DE102018205873B3

DE102018205873B3 - Abgaskrümmer mit Luftspaltisolierung

Info

Publication number: DE102018205873B3
Application number: DE102018205873.3A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff; Michael Forsting; Frank Wunderlich; Hanno Friederichs
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-04-19

Abstract

Es wird eine Anordnung von mindestens einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskrümmer bereitgestellt, bei der die Abgasleitung und der Abgaskrümmer mindestens teilweise mittels einer Luftspalteinrichtung gegen die Umgebung thermisch isoliert sind, wobei das Volumen der Luftspalteinrichtung mit einer Rohrleitung verbunden, über die Luft der Luftspalteinrichtung zirkuliert werden kann. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Regulieren der Abgastemperatur bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und eines Abgaskrümmer, die durch eine Luftspalteinrichtung nach außen isoliert sind, sowie ein Verfahren zum Regeln der Abgastemperatur.
Zum Entfernen von Schadstoffen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen werden herkömmlicherweise Abgasnachbehandlungseinrichtungen im Abgastrakt angeordnet. Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen beispielsweise Oxidationskatalysatoren, Stickoxidspeicherkatalysatoren (engl. Lean NOx Trap, LNT) und Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Diese Katalysatoren funktionieren jeweils effektiv in einem bestimmten Temperaturfenster, d.h. dass unterhalb und oberhalb bestimmter Temperaturen die Funktion der Katalysatoren eingeschränkt ist. Um die strengen Regularien gemäß der EU6.2- und EU7-Emissionsnormen einzuhalten, ist es notwendig, nach dem Starten einer Brennkraftmaschine eine zeitnahe Funktion der Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu gewährleisten, und diese auch bei niedrigen Abgastemperaturen während niedriger Lasten der Brennkraftmaschine beizubehalten. Um Temperaturverluste des Abgases einzuschränken, wird z.B. eine Luftspaltisolierung um den Abgastrakt im Bereich des Abgaskrümmers angeordnet. Unter Luftspaltisolierung wird dabei eine Luft enthaltene Umhüllung der entsprechenden Verrohrung verstanden.
In der Druckschrift DE 10 2005 062 186 A1 wird eine Luftspaltisolierung eines Abgaskrümmers offenbart, der über eine Abzweigung vom Ansaugtrakt mit gekühlter Ladeluft versorgt wird. In der Druckschrift WO 2013/167281 A1 wird eine Kühleinrichtung für einen Abgaskrümmer offenbart, die mit einer Kühleinrichtung verbunden ist. Abgaswärme kann am Abgaskrümmer auch zum erwünschten Erwärmen von Luft ( DE 10 2015 110 834 A1 ) oder eines Verdampfungsmittels ( DE 11 2011 102 951 T5 ) genutzt werden. Luftspaltisolierungen sind auch für stromabwärts eines Abgaskrümmers anordnete Bereiche des Abgastrakts bekannt ( DE 101 39 424 A1 ).
Eine besagte Luftspaltisolierung kann allerdings dazu führen, dass z.B. bei hohen Lasten Abgas mit entsprechend hohen Temperaturen zu den Abgasnachbehandlungseinrichtungen gelangt, da keine bzw. zu wenig Wärme des Abgases über die Verrohrung von an die Brennkraftmaschine anschließenden Abgasleitungen und des Abgaskrümmers an die Umgebung des Abgastraktes abgeleitet werden kann. Entsprechend hohe Temperaturen des Abgases überschreiten die Funktionstemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtungen und sind zudem ungünstig für den Betrieb einer stromabwärts des Abgaskrümmers angeordneten Turbine eines Abgasturboladers, was zu Energieverlusten führt, da das Abgas dann um die Turbine herumgeleitet werden muss.
Es besteht die Aufgabe, den Stand der Technik zum Steuern der Abgastemperaturen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1, einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 5 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer einem Zylinder zugeordneten Abgasleitung, die im Bereich eines Abgaskrümmers in einen Abgastrakt übergeht, wobei die Abgasleitung und der Abgaskrümmer durch eine Luftspalteinrichtung nach außen isoliert sind, die die Abgasleitung und den Abgaskrümmer zumindest teilweise umgibt und dabei mindestens eine innere Hülle, die unmittelbar um die Abgasleitung und den Abgaskrümmer angeordnet ist, und mindestens eine äußere Hülle, die die äußere Begrenzung der Luftspalteinrichtung bildet und ein Volumen der Luftspalteinrichtung einschließt, aufweist, und wobei die Luftspalteinrichtung mindestens eine außerhalb der äußeren Hülle verlaufende erste Rohrleitung aufweist, mit der das Volumen mindestens eine zweite fluide Verbindung aufweist.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht vorteilhaft nicht nur eine thermische Isolierung des Abgaskrümmers, womit die Wärme des Abgases in Phasen niedriger Last für die Funktion der Abgasnachbehandlungseinrichtungen erhalten bleiben kann und nicht über die Wandungen der Abgasleitungen und des Abgaskrümmers verloren gehen könnte, sondern auch ein Abführen von Abgaswärme, wenn die Temperatur des Abgases in Phasen hoher Last ungünstig hohe Werte erreicht, die die Funktion der einer im Abgastrakt angeordneten Turbine eines Abgasturboladers und die Abgasnachbehandlungseinrichtungen einschränkt.
Eine erste fluide Verbindung weist ein Steuerventil auf, das bedarfsweise zum Strömen von Luft aus dem Volumen in die Rohrleitung geöffnet werden kann. Das Steuerventil ermöglicht vorteilhaft die Bewegung einer der aktuellen Temperatur der Luft im Volumen angepasste Gasmenge, die in die Rohrleitung strömen soll.
Über die zweite fluide Verbindung kann Luft aus der Rohrleitung in das Volumen der Luftspalteinrichtung zurückströmen. Auf diese Weise wird ein Strömungskreislauf der Luft in der Luftspalteinrichtung gewährleistet.
Vorzugsweise weist die Rohrleitung mindestens ein Rückschlagventil auf. Auf diese Weise wird das Strömen des Gases in eine Richtung gewährleistet. Dabei ist ein Rückschlagventil bevorzugt im Bereich der zweiten fluiden Verbindung angeordnet.
In der Rohrleitung ist mindestens ein Kompressor angeordnet. Der Kompressor dient vor allem zum leichten Komprimieren des Gases. Dabei hat der Kompressor auch eine Pumpenfunktion, um eine Strömung des Gases eine Richtung zu bewirken.
In der Rohrleitung ist mindestens eine Kühlvorrichtung angeordnet. Mittels der Kühlvorrichtung wird die durchströmende Luft gekühlt, wenn die Temperatur der Luft im Volumen ungünstig hoch wird. Dabei ermöglicht die Kühlvorrichtung besonders vorteilhaft ein schnelles Kühlen in Betriebsphasen, in denen in schnellem Wechsel ungünstig heißes Abgas durch die Abgasleitungen geleitet wird. Die erste Rohrleitung ist stromabwärts der Kühlvorrichtung in eine erste Teilrohrleitung und eine zweite Teilrohrleitung gegabelt. Dabei führen die erste Teilrohrleitung an der zweiten fluiden Verbindung und die zweite Teilrohrleitung an einer dritten fluiden Verbindung in das Volumen zurück.
Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung mit einem separaten Kühlmittelkreislauf verbunden. Auf diese Weise kann ein Abführen von Wärme unabhängig von anderen Kühlmittelkreisläufen eines entsprechenden Fahrzeugs gewährleisten werden.
Alternativ oder zusätzlich zu dem separaten Kreislauf ist die Kühleinrichtung bevorzugt mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden. Der Kühlmittelkreislauf kann genutzt werden, weil die Temperaturunterschiede zwischen dem phasenweise heißen Gas in der Luftspalteinrichtung und der Kühlflüssigkeit des Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine hoch genug ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgastemperatur unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung, mit den Schritten:

- Betreiben der Brennkraftmaschine,
- Ermitteln der Abgastemperatur,
- Öffnen des Steuerventils, wenn die Temperatur der Luft in der Luftspalteinrichtung einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat,
- Zirkulieren eines fluiden Kühlmittels in der Kühlvorrichtung, so dass Wärme der Luftspaltluft auf das Kühlmittel übertragen werden kann,
- Schließen des Steuerventils, wenn die Abgastemperatur wieder unter den besagten Schwellenwert fällt.

Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
In einer alternativen Ausführungsform oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens wird das Öffnen und Schließen des Steuerventils in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine geregelt. Dabei wird das Steuerventil bei einer hohen Last der Brennkraftmaschine geöffnet und bei einer niedrigen Last geschlossen. Da hohe Abgastemperaturen auch bei niedrigen Lasten nicht auszuschließen sind und kurzzeitige Phasen einer hohen Last ggf. kein ungünstiges Überschreiten der Abgastemperaturen bewirken, werden die Abgastemperaturen jedoch vorteilhafterweise kontinuierlich kontrolliert.
Vorzugsweise wird in dem Verfahren der in der Rohrleitung angeordnete Kompressor zeitgleich mit dem Öffnen des Steuerventils eingeschaltet.
Das Bereitstellen elektrischer Energie für den Betrieb von Steuerventilen, Kompressor und Kühleinrichtung verursacht vorteilhafterweise nur einen geringen zusätzlichen Kraftstoffverbrauch, da die benötigte Energiemenge marginal gering ist, weil die Phasen hoher Abgastemperatur, besonders von Phasen hoher Last, vergleichsweise kurz sind.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
2 eine Darstellung einer Anordnung von Abgasleitungen.
3 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 dargestellt. Dabei stellt 1 detailliert den in 2 gezeigten Schnitt durch vier Abgasleitungen 2 dar, die von den entsprechenden Zylindern einer (nicht gezeigten) Brennkraftmaschine in einen Abgaskrümmer 3 übergehen. Die Abgasleitungen 2 sind mittels eines Flansches 4 mit der Brennkraftmaschine verbunden. Die Abgasleitungen 2, sind im Bereich stromaufwärts des Abgaskrümmers 3 angeschnitten dargestellt.
Eine Luftspalteinrichtung 10 weist eine innere Hülle 11 auf, die direkt an den Abgasleitungen 2 und dem Abgaskrümmer 3 mittels dem Fachmann bekannter Gleitsitzverbindungen anliegt, um einer thermisch bedingten Ausdehnung des Materials der Abgasleitungen 2 und des Abgaskrümmers 3 bei hohen Temperaturen Rechnung zu tragen. Weiterhin weist die Luftspalteinrichtung 10 eine äußere Hülle 12 auf, die die Luftspalteinrichtung 10 nach außen abgrenzt. Zwischen der inneren 11 und äußeren Hülle 12 befindet sich ein Luftspalt-Volumen 13. Die äußere Hülle 12 ist dabei soweit von der inneren Hülle 11 beabstandet, dass sich eine Dicke des Luftspaltvolumens 13 ergibt, die für eine effiziente Wärmeisolierung ausreichend ist. Der Abstand zwischen innerer 11 und äußerer Hülle 12 kann z.B. 1 cm, 2 cm oder 3 cm betragen. Die Form der Luftspalteinrichtung 10 ist entsprechend der nebeneinander angeordneten Abgasleitungen 2 quaderförmig, mit in 1 zu sehenden zwei langen und zwei kurzen Seiten.
Die innere Hülle 11 und die äußere Hülle 12 können aus dem gleichen, gleichartigen oder andersartigen Material beschaffen sein. Dabei bestehen die Hüllen aus einem Material, das stabil und temperaturbeständig ist, z.B. aus einem Metall oder einer Metalllegierung, besonders aus einem Stahl. Die Hüllen 11, 12 können auch aus mehreren übereinanderliegenden Blechen bestehen.
Die innere 11 und die äußere Hülle 12 weisen in der dargestellten Ausführungsform von 1 unterschiedliche Materialdicken auf. Dabei weist die äußere Hülle 12 eine Dicke von 2 mm auf, und die innere Hülle 11 eine Dicke von 1,2 mm. Alternativ können die innere Hülle 11 und die äußere Hülle 12 auch die gleichen Dicken aufweisen.
Im mittleren Bereich der unteren langen Seite der Luftspalteinrichtung 10 befindet sich eine erste fluide Verbindung 14 zwischen dem Volumen 13 und einer ersten Rohrleitung 15. In der ersten fluiden Verbindung 14 ist ein Steuerventil 16 angeordnet. Stromabwärts des Steuerventils 16 ist ein Kompressor 17 in der Rohrleitung 15 angeordnet. Stromabwärts des Kompressors 17 ist eine Kühlvorrichtung 18 in der ersten Rohrleitung 15 angeordnet. Der Kompressor 17 kann alternativ auch stromabwärts der Kühlvorrichtung 18 angeordnet sein.
Die Kühlvorrichtung 18 ist mit einem nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf verbunden, über den Wärme der durch die Kühlvorrichtung 18 geleiteten Luft aus der Luftspalteinrichtung 10 abgeführt werden kann. Der Kühlmittelkreislauf kann ein separater, nur für die Kühlvorrichtung 18 vorgesehener Kühlmittelkreislauf sein. Der Kühlmittelkreislauf kann aber auch der für das Kühlen der Brennkraftmaschine genutzte Kühlmittelkreislauf oder ein für das Kühlen einer anderen Einrichtung verwendeter Kühlmittelkreislauf des entsprechenden Kraftfahrzeugs sein.
Von der Kühlvorrichtung 18 laufen eine erste Teilrohrleitung 151 und eine zweite Teilrohrleitung 152 zum Volumen 13 zurück. Die Teilrohrleitung 151 ist über eine zweite fluide Verbindung 21 und die Teilrohrleitung 152 über eine dritte fluide Verbindung 22 mit dem Volumen 13 verbunden. Alternativ kann auch nur die Rohrleitung 15 von der Kühlvorrichtung 18 zum Volumen 13 führen, die dann über eine entsprechende fluide Verbindung verbunden sind.
Durch die Pfeile ist die Strömungsrichtung der Luft in den Teilrohrleitungen 151, 152 indiziert.
Im Bereich der fluiden Verbindungen 21, 22 ist jeweils ein Rückschlagventil 23 angeordnet. Die Rückschlagventile 23 bewegen sich mit der Strömung des verdichteten Gases und verhindern ein Zurückströmen.
In einem Verfahren zum Regulieren der Abgastemperatur mittels der Luftspalteinrichtung 10 wird gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine betrieben, so dass Abgas produziert wird. In einem zweiten Schritt S2 wird die Abgastemperatur ermittelt. Dies kann mittels eines Temperatursensors im Abgastrakt sowie alternativ oder zusätzlich modellbasiert geschehen. Solange die Temperatur unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, läuft der Betrieb der Brennkraftmaschine bei geschlossenem Steuerventil 16 weiter.
Erreicht und/oder überschreitet die Abgastemperatur den besagten Schwellenwert, wird das Steuerventil 16 in einem dritten Schritt S3 geöffnet. Gleichzeitig wird der Kompressor 18 eingeschaltet. In einem vierten Schritt S4 wird in der Kühlvorrichtung 18 ein Kühlmittel zirkuliert, so dass Wärme der Luft in der Luftspalteinrichtung 10 auf das Kühlmittel übertragen werden kann. Wenn die Temperatur des Abgases wieder unter den Schwellenwert fällt, wird in einem fünften Schritt S5 das Steuerventil 16 wieder geschlossen.
Das Öffnen und Schließen des Steuerventils 16 kann alternativ oder zusätzlich auch in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Brennkraftmaschine geregelt werden. Da hohe Abgastemperaturen regelmäßig bei einer hohen Last der Brennkraftmaschine entstehen, kann das Steuerventil 16 auch sofort geöffnet werden, wenn eine hohe Last anliegt. Bei Anliegen einer niedrigen Last bleibt das Steuerventil 16 geschlossen bzw. wird es nach einer Phase einer hohen Last wieder geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Abgasleitung
3: Abgaskrümmer
4: Flansch
10: Luftspalteinrichtung
11: innere Hülle
12: äußere Hülle
13: Luftspaltvolumen
14: erste fluide Verbindung
15: erste Rohrleitung
151: erste Teilrohrleitung
152: zweite Teilrohrleitung
16: Steuerventil
17: Kompressor
18: Kühlvorrichtung
21: zweite fluide Verbindung
22: dritte fluide Verbindung
23: Rückschlagventil

Claims

Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer einem Zylinder zugeordneten Abgasleitung (2), die im Bereich eines Abgaskrümmers (3) in einen Abgastrakt übergeht, wobei die Abgasleitung (2) und der Abgaskrümmer (3) durch eine Luftspalteinrichtung (10) nach außen isoliert sind, die die Abgasleitung (2) und den Abgaskrümmer (3) zumindest teilweise umgibt und dabei mindestens eine innere Hülle (11), die unmittelbar um die Abgasleitung (2) und den Abgaskrümmer (3) angeordnet ist, und mindestens eine äußere Hülle (12), die die äußere Begrenzung der Luftspalteinrichtung (10) bildet und ein Volumen (13) der Luftspalteinrichtung (10) einschließt, aufweist, eine erste fluide Verbindung (14) ein Steuerventil (16) aufweist, das bedarfsweise zum Strömen von Luft aus dem Volumen (13) heraus geöffnet werden kann, und wobei die Luftspalteinrichtung (10) mindestens eine außerhalb der äußeren Hülle (12) verlaufende erste Rohrleitung (15) aufweist, mit der das Volumen (13) mindestens eine zweite fluide Verbindung (21) aufweist, in der Rohrleitung (15) mindestens ein Kompressor (17) und mindestens eine Kühlvorrichtung (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rohrleitung (15) stromabwärts der Kühlvorrichtung (18) in eine erste Teilrohrleitung (151) und eine zweite Teilrohrleitung (152) gegabelt wird, und die erste Teilrohrleitung (151) an der zweiten fluiden Verbindung (21) und die zweite Teilrohrleitung (152) an einer dritten fluiden Verbindung (22) in das Volumen (13) zurückführen.
Anordnung (1) nach Patentanspruch 1, bei der die Rohrleitung (15) mindestens ein Rückschlagventil aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Kühlvorrichtung (18) mit einem separaten Kühlmittelkreislauf verbunden ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Kühlvorrichtung (18) mit einem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4.
Verfahren zum Steuern einer Abgastemperatur unter Verwendung einer Anordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1-4, mit den Schritten: - Betreiben der Brennkraftmaschine, - Ermitteln der Abgastemperatur, - Öffnen des Steuerventils (16), wenn die Temperatur der Luft im Volumen (13) der Luftspalteinrichtung (10) einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, - Zirkulieren eines fluiden Kühlmittels in der Kühlvorrichtung (18), so dass Wärme der Luftspaltluft auf das Kühlmittel übertragen werden kann, - Schließen des Steuerventils (16), wenn die Abgastemperatur wieder unter den besagten Schwellenwert fällt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Öffnen und Schließen des Steuerventils (16) in Abhängigkeit von einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine geregelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der in der Rohrleitung (15) angeordnete Kompressor (17) zeitgleich mit dem Öffnen des Steuerventils (16) eingeschaltet wird.