DE102011103109A1

DE102011103109A1 - Abgassystem mit Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102011103109A1
Application number: DE102011103109A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Andres; Tobias DÜPMEIER; Benjamin Reul
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-29
Also published as: US20120297753A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem (1) für einen Verbrennungsmotor, aufweisend ein Wärmespeichergehäuse (3) und ein Abgasrohr (2), wobei ein Wärmetransport der im Abgas (A) enthaltenen Wärmeenergie über Wärmerohre (5) erfolgt. Erfindungsgemäß sind die Wärmerohre (5) in einem Wärmespeichergehäuse (3) angeordnet, wobei das Wärmespeichergehäuse (3) das Abgasrohr (2) zumindest abschnittsweise in Längsrichtung vollständig umschließt. Die aus dem Abgas (A) entzogene Wärmeenergie kann über die im Wärmespeichergehäuse (3) enthaltenen Wärmerohre (5) abgeführt werden. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße System zum Thermomanagement des Kaltstartverhaltens einer Verbrennungskraftmaschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren, werden Verbrennungskraftstoffe benötigt. Aufgrund von limitieren Ölvorkommen ist es das Bestreben, den Nutzungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine und somit die Ausnutzung der im Verbrennungskraftstoff enthaltenen Energie zu maximieren. Bedingt durch den Carnot-Prozess ist jedoch der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine zur Umsetzung der im Verbrennungskraftstoff enthaltenen Energie in mechanische Energie auf circa 40% limitiert.
Dies bedeutet, dass circa 2/3 der im Verbrennungskraftstoff gebundenen chemischen Energie nicht dem eigentlichen Zweck der Verbrennungskraftmaschine, also der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie zugeführt werden, sondern als Verlustenergie verloren geht. Um diese Energie dennoch auszunutzen, gibt es aktuell, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, vielfache Ansätze, beispielsweise die Wärmeenergie oder aber die im Abgas gebundene Energie zurückzugewinnen und einem jeweiligen Einsatzzweck zuzuführen.
Beispielsweise wird die Wärmeenergie zum Heizen des Kraftfahrzeuginnenraums genutzt. Ebenfalls gibt es Ansätze, bei denen thermoelektrische Generatoren die im Abgas enthaltene Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln, welche wiederum zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden kann.
Damit eine Verbrennungskraftmaschine zunächst in einem optimalen Wirkungsgradspektrum arbeiten kann, bedarf es der Einstellung von optimalen Betriebsbedingungen. Die überwiegend aus metallischen Werkstoffen gefertigte Verbrennungskraftmaschine ist derart ausgelegt, dass sie bei Betriebstemperatur in einem guten Wirkungsgradbereich arbeitet. Das heißt, die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Motorblock, Kolben, Kolbenringen, Zylinderkopf, Ventilen und weiteren Bauteilen sind derart aufeinander abgestimmt, dass sie bei einer durchschnittlichen Betriebstemperatur der Kernbauteile von circa 90° bis 100°C einen optimalen Wirkungsgrad erreichen und in dieser Betriebstemperatur die Motorleistung minimiert wird sowie der Ladungswechsel optimiert ist. Auch die Betriebsstoffe einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise das Motoröl oder aber in nachgeschalteten Getrieben, die mechanischen Bauteile sowie die Getriebeöle sind für den Einsatz bei der jeweiligen Betriebstemperatur optimiert.
Gerade in den Kaltstartphasen, welche selbst bei einer Starttemperatur von 20°C stattfinden, aber auch bei Starttemperaturen von 0°C oder Minusgraden stattfinden, ist es daher notwendig, schnell auf Betriebstemperatur der einzelnen Bauteile zu kommen.
Hierzu gibt es aus dem Stand der Technik Ansätze, durch Abgaswärmeenergierückgewinnung dem Abgas die darin enthaltene Wärme zu entziehen und diese einem Einsatzort zuzuführen. Hierzu sind jedoch Wärmetauscher im Bereich des Abgasstranges notwendig, die einen erhöhten Abgasgegendruck erzeugen und somit den Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine negativ beeinflussen.
Aufgrund zunehmender Anforderungen an die Minimierung von Abgasemissionen und damit verbundenen eingesetzten Abgasnachbehandlungskomponenten, beispielsweise einem Partikelfilter oder aber einem Katalysator, ist es jedoch gleichzeitig kontraproduktiv, in der Kaltstartphase dem Abgas Wärme zu entziehen, da die Abgasnachbehandlungssysteme ebenfalls Wärmeenergie benötigen, um ihre volle Wirkung entfalten zu können. Darüber hinaus wird oftmals ein Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Wasser, eingesetzt, welches jedoch selbst wiederum im Wirkungsgrad limitiert ist und nur eine suboptimale Lösung darstellt.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise durch die DE 10 2009 049 196 A1 eine Wärmeübertragungseinrichtung bekannt, bei der Wärme zielgerichtet von einer Wärmequelle zu einer Wärmsenke über ein Wärmerohr transportiert wird. Zudem ist der Wärmetransport steuerbar.
Der zuvor genannte Stand der Technik löst jedoch nicht das Problem in einem Abgassystem, ohne den Abgasgegendruck zu erhöhen und gerade in der Kaltstartphase den gewünschten Wärmesenken Wärmeenergie zuzuführen, ohne dem Abgas in dieser Phase zu viel Wärmeenergie zu entziehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Abgassystem zur Verfügung zu stellen, mit dem ein zielgerichteter Wärmetransport möglich ist, ohne dem Abgas in bestimmten Betriebssituationen zu viel Wärmeenergie zu entziehen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Abgassystem für einen Verbrennungsmotor weist ein Wärmespeichergehäuse und ein Abgasrohr auf, wobei der Wärmetransport der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie über Wärmerohre erfolgt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr von dem Wärmespeichergehäuse umgeben ist, wobei die Wärmerohre in dem Wärmespeichergehäuse angeordnet sind.
Im Rahmen der Erfindung wird um einen Teil des Abgassystems, z. B. zumindest abschnittsweise um ein abgasführendes Rohr des Abgasstranges ein Wärmespeicher angeordnet. Der Wärmespeicher ist in Form eines Wärmespeichergehäuses ausgebildet, was vorzugsweise das Abgasrohr zumindest abschnittsweise in Strömungsrichtung des Abgases vollständig umhüllt bzw. umschließt. In dem Wärmespeicher selber sind Wärmerohre, welche auch als heat pipe bekannt sind, integriert, die eine Verbindung zu einer Wärmesenke, vorzugsweise zu einem Bauteil herstellen, dem die Wärme zugeführt werden soll.
Insbesondere im Kaltstartverhalten wird hier, im Gegensatz zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, die Wärme aus dem Wärmespeicher selbst verwendet, um die angeschlossenen Bauteile aufzuheizen. Der erfindungsgemäße Vorteil ist, dass gerade in der Kaltstartphase dem Abgas keine Energie entzogen wird, wodurch das erfindungsgemäße Abgassystem sowohl vor einer Abgasnachbehandlungseinheit, als auch nach einer Abgasnachbehandlungseinheit angeordnet werden kann. Das Betriebsverhalten der Abgasnachbehandlungseinheit wird durch das erfindungsgemäße Abgassystem nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wärmspeichers um das Abgasrohr, werden keinerlei Elemente in den Abgasströmungskanal, also in das Innere des Abgasrohres, integriert. Eine Erhöhung des Abgasgegendruckes wird somit vermieden. Hat das Gesamtsystem des Verbrennungsmotors seine optimale Betriebstemperatur erreicht, kann die im Abgas enthaltene Wärmeenergie dazu genutzt werden, den Wärmespeicher aufzuladen, ohne dass dabei die Abgasnachbehandlungseinheit oder sonstige im Abgasstrang angeschlossene Elemente negativ beeinflusst werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Abgasrohr vollständig von dem Wärmespeichergehäuse umschlossen. Das Wärmespeichergehäuse ist in dieser Form ausgebildet wie ein Hüllrohr, was das Abgasrohr zumindest abschnittsweise vollständig umschließt.
Bevorzugt ist das Wärmespeichergehäuse, insbesondere der darin befindliche Wärmespeicher, aus einem Zeolith ausgebildet. Ein trockenes Zeolith entzieht der Umgebungsluft aufgrund seines hygroskopischen Charakters Wasserdampf. Durch die Anlagerung der Wassermoleküle an der Oberfläche des Zeoliths, geht das Molekül in einen energetisch niedrigen Zustand über. Der Wasserdampf gibt somit Energie in Form von Wärme an das Zeolith ab, wodurch sich das Zeolith selber stark erwärmt. Diese Wärme wird dann über in dem Wärmespeichergehäuse angeordnete Wärmerohre abgeführt. Durch Zuführung von Wärmenergie aus dem Abgas an das Zeolith wiederum, desorbieren die Wassermoleküle oberhalb einer bestimmten Temperatur und das Zeolith wird in seinen trockenen Ausgangszustand zurückgeführt.
Durch Auswahl eines Zeolithwerkstoffes sowie Dimensionierung des Wärmespeichergehäuses, ist es somit möglich, das Abgassystem optimal auf das Kaltstartverhalten der Verbrennungskraftmaschine, an dem das Abgassystem eingesetzt wird, abzustimmen. Zusätzlich ist eine aktive oder passive Regelung und Steuerung des Abgassystems vorstellbar, mit dem das Abgassystem weiter auf den jeweils sich einstellenden Betriebszustand modifiziert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind die Wärmerohre in dem Zeolith angeordnet, vorzugsweise werden die Wärmerohre von dem Zeolith vollständig umschlossen. Im Rahmen der Erfindung ist hierunter zu verstehen, dass die Wärmerohre vollständig in dem Wärmespeichergehäuse eingeschlossen sind. Lediglich in einem Anschlussbereich, vorzugsweise in einem Endbereich der Wärmerohre, treten diese aus dem Wärmespeichergehäuse aus, um die Wärme aus dem Wärmespeichergehäuse heraustransportieren zu können.
Weiterhin besonders bevorzugt sind die Wärmerohre parallel zu einer Abgasströmungsrichtung verlaufend angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, über besonders kurze Wege die dem Abgas entzogene Wärmeenergie in die Wärmerohre zu leiten und von dort durch das in den Wärmerohren befindliche Fluid abzuführen. Vorzugsweise kann somit über eine Länge von 50, 100 oder auch 200 mm bereits aus dem Abgas ausreichende Wärmeenergie entzogen werden und durch Wärmeleitung durch das Wärmespeichergehäuse in die Wärmerohre zu überführen und von dort aus abzuführen.
Besonders bevorzugt sind mehrere Wärmerohre in dem Wärmespeichergehäuse angeordnet. Insbesondere im Querschnitt des Abgasrohres sind radial umlaufend mindestens fünf, besonders bevorzugt mehr als sieben und insbesondere mehr als zehn Wärmerohre angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden mehrere Wärmerohre in dem Wärmespeichergehäuse parallel verlaufend angeordnet und im Bereich eines Endes des Wärmespeichergehäuses zusammengefasst. Hierdurch ist es möglich, durch mehrere im Durchmesser kleine Wärmerohre, eine überdimensionale Aufdickung des Wärmespeichergehäuses zu vermeiden. Durch mehrere, im Querschnitt eher kleine Wärmerohre, wird eine ausreichende Wärmemenge aus dem Wärmespeicher abgeführt und im Bereich des Austritts des Wärmespeichergehäuses über mindestens eine zentrale Wärmeleitung in Form eines Wärmerohres an eine entsprechende Wärmesenke zugeführt. Insbesondere ergibt sich hierdurch ein besonders bauraumsparendes Konzept des erfindungsgemäßen Abgassystems.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Wärmrohre in I-Form ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Wärmerohre als geschlossener Kreislauf ausgebildet, sodass ein darin befindliches Medium zirkulieren kann. Die schematische Querschnittsansicht bildet dann einen Zirkulationskreislauf. Die jeweilige Wahl der entsprechenden Anwendung erfolgt dabei unter Berücksichtigung des zu erwartenden Einsatzgebietes sowie der zu übertragenden Wärmemenge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Wärmerohre selbst steuerbar und regelbar. Hierbei kann der Wärmetransport durch das Wärmerohr selbst geregelt und/oder gesteuert werden. Beispielsweise sind in den Wärmerohren Ventile angeordnet, die den Wärmetransport innerhalb des Wärmerohres regeln und/oder steuern. Hierdurch kann aktiv oder aber im Falle von passiv betätigten Ventilen in den jeweiligen Wärmetransport eingegriffen werden. Beispielsweise kann im Falle des Kaltstartverhaltens zunächst eine hohe Wärmeabführung durch die Wärmerohre herbeigeführt werden, wohingegen bei Erreichen der Betriebstemperatur die Wärmeabführung über die Wärmerohre minimiert wird, sodass sich der Wärmespeicher optimal aufladen kann.
Vorzugsweise ist auf der Außenmantelfläche des Wärmespeichergehäuses eine thermische Isolierung ausgebildet, insbesondere in Form einer Metallbeschichtung. Durch die thermische Isolierung an der Außenseite des Wärmespeichergehäuses wird die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft minimiert. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wärmespeicher sich zum einen im Betriebsverhalten optimal aufladen kann, zum anderen, dass er die gespeicherte Wärmemenge über einen möglichst langen Zeitraum beibehält und nicht ungenutzt an die Umgebungsluft abgibt. Die thermische Isolierung kann auch in Form eines thermischen Isolationsmaterials, einer Luftspaltisolation und/oder in Form einer metallischen Folienbeschichtung ausgebildet sein. Insbesondere kann hierbei eine Reflektion der in dem Wärmespeicher befindlichen Wärmeenergie durch die Oberfläche der metallischen Beschichtung in den Wärmespeicher zurück erfolgen. Hierdurch wird wiederum die abgegebene Wärmemenge an die Umgebungsluft minimiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante weist das Wärmespeichergehäuse ein Ventil zur Steuerung des thermodynamischen Zustands in dem Wärmespeichergehäuse selber auf. Insbesondere kann über ein steuerbares und regelbares Ventil der thermodynamische Zustand eines Zeoliths geregelt und/oder gesteuert werden.
Zur Anreicherung eines Zeoliths mit Wassermolekülen kann das Ventil beispielsweise aktiv geöffnet werden. Zur Trocknung des Zeoliths kann das Ventil oder aber ein zusätzliches Ventil als Überdruckventil ausgebildet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Die schematischen Figurendarstellungen dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung und zeigen eine bevorzugte Ausführungsvariante. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer Querschnittsansicht und
2 ein erfindungsgemäßes Abgassystem in einer Seitenansicht.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Abgassystemes 1, wobei das Abgassystem 1 aus einem innenliegenden Abgasrohr 2 mit einem das Abgasrohr 2 umgebendes Wärmespeichergehäuse 3 besteht. In dem Abgasrohr 2 strömt Abgas A, welches durch Wärmeübertragung W die im Abgas 2 befindliche Wärmeenergie in ein Wärmespeichermedium 4 des Wärmespeichergehäuses 3 abgibt. In einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht das Wärmespeichermedium 4 aus einem Zeolith. In dem Wärmespeichergehäuse 3 selber sind Wärmerohre 5 angeordnet, die die in dem Wärmespeichermedium 4 gespeicherte Wärme aufnehmen und abtransportieren. Vorzugsweise weist das Wärmespeichergehäuse 3 auf einer Außenmantelfläche 6 eine Isolierschicht 7 auf.
2 zeigt das erfindungsgemäße Abgassystem 1 in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung in Seitenansicht. In dem Wärmespeichergehäuse 3 sind hier dargestellt drei in I-Form verlaufende Wärmerohre 5, wobei die Wärmerohre 5 parallel zur Abgasströmungsrichtung S in dem Wärmespeichergehäuse 3 angeordnet sind. Die Wärmerohre 5 sind in einem Endbereich 8 des Wärmespeichergehäuses 3 zu einem Zentralwärmerohr 9 zusammengefasst, welches durch die Wärmerohre 5 aus dem Wärmespeichergehäuse 3 abtransportierte Wärmeenergie einem hier nicht näher dargestellten Wärmeverbraucher zuführt. Weiterhin weist das Wärmespeichergehäuse 3 ein Ventil 10 auf, wobei das Ventil 10 zur Regelung und Steuerung des thermodynamischen Zustandes des Wärmespeichermediums eingesetzt wird. Hierüber lässt sich über die Wärmerohre 5 abzutransportierende Wärmemenge regeln und steuern.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem
2: Abgasrohr
3: Wärmespeichergehäuse
4: Wärmespeichermedium
5: Wärmerohr
6: Außenmantelfläche
7: Isolierschicht
8: Endbereich
9: Zentralwärmerohr
10: Ventil
W: Wärmeleitung
A: Abgas
S: Abgasströmungrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009049196 A1 [0009]

Claims

Abgassystem (1) für einen Verbrennungsmotor, aufweisend ein Wärmespeichergehäuse (3) und ein Abgasrohr (2), wobei ein Wärmetransport der im Abgas (A) enthaltenen Wärmeenergie über Wärmerohre (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (2) von dem Wärmespeichergehäuse (3) umgeben ist, wobei die Wärmerohre (5) in dem Wärmespeichergehäuse (3) angeordnet sind.
Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr (2) von dem Wärmespeichergehäuse (3) vollständig umschlossen ist.
Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichergehäuse (3) aus einem Zeolith ausgebildet ist.
Abgassystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) in dem Zeolith angeordnet sind, vorzugsweise werden die Wärmerohre (5) von dem Zeolith vollständig umschlossen.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) parallel zu einer Abgasströmungsrichtung (S) verlaufend angeordnet sind.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmerohre (5) in dem Wärmespeichergehäuse (3) parallel verlaufen und im Bereich eines Endes (8) des Wärmespeichergehäuses (3) zusammengefasst sind.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) in I-Form ausgebildet sind.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) als geschlossener Kreislauf ausgebildet sind, so dass ein darin befindliches Medium zirkulieren kann.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (5) steuerbar und regelbar sind.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenmantelfläche (6) des Wärmespeichergehäuses (3) eine thermische Isolierung ausgebildet ist, vorzugsweise in Form einer Metallbeschichtung.
Abgassystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Wärmespeichergehäuse (3) ein Ventil (10) zur Steuerung des thermodynamischen Zustands in dem Wärmespeichergehäuse (3) angeordnet ist.
Abgassystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) als Überdruckventil ausgebildet ist.
Abgassystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (10) steuerbar und regelbar ist.