DE102011111471A1

DE102011111471A1 - Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit Einrichtung zur Wärmerückgewinnung, sowie Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102011111471A1
Application number: DE102011111471A
Authority: DE
Inventors: Bert Möhlmann; Lothar SEYBOLD; Kai-Ove PIETSCH
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-02-28
Also published as: GB2494015A; CN102953790B; GB201210964D0; US20130047591A1; CN102953790A; US9097153B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem Abgasstrang, welcher einen Wärmetauscherzweig mit einem an einen Kühlkreislauf angeschlossenen Wärmetauscher und einen Bypasszweig aufweist, wobei der Abgasstrang über zumindest ein verstellbares Stellelement verfügt, mittels dem das durch den Abgasstrang strömende Verbrennungsgas dem Wärmetauscherzweig und/oder dem Bypasszweig zuführbar ist, wobei das Stellelement durch einen Verstellmechanismus mit einem Aktuator zu dessen Verstellung gekoppelt ist. Gemäß einer Ausgestaltung ist zumindest ein Verstellglied des Verstellmechanismus dazu ausgebildet, den Aktuator vom Abgasstrang beabstandet anzuordnen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aktuator wenigstens teilweise von einem zur Abschirmung von Wärmestrahlung geeignet ausgebildeten Wärmeschutzschild umgeben. Des Weiteren betrifft sie eine Abgasanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen, bei dem der Aktuator durch Kühlmittel des Kühlkreislaufes des Wärmetauschers gekühlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik und betrifft eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasanlage.
Stand der Technik
Moderne Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Abgasanlagen mit Wärmetauschern zur Rückgewinnung von Energie aus dem heißen Abgasstrom ausgestattet. Der Abgasstrang weist zu diesem Zweck typischer Weise eine verzweigende Struktur mit einem Wärmetauscher- und einem Bypasszweig auf, wobei beispielsweise über eine verstellbar im Abgasstrang angeordnete Abgasklappe der Abgasstrom wahlweise über den Bypass- und/oder den Wärmetauscherzweig geleitet werden kann. Der Wärmetauscher ist an einen Kühlkreislauf zur Zirkulation von Kühlmittel angeschlossen, bei dem es sich beispielsweise um den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors handelt.
Bei einer solchen Abgasanlage wird üblicher Weise nach einem Kaltstart das heiße Abgas vollständig über den Wärmetauscher geleitet, um wertvolle Energie aus dem Abgas zu gewinnen und die Aufwärmphase des Verbrennungsmotors zu beschleunigen. Dagegen wird bei einem warmen Verbrennungsmotor das heiße Abgas zumindest anteilig durch den Bypasszweig geleitet, um des Kühlmittel vor übermäßiger Erwärmung zu schützen. Zudem kann durch diese Maßnahme die Emissionscharakteristik des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise beeinflusst werden.
Der grundlegende Aufbau einer solchen Abgasanlage ist dem Fachmann an sich wohlbekannt und in der Patentliteratur bereits ausführlich beschrieben worden. Lediglich beispielhaft sei in diesem Zusammenhang auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 023 806 A1 verwiesen.
Die Abgasklappe kann in verschiedene Betriebsstellungen gebracht werden, um das heiße Abgas in gewünschter Weise dem Bypass- bzw. Wärmetauscherzweig zuzuleiten. Bislang wird die Abgasklappe mittels eines mechanischen Aktuators, beispielsweise einen so genannten ”Wachsmotor” betätigt. Hierbei handelt es sich um einen linearen Aktuator, bei dem ein mit der Abgasklappe gekoppelter Stößel mit einer Wachskapsel zusammenwirkt. Wird die Wachskapsel beispielsweise durch das sie umgebende Kühlmittel erwärmt, so dehnt sich das Wachs aus, was zur Folge hat, dass der Stößel weiter aus dem Aktuatorgehäuse heraus bewegt und die Abgasklappe in die eine Richtung bewegt wird. Kühlt sich die Wachskapsel ab, wird der Stößel beispielsweise mittels einer Feder wieder in das Aktuatorgehäuse zurückgezogen, so dass die Abgasklappe in die andere Richtung bewegt wird. In der Regel ist der Wachsmotor mit dem Kühlmittel des Abgaswärmetauschers thermisch gekoppelt, so dass die Abgasklappe thermostatisch gesteuert wird. Alternativ wäre es beispielsweise auch möglich, anstelle eines Wachsmotors eine Unterdruckdose vorzusehen, die z. B. vom Motorsteuergerät abhängig von der Kühlmitteltemperatur des Motors angesteuert wird.
Somit erfolgt in herkömmlichen Abgasanlagen eine thermostatische Regelung der Abgasklappe, bei der keine verwertbare Information bezüglich der Stellung der Abgasklappe zur Verfügung steht. Die Verwendung eines elektrischen Aktuators und/oder eines elektrischen Sensors kommt wegen der im Abgasstrang vorherrschenden Hitzeentwicklung nicht infrage.
Aufgabenstellung
Demgegenüber besteht eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin, eine Abgasanlage von Verbrennungsmotoren der in Rede stehenden Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden. Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine Abgasanlage sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben oder ergeben sich durch sinnvolle Kombination derselben.
Vorgeschlagen wird eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Die Abgasanlage umfasst zumindest einen Abgasstrang, welcher über einen Bypasszweig und einen zum Bypasszweig parallelen Wärmetauscherzweig verfügt, welche sich stromabwärts zu einem gemeinsamen Abschnitt vereinigen. Im Wärmetauscherzweig ist eine an einen Kühlkreislauf zur Zirkulation von Kühlmittel angeschlossene Einrichtung zur Wärmerückgewinnung, im Weiteren als ”Wärmetauscher” bezeichnet, angeordnet, der von heißem Abgas um- bzw. durchströmbar ist, wobei Energie vom Abgas an das Kühlmittel im Wärmetauscher abgegeben werden kann.
Zudem weist der Abgasstrang zumindest ein steuer- bzw. verstellbares Stellelement, beispielsweise eine Abgasklappe, auf, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass das durch den Abgasstrang strömende Verbrennungsgas wahlweise dem Wärmetauscherzweig und/oder dem Bypasszweig zuführbar ist. Das Stellelement ist durch einen Verstellmechanismus mit einem Aktuator zu dessen Verstellung gekoppelt. Vorzugsweise weist der Aktuator wenigstens einen (z. B. integrierten) Sensor, insbesondere einen elektrischen Sensor, beispielsweise einen elektrischen Positionssensor zur Bestimmung der momentanen Position des Stellelements auf. Beispielsweise kann es sich um einen Drehwinkelsensor zur Bestimmung des Drehwinkels einer Abgasklappe handeln. Erfindungsgemäß sollen alle Arten von Aktuatoren (thermophysikalische, pneumatische, hydraulische Aktuatoren usw.), welche mit einem Sensor zur Bestimmung der Position des Stellelements erweitert wurden, umfasst sein. Bei dem Aktuator handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Aktuator, insbesondere einen Elektromotor.
Bei dem Verstellmechanismus handelt es sich insbesondere um einen mechanischen Verstellmechanismus, wobei der Begriff ”mechanisch” auch fluidgestützte Verstellmechanismen, d. h. hydraulische und/oder pneumatische Verstellmechanismen umfasst.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Verstellglied des (z. B. mechanischen) Verstellmechanismus dazu ausgebildet, den Aktuator vom Abgasstrang beabstandet anzuordnen, d. h. mit einem wahlfrei einstellbaren Zwischenabstand zum Abgasstrang anzuordnen. Dabei ist das Verstellglied so ausgebildet, dass der Zwischenabstand zwischen Aktuator und Abgasstrang so groß ist, dass eine Erwärmung des Aktuators durch vom Antriebsstrang abgegebene Wärme bis jenseits einer kritischen Temperatur, bei welcher eine Beeinträchtigung oder Schädigung insbesondere elektrischer Komponenten des Aktuators und Sensors zu befürchten ist, beispielsweise ca. 130°C, vermieden werden kann.
In der Abgasanlage kann der Aktuator somit in einer vorbestimmbaren Entfernung vom Abgasstrang angeordnet werden, so dass in vorteilhafter Weise eine thermisch bedingte Beeinträchtigung oder Schädigung des Aktuators sowie enthaltener elektrischer Komponenten, insbesondere eines integrierten Sensor, durch vom Abgasstrang abgegebene Wärme vermieden werden kann. Beispielsweise ist der Aktuator zu diesem Zweck in einem Abstand vom Abgasstrang angeordnet, welcher im zweistelligen Zentimeterbereich liegt, wobei aber auch denkbar ist, dass der Aktuator näher am Abgasstrang angeordnet ist. In der erfindungsgemäßen Abgasanlage kann der (z. B. mechanische) Verstellmechanismus grundsätzlich in jeglicher Form verkörpert sein, wobei in obiger Ausgestaltung zu gewährleisten ist, dass zumindest ein längliches Verstellglied vorhanden ist, durch das der Aktuator vom Abgasstrang beabstandet werden kann. Beispielsweise ist das in Form einer Abgasklappe ausgebildete Stellelement zu diesem Zweck auf einer Welle schwenkbar gelagert und der Aktuator über eine exzentrisch mit der Welle verbundene Kopplungsstange mit der Abgasklappe gekoppelt, wodurch eine in der industriellen Serienfertigung von Kraftfahrzeugen einfach und kostengünstige Kopplung zwischen Aktuator und Abgasklappe realisierbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktuator an den Kühlkreislauf des Wärmetauschers angeschlossen und durch im Kühlkreislauf zirkulierendes Kühlmittel kühlbar. In der Abgasanlage kann der Aktuator somit durch Kühlmittel des Wärmetauschers gekühlt werden, so dass in vorteilhafter Weise eine thermisch bedingte Beeinträchtigung oder Schädigung des Aktuators sowie integrierter elektrischer Komponenten, insbesondere ein elektrischer Sensor, durch vom Abgasstrang abgegebene Wärme vermieden werden kann. In besonders vorteilhafter Weise ist keine separate Einrichtung zur Kühlmittelkühlung des Aktuators vorzusehen. Vielmehr wird der Aktuator in kostengünstiger Weise an den Kühlkreislauf des Wärmetauschers angeschlossen. Der Aktuator weist zu diesem Zweck vorteilhaft eine einen Aktuatorkern umgebende Ummantelung auf, welche einen Hohlraum bildet, der von Kühlmittel zur Kühlung des Aktuatorkerns durchströmbar ist.
In der Abgasanlage ist somit erstmals die Verwendung eines elektrischen Aktuators für die Abgasklappe, insbesondere mit zumindest einem integrierten Sensor ermöglicht, was bislang aufgrund der Gefahr einer thermisch bedingten Schädigung nicht infrage kam. In besonders vorteilhafter Weise ist der elektrische Aktuator von der Bordelektronik, d. h. einem programmtechnisch in entsprechender Weise eingerichteten Steuergerät, ansteuerbar, so dass mannigfache Regelungsoptionen realisierbar sind ohne dabei eine lediglich thermostatische Regelung vorsehen zu müssen. Das steuerbare Stellelement zur Steuerung des Abgasstroms kann beispielsweise in Abhängigkeit verschiedener Betriebszustände des Verbrennungsmotors angesteuert werden, um eine möglichst gute bzw. optimale Wirkung im Hinblick auf die Funktion des Verbrennungsmotors zu erzielen. Zudem kann beispielsweise über einen im Aktuator integrierten elektrischen Positionssensor die momentane Position des Stellelements, z. B. Drehwinkel einer Abgasklappe, erfasst und dem Steuergerät zur Verfügung gestellt werden, so dass die Steuerung des Stellelements, insbesondere Verstellung der Abgasklappe, an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgasanlage ist der elektrische Aktuator wenigstens teilweise von einem zur Abschirmung von Wärmestrahlung geeignet ausgebildeten Wärmeschutzschild umgeben, wobei sich das Wärmeschutzschild zwischen dem Aktuator und dem Abgasstrang befindet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Wärmeschutzbleche handeln, welche den Aktuator von der vom Abgasstrang abgegebenen Wärme (im Wesentlichen Wärmestrahlung) schützen. Der Aktuator kann somit noch besser gegen thermische Schädigung geschützt werden, wobei der Aktuator insbesondere näher am Abgasstrang angeordnet werden kann als ohne Wärmeschutzschild, beispielsweise um gewisse Bauraumanforderungen zu erfüllen.
Weiterhin erstreckt sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug, welches mit einer wie oben beschriebenen Abgasanlage ausgerüstet ist.
Des Weiteren erstreckt sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer wie oben beschriebenen Abgasanlage, bei dem der Aktuator durch Kühlmittel des Kühlkreislaufes des Wärmetauschers gekühlt wird. Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um weitere Verbesserungen des thermischen Schutzes des Aktuators vor der vom Abgasstrang abgegebenen Wärme zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend genannten und nachstehend zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasanlage;
2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasanlage;
3 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Abgasanlage.
Sei zunächst 1 betrachtet, worin anhand einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichneten erfindungsgemäßen Abgasanlage veranschaulicht ist. Die Abgasanlage 1 umfasst einen von einem Verbrennungsmotor 2 gespeisten Abgasstrang 3, der sich in einen Bypasszweig 4 und in einen Wärmetauscherzweig 5 gabelt, die sich anschließend in einem stromabwärts der beiden Zweige 4, 5 liegenden Bereich 6 wieder vereinen. Im Bereich der Verzweigung ist eine verstellbar angeordnete Abgasklappe 7 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel um eine Schwenkwelle 8 schwenkbar gelagert ist und zwischen zwei Endstellungen verstellt werden kann.
Im Unterschied zum Bypasszweig 4 ist im Wärmetauscherzweig 5 ein Wärmetauscher 14 angeordnet, welcher an einen in 1 nicht gezeigten Kühlkreislauf strömungstechnisch angeschlossen ist. Im Kühlkreislauf zirkuliert ein Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch. Bei dem Kühlkreislauf kann es sich beispielsweise um den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 2 handeln, wobei aber gleichermaßen ein separater Kühlkreislauf vorgesehen sein kann. Im Wärmetauscherzweig 5 ist der Wärmetauscher 14 so angeordnet, dass er vom heißen Abgasstrom 9 um- bzw. durchströmbar ist, so dass Wärme vom heißen Abgasstrom 9 an das Kühlmittel im Wärmetauscher 14 abgegeben werden kann. Das erwärmte Kühlmittel wird anschließend einer thermischen Verwertung zugeführt, beispielsweise indem elektrische Energie erzeugt wird, worauf im Rahmen dieser Erfindung nicht näher eingegangen werden muss.
Je nach Stellung der Abgasklappe 7 kann der vom Verbrennungsmotor 2 erzeugte Abgasstrom 9 vollständig über den Bypasszweig 4 (erste Endstellung), vollständig über den Wärmetauscherzweig 5 (zweite Endstellung), oder aber, wie in 1 dargestellt, anteilig über den Bypasszweig 4 und den Wärmetauscherzweig 5 strömen (Zwischenstellung). Befindet sich die Abgasklappe 7 in Zwischenstellung kann sich der Abgasstrom 9 zu gleichen oder ungleichen Anteilen auf den Bypasszweig 4 und den Wärmetauscherzweig 5 aufteilen.
Die Abgasklappe 7 kann durch einen insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichneten, rein mechanischen Verstellmechanismus verstellt werden. Dieser umfasst als Verstellglied eine Kopplungsstange 11, welche die Schwenkwelle 8 mit einem elektrischen Aktuator 12 koppelt, welcher hier beispielsweise als Elektromotor ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist die Kopplungsstange 11 jeweils exzentrisch sowohl mit der Schwenkwelle 8 der Abgasklappe 7 als auch mit einer angetriebenen Drehwelle 13 des Aktuators 12 beispielsweise durch Kugelgelenke verbunden, so dass die Abgasklappe 7 durch Drehen der Drehwelle 13 um die Schwenkwelle 8 verschwenkbar ist und in die beiden Endstellungen sowie Zwischenstellungen zwischen den beiden Endstellungen verstellt werden kann.
Der Abgasstrang 3, insbesondere der Bypasszweig 4 und der Wärmetauscherzweig 5, sind von einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) umgeben, wobei die Schwenkwelle 8 bis auf die Außenseite des Gehäuses geführt und somit außerhalb des Gehäuses mit der Kopplungsstange 11 gekoppelt ist.
Im Aktuator 12 ist ein elektrischer Drehwinkelsensor (nicht gezeigt) integriert, durch den ein momentaner Drehwinkel der Abgasklappe 7 erfasst werden kann.
Der Aktuator 12 kann zur Verstellung der Abgasklappe 7 durch eine elektrische Steuereinrichtung (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein in modernen Kraftfahrzeugen typischer Weise eingesetztes Motorsteuergerät, aktiv angesteuert werden. Eine Steuerung der Abgasklappe 7 basiert vorteilhaft auf dem durch den integrierten Drehwinkelsensor erfassten momentanen Drehwinkel der Abgasklappe 7.
Die Kopplungsstange 11 ermöglicht, dass der Aktuator 12 mit einem gewissen Zwischenabstand zum Abgasstrang 3 angeordnet werden kann, so dass er einer niedrigeren Wärmebelastung durch den Abgasstrang 3 ausgesetzt ist. Tatsächlich wird erst hierdurch die Verwendung eines elektrischen Aktuators 12 mit einem integrierten elektrischen Drehwinkelsensor ermöglicht. Ein beispielsweise am Gehäuse des Abgasstrangs 3 angeordneter elektrischer Aktuator 12 wäre bei Abgastemperaturen von typischer Weise ca. 900°C ohne spezielle Vorkehrungen binnen kürzester Zeit irreversibel beschädigt. Gewöhnlich halten elektrische Einrichtungen, beispielsweise Elektromotoren, nur Temperaturen bis maximal ca. 130°C stand.
In der in 1 veranschaulichten Abgasanlage 1 ist der Abstand zwischen dem elektrischen Aktuator 12 und dem Abgasstrang 3 so gewählt, dass der Aktuator 12 nicht so stark erwärmt wird, dass er eine kritische Temperatur, beispielsweise 130°C, bei welcher mit einer thermisch bedingten Schädigung zu rechnen ist, erreicht. Somit kann eine thermisch bedingte Schädigung des Aktuators 12 zuverlässig und sicher vermieden werden. Der Aktuator 12 hat zu diesem Zweck einen Abstand vom Abgasstrang 3, der beispielsweise im zweistelligen Zentimeterbereich liegt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 gezeigt, welche eine Variante zur Abgasanlage 1 von 1 ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel von 1 erläutert und ansonsten wird auf die zu 1 gemachten Ausführungen Bezug genommen.
Demnach ist ein Wärmeschutzschild 15 vorgesehen, welches zwischen dem elektrischen Aktuator 12 und dem Abgasstrang 3 angeordnet ist. Das Wärmeschutzschild 15 besteht beispielsweise aus einem oder mehreren Blechen, durch welche die Wärmestrahlung des Abgasstrangs 3 abgeschirmt wird, so dass der Aktuator 12 noch besser vor der Wärmebelastung durch den Abgasstrang 3 geschützt ist. Dies ermöglicht, dass der Aktuator 12 näher zum Abgasstrang 3 angeordnet werden kann, beispielsweise um gewisse Bauraumanforderungen zu erfüllen.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abgasanlage 1 gezeigt, welche eine weitere Variante zur Abgasanlage 1 von 1 ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden wiederum lediglich die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel von 1 erläutert und ansonsten wird auf die zu 1 gemachten Ausführungen Bezug genommen.
Demnach ist der Aktuator 12 beispielsweise auf der Außenseite des Gehäuses des Abgasstrangs 3 angebracht. Zumindest hat der Aktuator 12 einen solchen Abstand vom Abgasstrang 3, dass ohne spezielle Vorkehrungen zum Schutz gegen die vom Abgasstrang 3 abgegebene Wärme die Gefahr einer Schädigung elektrischer Bestandteile des Aktuators 12 bzw. eines integrierter Drehwinkelsensors besteht. Die Drehwelle 13 des Aktuators 12 ist beispielsweise direkt mit der Schwenkwelle 8 gekoppelt.
Um eine übermäßige Erwärmung des Aktuators 12 zu vermeiden, ist der Aktuator 12 an den Kühlkreislauf 16 des Wärmetauschers 14 angeschlossen, wobei der Aktuator 12 mit dem Wärmetauscher 14 in Serie strömungstechnisch verbunden ist. Zu diesem Zweck verfügt der Aktuator 12 über einen Zulauf 17 zum Einleiten von Kühlmittel in einen nicht näher darstellten Hohlraum zwischen einem Aktuatorkern und einer äußeren Ummmantelung, wobei der Aktuator 12 Wärme an das im Hohlraum befindliche Kühlmittel abgeben kann. Stromabwärts des Aktuators 12 wird das vom Aktuator 12 erwärmte Kühlmittel in eine Verbindungsleitung 19 eingeleitet, welche den Aktuator 12 und den Wärmetauscher 14 strömungstechnisch miteinander verbindet. Von dort gelangt das Kühlmittel in den Wärmetauscher 14, um heißes Abgas im Wärmetauscherzweig 5 zu kühlen. Der Wärmetauscher 14 verfügt seinerseits über einen Ablauf, um das noch weiter erwärme Kühlmittel abzuleiten. Somit kann eine Erwärmung des Aktuators 12 bis jenseits einer kritischen Temperatur, beispielsweise 130°C, bei der eine Schädigung der elektrischen Komponenten zu befürchten ist, zuverlässig und sicher durch Abgabe von Wärme an das Kühlmittel vermieden werden. Ein strömungstechnischer Anschluss des Aktuators 12 an den Kühlkreislauf 16 des Wärmetauschers 14 lässt sich in der Serienfertigung von Kraftfahrzeugen kostengünstig und einfach realisieren.
Obgleich in den Figuren nicht gezeigt, wäre es gleichermaßen auch möglich, die anhand 3 veranschaulichte Kühlmittelkühlung des Aktuators 12 in einer Abgasanlage 1 zu realisieren, so wie sie in 1 oder 2 veranschaulicht ist, um eine kombinierte Wirkung der Maßnahmen zum Schutz des Aktuators 12 und integrierten Sensors vor thermischer Schädigung durch vom Abgasstrang 3 abgegebene Wärme zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs schafft somit erstmals die Möglichkeit, einen elektrischen Aktuator mit integriertem Sensor zur Steuerung der Abgasklappe zu verwenden. Eine übermäßige Erwärmung des Aktuators und Sensors durch vom Abgasstrang abgegebene Wärme kann durch Beabstandung des Aktuators vom Abgasstrang, ein zusätzliches Wärmeschutzschild zwischen Aktuator und Abgasstrang und/oder eine Kühlmittelkühlung von Aktuator und Sensor durch Kühlmittel des Kühlkreislaufes des Wärmetauschers zuverlässig, sicher und kostengünstig vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
2: Verbrennungsmotor
3: Abgasstrang
4: Bypasszweig
5: Wärmetauscherzweig
6: Bereich
7: Abgasklappe
8: Schwenkwelle
9: Abgasstrom
10: Verstellmechanismus
11: Kopplungsstange
12: Aktuator
13: Drehwelle
14: Wärmetauscher
15: Wärmeschutzschild
16: Kühlkreislauf
17: Zulauf
18: Verbindungsleitung
19: Ablauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008023806 A1 [0004]

Claims

Abgasanlage (1) eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem Abgasstrang (3), welcher einen Wärmetauscherzweig (5) mit einem an einen Kühlkreislauf (16) angeschlossenen Wärmetauscher (14) und einen Bypasszweig (4) aufweist, wobei der Abgasstrang (3) über zumindest ein verstellbares Stellelement (7) verfügt, mittels welchem das durch den Abgasstrang (3) strömende Verbrennungsgas (9) dem Wärmetauscherzweig (5) und/oder dem Bypasszweig (4) zuführbar ist, wobei das Stellelement (7) durch einen Verstellmechanismus (10) mit einem Aktuator (12) zu dessen Verstellung gekoppelt ist, wobei zumindest ein Verstellglied (11) des Verstellmechanismus (10) dazu ausgebildet ist, den Aktuator (12) vom Abgasstrang (3) beabstandet anzuordnen.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 1, bei welcher das Stellelement (7) in Form einer auf einer Welle (8) schwenkbar gelagerten Abgasklappe ausgebildet und der Aktuator (12) über eine exzentrisch mit der Welle (8) verbundene Kopplungsstange (11) mit der Abgasklappe gekoppelt ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher der Aktuator (12) zumindest einen im zweistelligen Zentimeterbereich liegenden Abstand vom Abgasstrang (3) hat.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Aktuator (12) wenigstens teilweise von einem zur Abschirmung von Wärmestrahlung geeignet ausgebildeten Wärmeschutzschild (15) umgeben ist, welches zwischen dem Aktuator (12) und dem Abgasstrang (3) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Aktuator (12) an den Kühlkreislauf (16) des Wärmetauschers (14) angeschlossen und durch im Kühlkreislauf (16) zirkulierendes Kühlmittel kühlbar ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 5, bei welcher der Aktuator (12) eine Ummantelung aufweist, wobei zwischen der Ummantelung und einem Aktuatorkern ein vom Kühlmittel zur Kühlung des Aktuatorkerns durchströmbarer Hohlraum gebildet ist.
Abgasanlage (1) eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit zumindest einem Abgasstrang (3), welcher einen Wärmetauscherzweig (5) mit einem an einen Kühlkreislauf (16) angeschlossenen Wärmetauscher (14) und einen Bypasszweig (4) aufweist, wobei der Abgasstrang (3) über zumindest ein verstellbares Stellelement (7) verfügt, durch welches das durch den Abgasstrang (3) strömende Verbrennungsgas (9) dem Wärmetauscherzweig (5) und/oder dem Bypasszweig (4) zuführbar ist, wobei das Stellelement (7) durch einen Verstellmechanismus (10) mit einem Aktuator (12) zu dessen Verstellung gekoppelt ist, wobei der Aktuator (12) an den Kühlkreislauf (16) des Wärmetauschers (14) angeschlossen und durch im Kühlkreislauf (16) zirkulierendes Kühlmittel kühlbar ist.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 7, bei welcher der Aktuator (12) eine Ummantelung aufweist, wobei zwischen der Ummantelung und einem Aktuatorkern ein vom Kühlmittel zur Kühlung des Aktuatorkerns durchströmbarer Hohlraum gebildet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei welcher zumindest ein Verstellglied (11) des Verstellmechanismus (10) dazu ausgebildet ist, den Aktuator (12) vom Abgasstrang (3) beabstandet anzuordnen.
Abgasanlage (1) nach Anspruch 9, bei welcher das Stellelement (7) in Form einer auf einer Welle (8) schwenkbar gelagerten Abgasklappe ausgebildet und der Aktuator (12) über eine exzentrisch mit der Welle (8) verbundene Kopplungsstange (11) mit der Abgasklappe gekoppelt ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei welcher der Aktuator mindestens einen im zweistelligen Zentimeterbereich liegenden Abstand vom Abgasstrang hat.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei welcher der Aktuator (12) wenigstens teilweise von einem Wärmeschutzschild (15) umgeben ist, welches zwischen dem Aktuator (12) und dem Abgasstrang (3) angeordnet ist.
Abgasanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welcher der Aktuator (12) einen Sensor zum Erfassen einer Position, insbesondere Drehwinkel, des Stellelements umfasst.
Kraftfahrzeug mit einer Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (1) eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug mit zumindest einem Abgasstrang (3), welcher einen Wärmetauscherzweig (5) mit einem an einen Kühlkreislauf (16) angeschlossenen Wärmetauscher (14) und einen Bypasszweig (4) aufweist, wobei der Abgasstrang (3) über zumindest ein verstellbares Stellelement (7) verfügt, mittels welcher durch den Abgasstrang (3) strömendes Verbrennungsgas (9) dem Wärmetauscherzweig (5) und/oder dem Bypasszweig (4) zuführbar ist, wobei das Stellelement (7) durch einen Verstellmechanismus (10) mit einem Aktuator (12) zu dessen Verstellung gekoppelt ist, bei welchem der Aktuator (12) durch Kühlmittel des Kühlkreislaufes (16) des Wärmetauschers (14) gekühlt wird.