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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung, die Abgaswärme eines Motors in ein Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser des Motors, zurückgewinnt.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Im Stand der Technik ist eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung bekannt, die Abgaswärme eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs (zum Beispiel eines Kraftfahrzeugmotors, der im folgenden einfach als Motor bezeichnet wird) zurückgewinnt. Diese Abgaswärme- Rückgewinnungsvorrichtung befindet sich in einem Zwischenbereich eines Motor-Auspuffrohrs, um einen Wärmeaustausch zwischen einem Auspuffgas (Abgas), die aus dem Motor kommt und durch das Auspuffrohr strömt, und dem Kühlwasser des Motors vorzunehmen. Beispielsweise wird die über das Kühlwasser des Motors zurückgewonnene Abgaswärme dazu genutzt, die Temperatur des Kühlwassers rasch zu erhöhen, wenn der Motor noch kalt ist, was zum Beispiel den Zweck erfüllt, eine rasche Aufwärmung des Motors zu erreichen, außerdem wird die Abgaswärme zum Heizen des Führerhauses genutzt.
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Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtungen, die derzeit in Gebrauch sind, lassen sich grob in zwei Typen einer ersten herkömmlichen Technik unterteilen (wie es in
5 gezeigt ist), offenbart in der Patentschrift 1 (Japanische Patent-Offenlegungsschrift
JP 2010 -
31 671 A ), und eine zweite herkömmliche Technik (hier nicht gezeigt), wie sie in der Patentschrift 2 gezeigt ist (Japanische Patent-Offenlegungsschrift
JP 2001- 30 741 A ). Von diesen zwei Techniken ist die erste herkömmliche Technik vorherrschend in Bezug auf Kosten und dergleichen.
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Eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinheit 100 (5) der ersten herkömmlichen Technik beinhaltet einen Innenrohrabschnitt 101, der einen Bypasskanal (oder Strömungsweg) 104 zum Durchlassen des Abgases bildet, ein Abgasventil 102, welches den Bypasskanal 104 auf einer stromabwärtigen Seite des Innenrohrabschnitts 101 öffnet und schließt, einen Außenrohrabschnitt 103, der auf der Außenumfangsseite des Innenrohrabschnitts 102 in Abständen vorgesehen ist, und einen Wärmeaustauschabschnitt (Abgaswärme-Rückgewinnungskanäle oder -wege 105 und 106, und Kühlwasserkanäle oder -strömungswege 107 und 108), zwischen dem Innenrohrabschnitt 101 und dem Außenrohrabschnitt 103.
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Um Abgaswärme zurückzugewinnen, wird das Abgasventil 102 geschlossen, und das in den Innenrohrabschnitt 101 eingeleitete Abgas gelangt nacheinander in einen ersten Abgaswärme-Rückgewinnungskanal 105 und einen zweiten Abgaswärme-Rückgewinnungskanal 106, die sich auf der Außenumfangsseite des Innenrohrabschnitts 101 befinden, und zwar über eine große Anzahl kleiner Löcher 109, die in einem Seitenbereich des Innenrohrabschnitts 101 gebildet sind, so dass der Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Kühlwasser erfolgt, welches durch den inneren Kühlwasserkanal 107 und dem äußeren Kühlwasserkanal 108 strömt.
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Da der Hauptzweck der Abgaswärme-Rückgewinnungseinheit 100 darin besteht, den Motor nach dessen Start aufzuwärmen, und den Fahr- zeuginnenraum zu heizen, wie oben erläutert wurde, wird das Abgas dann ausgeleitet (entfernt), wenn die Notwendigkeit des Aufwärmens oder Heizens nach einer gewissen Zeitspanne im Anschluss an den Start des Motors geringer geworden ist.
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Beim Ableiten der Abgaswärme wird das Ventil 102 geschlossen, und das in den Innenrohrabschnitts 101 eingeleitete Abgas wird direkt zu der stromabwärtigen Seite hin ausgeleitet, so dass das Abgas nicht zuerst durch den ersten Wärmerückgewinnungskanal 105 und den zweiten Wärmerückgewinnungskanal 106 gelangt. Im Ergebnis wird eine überflüssige Zunahme der Temperatur des Kühlwassers unterdrückt, gleichzeitig wird ein Druckverlust des Abgases verhindert.
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Andererseits wird in der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung (Wärmespeichersystem für Fahrzeuge) der zweiten herkömmlichen Technik ein Kühlwassersystem eines Motors vorgesehen, der eine Wärmerückgewinnungseinheit und einen Wärmeakkumulator enthält. Die Wärmerückgewinnungseinheit ist entlang einem von zwei Abschnitten angeordnet, die von einem Auspuffsystem des Motors abzweigen, so dass der Wärmeaustausch zwischen aus dem Motor ausgetragenen Abgas und Kühlwasser des Motors ausführbar ist.
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Allerdings gibt es bei den herkömmlichen Techniken immer noch Bedarf an der Möglichkeit, die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung so zu gestalten, dass diese kontinuierlich die Abgaswärme zurückgewinnt, während der Motor im Normalbetrieb und auch im Betrieb mit hoher Last läuft, nachdem die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung ihren Zweck des Aufwärmens des Motors oder des Heizens des Führerhauses erfüllt hat, damit eine verbesserte Kraftstoffausnutzung möglich ist. Diese Forderung gilt beispielsweise für ein Fahrzeug, das mit einem Rankine-Prozess-System ausgestattet ist, in welchem Abgaswärme konstant dem Kühlwasser zugeleitet wird und die zurückgewonnene Wärme als Wärmequelle eines Rankine-Prozess-Heizgeräts genutzt wird.
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Wenn allerdings der Versuch unternommen wird, die Abgaswärme während des Normalbetriebs des Motors im Rahmen der ersten und der zweiten herkömmlichen Technik zurückzugewinnen, so ergeben sich folgende Probleme:
- Erstens: das durch Fahrtwind abgekühlte Kühlwasser geht einher mit einem verschlechterten Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnung.
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Das heißt, in einem Fahrzeug mit dem Motor im Frontbereich verläuft ein Auspuffrohr von der Vorderseite des Fahrzeugs zu dessen Rückseite über die Unterbodenseite, demzufolge befindet sich die Abgaswärme- Rückgewinnungseinheit 100 auf der Unterseite des Bodens. Da allerdings das Kühlwasser in der Nähe des Außenrohrabschnitts 103 innerhalb der Abgaswärme-Rückgewinnungseinheit 100 strömt, neigt ein im Normalbetrieb und auch im Hochgeschwindigkeitsbetrieb des Motors erzeugter starker Fahrtwind dazu, das Kühlwasser, welches die Abgaswärme in sich aufgenommen hat, abzukühlen. Im Ergebnis kommt es zu einem Wärmeverlust, der zu einer Verschlechterung des Rückgewinnungs-Wirkungsgrads der Abgaswärme führt. Dieser unerwünschte Zustand kommt auch in Verbindung mit der zweiten herkömmlichen Technik zustande, was nachteilig ist.
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Zweitens: das Abgas und das Kühlwasser erleiden einen starken Druckverlust.
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Das heißt, auf der Abgasseite der Abgaswärme-Rückgewinnungseinheit 100 strömt das Abgas über die kleinen Löcher 109 zu dem ersten Abgaswärme-Rückgewinnungskanal 105 und anschließend strömt das Abgas in umgekehrter Richtung zwischen zur stromaufwärtigen Seite und strömt dann zu dem zweiten Abgaswärme-Rückgewinnungskanal, was zu einem beträchtlichen Druckverlust führt. Im Ergebnis kommt es zu einer Beeinträchtigung in der Ausgangsleistung und, im Hochlastbetrieb des Motors kommt es insbesondere zu einer Verschlechterung des Kraftstoff-Wirkungsgrads. Da außerdem auf der Seite des Kühlwassers der innere Kühlwasserkanal 107 und der äußere Kühlwasserkanal 108 einen geringen Querschnitt aufweisen, wird das Kühlwasser einem starken Druckverlust bei hoher Wasserpumpenleistung ausgesetzt, was wiederum zu dem Problem einer verschlechterten Kraftstoffnutzung führt. Eine solche Verschlechterung kommt auch bei der zweiten herkömmlichen Technik zustande, was nachteilig ist.
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Selbst wenn die Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung von der Bauart ist, bei der die Abgaswärme im Normalbetrieb des Motors kontinuierlich zurückgewonnen wird, besteht immer noch die Forderung an die Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung, in einfacher Weise eine Rückgewinnungsmenge an Abgaswärme so steuern zu können, wie es einer Anforderung seitens eines Rankine-Prozess-Systems oder dergleichen entspricht.
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Ein Wärmetauscher für einen Kraftfahrzeugauspuff wird weiter in
US 6 330 910 B1 offenbart, welcher einen rohrförmigen Körper mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer peripheren Seitenwand und mindestens zwei Strömungskanälen, die sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstrecken, umfasst.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erläuterten Umstände der herkömmlichen Techniken gemacht, und es ist ein Ziel der Erfindung, eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, eine Abnahme in der Menge der Rückgewinnungswärme aufgrund des Einflusses von Fahrtwind zu vermeiden, einen Druckverlust im Abgas und im Kühlmittel, die am Wärmetausch beteiligt sind, zu verringern, und außerdem in der Lage ist, in einfacher Weise die Menge der Rückgewinnungswärme zu steuern.
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Erfindungsgemäß wird eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.
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Diese und weitere Ziele lassen sich erfindungsgemäß erreichen, indem eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung geschaffen wird, welche enthält: einen Innenrohrabschnitt, in welchem ein Kühlmittel strömt; einen Zwischenrohrabschnitt, der außerhalb des Innenrohrabschnitts mit einem vorbestimmten Zwischenabstand angeordnet ist, um einen Wärmerückgewinnungskanal zwischen dem Zwischenrohrabschnitt und dem Innenrohrabschnitt zum Rückgewinnen von Wärme des eingeleiteten Abgases in das Kühlmittel zu bilden; einen Außenrohrabschnitt, der außerhalb des Zwischenrohrabschnitts mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem angeordnet ist, um einen Bypasskanal zwischen dem Außenrohrabschnitt und dem Zwischenrohrabschnitt zu bilden, so dass das umgeleitete Abgas in dem Bypasskanal strömt; und ein Abgasventil, welches sich an einem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases in dem Zwischenrohrabschnitt befindet, um den Strom des Abgases umzuschalten zwischen dem Wärmerückgewinnungskanal und dem Bypasskanal.
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Es ist vorgesehen, dass das Abgasventil eine Mehrzahl von Ventilanordnungen in Form einer Doppeltürstruktur enthält, von denen jede Ventilanordnung einen Ventilkörper und eine Ventilkörperstange in einem Endbereich des Ventilkörpers aufweist, die Ventilkörperstange in jeder der Ventilanordnungen in einem Endbereich in Breitenrichtung oder Durchmesserrichtung in dem Zwischenrohrabschnitt angeordnet ist, und dann, wenn das Abgasventil vollständig geschlossen ist, das stromaufwärtige Ende in Strömungsrichtung des Abgases innerhalb des Zwischenrohrabschnitts von dem Ventilkörper der Ventilanordnungen gesperrt wird, wohingegen dann, wenn das Abgasventil vollständig geöffnet ist, ein oberer Endbereich des Ventilkörpers in den Ventilanordnungen konfiguriert ist zur Annäherung an den Außenrohrabschnitt, um ein stromaufwärtiges Ende in Strömungsrichtung des Abgases innerhalb des Bypasskanals im wesentlichen zu sperren.
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Im Rahmen des obigen Aspekts kann die Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung weiter enthalten: einen statischen Mischer, der in den Innenrohrabschnitt eingebaut ist, um das strömende Kühlmittel umzurühren.
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Bei den oben erläuterten Strukturen und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ist der Innenrohrabschnitt mit dem darin strömenden Kühlmittel sequentiell abgedeckt durch den Wärmerückgewinnungskanal, der aus dem Innenrohrabschnitt und dem Zwischenrohrabschnitt sowie dem Bypasskanal gebildet wird, wobei der Bypasskanal wiederum durch den Zwischenrohrabschnitt und den Außenrohrabschnitt gebildet wird. Dies ermöglicht es, zu vermeiden, dass die Menge an Rückgewinnungswärme, die von dem Kühlmittel zurückgewonnen wird, aufgrund des Einflusses des Fahrtwinds vermindert wird. Da außerdem der Wärmerückgewinnungskanal in einer linearen Form ausgebildet ist, ermöglicht der Wärmerückgewinnungskanal eine glatte Abgasströmung in sich, und die Querschnittsfläche des Kanals wird außerdem in dem Innenrohrabschnitt festgelegt, in welchem das Kühlmittel strömt. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Druckverlustes sowohl des Abgases als auch des Kühlmittels. Durch Einstellen einer Öffnung des Abgasventils, mithin der Einstellung eines Strömungsdurchsatzes des in den Wärmerückgewinnungskanal strömenden Abgases, lässt sich in einfacher Weise die Menge der Wärmerückgewinnung durch das Kühlmittel steuern.
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Die Besonderheiten und weitere Merkmale sowie vorteilhafte Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den begleitenden Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung in einem Zustand ohne Wärmerückgewinnung gemäß einer ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei 1A eine Längsschnittansicht der Vorrichtung und 1B eine Querschnittansicht entlang der Linie I-I in 1A ist;
- 2 eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung in einem Zustand der Wärmerückgewinnung nach der ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei 2A eine Längsschnittansicht der Vorrichtung und 2B eine Querschnittansicht entlang einer Linie II-II in 2A ist;
- 3 eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung in einem Zustand ohne Wärmerückgewinnung nach einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei 3A eine Längsschnittansicht der Vorrichtung ist und 3B eine Querschnittansicht entlang einer Linie III-III in 3A ist;
- 4 eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung in einem Zustand der Wärmerückgewinnung nach der zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, wobei 4A eine Längsschnittansicht der Vorrichtung ist und 4B eine Querschnittansicht entlang einer Linie IV-IV in 4A ist; und
- 5 eine Querschnittansicht, die eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinheit eines ersten Typs herkömmlicher Technik zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele zum Ausführen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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[Erste Ausführungsform (Figuren 1 und 2)]
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird im folgenden eine erste, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben.
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Bezugnehmend auf die 1 und 2 enthält eine Abgaswärme-Wiedergewinnungsvorrichtung 10 dieser Ausführungsform einen Innenrohrabschnitt 11, einen Zwischenrohrabschnitt 12, einen Außenrohrabschnitt 13 und ein Abgasventil 14. Die Abgaswärme-Wiedergewinnungsvorrichtung 10 mit dem obigen Aufbau dient zum kontinuierlichen Rückgewinnen von Wärme aus Auspuffgas (Abgas) 1, welches von einem nicht dargestellten Motor kommt, in ein Kühlmittel (Kühlwasser 2 des Motors bei dieser Ausführungsform), während der Anlaufphase des Motors ebenso wie im Normalbetrieb und im Hochlastbetrieb des Motors, wobei die zurückgewonnene Wärme dazu dient, den Motor aufzuwärmen und die Fahrzeugkabine zu heizen, wobei die als Wärmequelle für eine Rankine-Prozess-Heizvorrichtung fungiert.
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Beispielsweise ist der Innenrohrabschnitt 11 als Rohrschuss ausgebildet, in welchem das Kühlwasser 2 strömt, und in ihm ist ein statischer Mischer 15 eingebaut. Der statische Mischer 15 setzt sich zusammen aus einer Mehrzahl zusammengefügter rechtsdrehender Schaufeln 15A auf der rechten Seite und mehreren linksdrehenden Schaufeln 15B auf der linken Seite, wobei die rechts und links befindlichen Schaufeln abwechselnd in Schaftrichtung angeordnet sind. Ein Kreuzungswinkel zwischen einer rechtsdrehenden Schaufel 15A und einer linksdrehenden Schaufel 15B beträgt beispielsweise 90 Grad. Deshalb wird das in dem Innenröhrabschnitt 11 strömende Kühlwasser 2 von dem statischen Mischer 15 innerhalb des Innenrohrabschnitts 11 gerührt.
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Beispielsweise ist auch der Zwischenrohrabschnitt 12 als Rohrschuss ausgebildet, angeordnet im Außenumfangsbereich des Innenrohrabschnitts 11 mit einem vorbestimmten Abstand von diesem. Zwischen dem Zwischenrohrabschnitt 12 und dem Innenrohrabschnitt 11 ist ein Wärmerückgewinnungskanal 16 ausgebildet, welcher so konfiguriert ist, dass das in dem Innenrohrabschnitt 11 befindliche Kühlwasser 2 Wärme des eingeleiteten Abgases 1 durch einen Wärmetauschvorgang (der im folgenden einfach als Wärmetausch bezeichnet wird) zurückgewonnen wird.
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Der Außenrohrabschnitt 13 ist ebenfalls als beispielsweise Rohrschuss ausgebildet, angeordnet auf der Außenumfangsseite des Zwischenrohrabschnitts 12 mit einem vorbestimmten Abstand von diesem. Zwischen dem Außenrohrabschnitt 13 und dem Zwischenrohrabschnitt 12 ist ein Bypasskanal 17 gebildet, um das Abgas 1, welches ohne Einleitung in den Wärmerückgewinnungskanal 16 umgeleitet wird, durch den Bypasskanal 17 strömen zu lassen.
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Außerdem besitzt das Abgasventil 14 einen Ventilkörper 18 in Form einer Scheibe und eine Ventilkörperstange 19 etwa in mittiger Lage (beispielsweise der Stelle eines Durchmessers) des Ventilkörpers 18. Das Abgasventil 14 befindet sich an einem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12. Insbesondere ist die Ventilkörperstange 19 des Abgasventils 14 drehbar an etwa der Zwischenstelle in Durchmesserrichtung oder Breitenrichtung (einer Durchmesserrichtung D bei dieser Ausführungsform) des Zwischenrohrabschnitts 12 gelagert, und zwar an einem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12.
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Der Zwischenrohrabschnitt 12 besitzt auf der stromaufwärtigen Seite ein offenes Ende, in welchem der Ventilkörper 18 des Abgasventils 14 rechtwinklig zu einer Mittelachse O des Zwischenrohrabschnitts 12 angeordnet ist, und in den 1A und 1B ist die Öffnung des Abgasventils 14 in einem vollständig geschlossenen Zustand dargestellt. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Ventilkörpers 18 wird das in den Außenrohrabschnitt 13 eingeleitete Abgas 1 von dem Ventilkörper 18 des Abgasventils 14 blockiert, so dass das Abgas 1 nicht in den Wärmerückgewinnungskanal 16 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12 strömt, sondern die gesamte Abgasmenge des Abgases 1 durch den Bypasskanal 17 in den Außenrohrabschnitt 13 strömt, wie durch den Pfeil A in 1A angedeutet ist. Aus diesem Grund wird die Wärme des Abgases 1 kaum von dem Kühlwasser innerhalb des Innenrohrabschnitts 1 aufgenommen.
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Wenn der Ventilkörper 18 des Abgasventils 14 eine Stellung parallel zu der Mittelachse O des Zwischenrohrabschnitts 12 einnimmt, ist die Öffnung des Abgasventils 14 in einem vollständig geöffneten Zustand gebracht (2). In diesem Fall strömt das in den Außenrohrabschnitt 13 eingeleitete Abgas 1 durch den Wärmerückgewinnungskanal 16 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12 und durch den Bypasskanal 17 innerhalb des Außenrohrabschnitts 13, wie in 2A durch die Pfeile B bzw. C angedeutet ist, und die Wärme des durch den Wärmerückgewinnungskanal 16 strömenden Abgases 1 wird von dem im Inneren des Innenrohrabschnitts 10 strömenden Kühlwassers 2 aufgrund des Wärmeaustauschvorgangs aufgenommen.
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Abhängig von der Öffnung des Abgasventils 14, welches auf eine vorbestimmte Stellung in einem Bereich von orthogonal zu der Mittelachse O des Zwischenrohrabschnitts 12 bis zu einem Zustand parallel zu der Mittelachse O einstellbar ist, strömt das Abgas 1 innerhalb des Außenrohrabschnitts 13 zu dem Wärmerückgewinnungskanal 16 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12, und die Wärme des Abgases 1 wird durch den Wärmeaustauschvorgang zu dem in dem Innenrohrabschnitt 11 strömenden Kühlwasser 2 hin zurückgewonnen.
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Durch die Struktur der oben erläuterten ersten Ausführungsform werden die folgenden vorteilhaften Wirkungsweisen (1) bis (5) erreicht:
- (1) Der Innenrohrabschnitt 11, in welchem das Kühlwasser 2 strömt, ist von dem Wärmerückgewinnungskanal 16 abgedeckt, welcher gebildet wird durch den Innenrohrabschnitt 11 und den Zwischenrohrabschnitt 12, wobei der Wärmerückgewinnungskanal 16 weiterhin abgedeckt wird von dem Bypasskanal 17, der durch den Zwischenrohrabschnitt 12 und dem Außenrohrabschnitt 13 gebildet wird. Hierdurch ist es möglich, zu verhindern, dass die von dem Kühlwasser 2 zurückgewonnene Wärme verringert wird aufgrund des Einflusses von Fahrtwind, der außerhalb des Außenrohrabschnitts 13 vorbeiströmt. Im Ergebnis wird die Wiedergewinnungseffizienz der Abgaswärme verbessert.
- (2) Der Wärmerückgewinnungskanal 16, der aus dem Innenrohrabschnitt 11 und dem Zwischenrohrabschnitt 12 gebildet wird, hat eine linear verlaufende Gestalt, so dass das Abgas 1 glatt durch das Innere des Wärmerückgewinnungskanals 16 strömt, und der Kanal besitzt eine große Querschnittsfläche, um den statischen Mischer 15 innerhalb des Innenrohrabschnitts 11 aufnehmen zu können, in welchem das Kühlwasser 2 strömt. Demzufolge lässt sich ein Druckverlust sowohl des Abgases 1 als auch des Kühlwassers 2 verringern. Im Ergebnis wird es möglich, eine Beeinträchtigung der Ausgangsleistung und eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrads des Kraftstoffs im Normalbetrieb und im Hochleistungsbetrieb des Motors zu vermeiden. Folglich wird ein Abgaswärme-Wiedergewinnungssystem 10 geschaffen, welches sich für eine kontinuierliche Wärmerückgewinnung während des Normalbetriebs und des Hochlastbetriebs des Motors eignet.
- (3) Durch Einstellen der Öffnung des Abgasventils 14 lässt sich ein Strömungsdurchsatz des in den Wärmerückgewinnungskanal 16 einströmenden Abgases 1 einstellen, und damit lässt sich in einfacher Weise eine Rückgewinnungsmenge an Wärme seitens des im Inneren des Innenrohrabschnitts 11 fließenden Kühlwassers 2 steuern. Im Ergebnis ist es, wenn die aus dem Abgas zurückgewonnene Wärme als Wärmequelle für eine Heizvorrichtung des Rankine-Prozesses genutzt wird, möglich, die Wärmemenge zu steuern, die seitens des Rankine-Prozess-Systems angefordert wird.
- (4) Der Innenrohrabschnitt 11 beinhaltet den statischen Mischer 15, der das Kühlwasser 2 rührt und zum Strömen veranlasst, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen dem durch den Wärmerückgewinnungskanal 16 strömenden Abgases 1 außerhalb des Innenrohrabschnitts 11 einerseits und dem Kühlwasser in dem Innenrohrabschnitt 11 andererseits erhöht. Aus diesem Grund lässt sich die aus dem Abgas 1 durch das Kühlwasser 2 zurückgewonnene Wärmemenge steigern.
- (5) Das Abgasventil 14 befindet sich an dem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12, und in diesem Zustand befindet sich die Ventilkörperstange 19, die etwa in der Mitte des Ventilkörpers 18 angeordnet ist, etwa an der mittleren Stelle in Durchmesserrichtung D des Zwischenrohrabschnitts 12. Wenn also das Abgas 1 in den Wärmerückgewinnungskanal 16 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 12 strömt, wird das Abgas 1 von dem Ventilkörper 18 und der Ventilkörperstange 19 verwirbelt und in einen turbulenten Strömungszustand gebracht. Im Ergebnis ist es möglich, die Wärmerückgewinnungsmenge aus dem Abgas 1 zu steigern, welches innerhalb des Wärmerückgewinnungskanals 16 in einen Zustand turbulenter Strömung gebracht wurde, so dass die Wärme in erhöhtem Maß in das im Inneren des Innenrohrabschnitts 11 strömende Kühlwasser 12 abgegeben wird.
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[Zweite Ausführungsform (Figuren 3 und 4)]
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Anhand der 3 und 4 wird im folgenden eine zweite, erfindungsgemäße Ausführungsform erläutert. Insbesondere ist 3A eine Querschnittansicht einer Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung in einen Zustand ohne Wärmerückgewinnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und 3B ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie III-III in 3A. 4A ist eine Querschnittansicht der Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung nach den 3A und 3B in dem Zustand der Wärmerückgewinnung, und 4B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie IV-IV in 4A.
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Für die zweite Ausführungsform gemäß 3 und 4 werden Bauteile oder Elemente entsprechend jenen der ersten Ausführungsform mit gleichen Bezugszeichen versehen, um die Beschreibung zu vereinfachen oder teilweise zu erübrigen.
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Eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung 20 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform dadurch, dass ein Zwischenrohrabschnitt 21 und ein Außenrohrabschnitt 22 in Form eines Rechteckrohrs gebildet sind, und dass ein Abgasventil 23 eine Mehrzahl von Ventilanordnungen 24 beinhaltet.
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Bei dieser Ausführungsform ist jede der Ventilanordnungen 24 mit einem Ventilkörper 25 in Form einer quadratischen Platte und einer Ventilkörperstange 26 ausgestattet, die an einem Endbereich des Ventilkörpers 25 vorgesehen ist, wobei die Ventilanordnung 24 dieser Ausführungsform beispielsweise ein Paar Ventilanordnungen 24 bilden, die in Form einer Doppeltürstruktur angeordnet sind, um dadurch ein Abgasventil 23 zu bilden.
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Bei der oben erläuterten Struktur ist die Ventilkörperstange 26 jeder der Ventilanordnungen 24 in einem Endbereich in Breitenrichtung oder einer Durchmesserrichtung (bei dieser Ausführungsform in Breitenrichtung W) des Zwischenrohrabschnitts 21 an einem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 22 angeordnet.
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Insbesondere sind die Ventilkörperstange 26 einer Ventilanordnung 24 und die Ventilkörperstange 26 der anderen Ventilkörperanordnung 24 an den einander abgewandten Enden in Breitenrichtung des Zwischenrohrabschnitts 21 angeordnet, so dass diese Ventilanordnungen 24 die Struktur einer Doppeltür bilden.
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Darüber hinaus sind die Ventilkörper 25 sämtlicher Ventilanordnungen 24, die das Abgasventil 23 bilden, derart gestaltet, dass ihre Flächen und Formen gleich oder größer sind als ein Querschnitt des Kanals an dem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 21. Während also das Abgasventil 23 vollständig geschlossen ist ( 3A und 3B), wird der Querschnitt des Kanals an dem stromaufwärtigen Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Zwischenrohrabschnitts 21 von den Ventilkörpern 25 sämtlicher Ventilanordnungen 24 gesperrt. Bei einer derartigen Ausgestaltung strömt das in den Außenrohrabschnitt 22 eingeleitete Abgas 1 durch den Bypasskanal 17, wie durch den Pfeil P in 3A gezeigt ist, und strömt nicht in den Wärmerückgewinnungskanal 16.
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Wie in den 4A und 4B dargestellt ist, sind die Ventilkörper 25 sämtlicher Ventilanordnungen 24, die das Abgasventil 23 bilden, derart konfiguriert, dass sie einen oberen Endbereich 25A haben, der sich dem Außenrohrabschnitt 22 nahekommt, wenn das Abgasventil 23 vollständig geöffnet ist, so dass ein stromaufwärtiges Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 in den Bypasskanal 17 nahezu vollständig gesperrt ist. Wenn also das Abgasventil 23 vollständig geöffnet ist, strömt zwar das Abgas 1 innerhalb des Außenrohrabschnitts 22 nicht in den Bypasskanal 17, sondern das Abgas 1 wird von den Ventilkörpern 25 der Ventilanordnungen 24 derart geleitet, dass im wesentlichen die gesamte Menge des Abgases 1 in den Wärmerückgewinnungskanal 16 strömt, wie dies durch den Pfeil Q in 4A veranschaulicht ist.
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Außerdem ist bei dieser Ausführungsform der Wärmerückgewinnungskanal 16 zwischen dem Innenrohrabschnitt 11 und dem Zwischenrohrabschnitt 21 gebildet, während der Bypasskanal 17 zwischen dem Zwischenrohrabschnitt 21 und dem Außenrohrabschnitt 22 gebildet ist.
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Durch die Struktur und Ausgestaltung der zweiten, oben beschriebenen Ausführungsform werden zusätzlich zu den gleichen Effekten (1) bis (4) der ersten Ausführungsform die folgenden vorteilhaften Wirkungsweisen (6) erzielt:
- (6) Zu der Zeit, zu der das Abgasventil 23 vollständig geöffnet ist, kommt der obere Endabschnitt 25A des Ventilkörpers 25 in sämtlichen Ventilanordnungen 24 dem Außenrohrabschnitt 22 nahe, und das stromaufwärtige Ende in Strömungsrichtung des Abgases 1 innerhalb des Bypasskanals 17 ist im großen und ganzen durch die Ventilkörper 25 sämtlicher Ventilanordnungen 24 gesperrt. Folglich wird es möglich, den Strömungsdurchsatz des vom Inneren des Außenrohrabschnitts 22 in den Bypasskanal 17 strömenden Abgases 1 im wesentlichen auf Null einzustellen, um dadurch das gesamte Abgas 1 im Inneren des Außenrohrabschnitts 22 in den Wärmerückgewinnungskanal 16 einzuleiten. Im Ergebnis wird es möglich, die Menge an zurückgewonnener Wärme aus dem Abgas 1 durch das in dem Innenrohrabschnitt 11 fließende Kühlwasser 2 deutlich zu steigern.
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Es sei weiterhin angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht beschränkt ist auf die beschriebene Ausführungsform, sondern dass zahlreiche Änderungen oder Abwandlungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Beispielsweise können bei der ersten und der zweiten Ausführungsform Vertiefungungen und Vorsprünge, beispielsweise Flügel, an einer Außenfläche des Innenrohrabschnitts 11 vorgesehen sein, um die Menge der Rückgewinnungswärme aus dem Abgas 1 zusätzlich zu steigern. Darüber hinaus können die Querschnittsformen des Innenrohrabschnitts 11, des Zwischenrohrabschnitts 12 bzw. 21 und des Außenrohrabschnitts 13 bzw. 22 irgendeine Form von einer Kreisform und einer Polygonform aufweisen.
