
ohne komplexere aktive, rechnergesteuerte Ventilvorrichtungen hinzuzufügen, die
ebenfalls komplexe OBD2-Diagnoseroutinen erforderlich machen, die
ebenfalls zu sätzliche
Sensoren zum Überwachen
der Leistungsfähigkeit
der Vorrichtung benötigen
können.
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Auch
wenn eine Ausführungsform
unter Bezug auf die Fahrzeugabgasanlage beschrieben wurde, wird
der Fachmann erkennen, dass die Abgaskühleinrichtung bei anderen Anwendungen
eingesetzt werden kann, die sowohl gasförmige als auch flüssige Ströme beinhalten.
Ferner kann die Abgaskühleinrichtung
als Abgaserwärmungseinrichtung konfiguriert
werden, wobei das erste und zweite Material der mehreren Laschen
so konfiguriert sind, dass sie sich nach innen biegen, wenn das
Abgas kühler
als die Umgebungsluft ist, wodurch eine heißere Umgebungsluft zu dem kühlen Abgas
eingesaugt wird.
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Während die
Erfindung unter Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht
sich für
den Fachmann, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können
und Entsprechungen an Stelle ihrer Elemente treten können, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können viele
Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder
ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne
vom wesentlichen Schutzumfang derselben abzuweichen. Daher soll
die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt werden,
die als am besten gesehene Methode zum Ausführen dieser Erfindung offenbart
wurden, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die
in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.