Abgasanlage für Kraftfahrzeuge

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit einem Wärmetauscher folgender Ausgestaltung:

• er ist aus einem Außen- und einem Innenrohr (1,2) gebildet,
• zwischen den beiden Rohren ist ein Radialspalt (3) vorhanden, der an seinem gegen die Strömungsrichtung (4) weisenden vorderen Ende (7) eine dem Eintritt von Abgas verhindernde Abdichtung aufweist,
• der sich an die Abdichtung anschließenden Bereich des Innenrohres (2) ist von Bypass-Öffnungen (9) durchbrochen, und

das in Strömungsrichtung weisende, eine Ausströmöffnung (23) umfassende hintere Ende (8) des Innenrohres ist nach Art einer Düse verengt, wobei die Ausströmöffnung (23) mit dem Radialspalt (3) verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge. Solche Abgasanlagen sind vielfach mit einem Stickoxid-Speicherkatalysator, im folgenden NO_x-Speicher ausgestattet. Dieser Speicher ist in der Regel einem Abgaskatalysator nachgeschaltet und befindet sich relativ nahe am Motor, jedenfalls so nahe, dass im Volllastbetrieb, bei dem Abgastemperaturen von bis zu 950°C erreicht werden, die Gefahr besteht, dass die maximal zulässige, im Bereich von etwa 750°C bis 800°C liegende Betriebstemperatur des NO_x-Speichers überschritten und dieser zerstört wird. Dies lässt sich dadurch verhindern, dass dem NO_x-Speicher ein Wärmetauscher vorgeschaltet wird.

[0002] Ein NO_x-Speicher arbeitet mit gutem Wirkungsgrad in einem Temperaturbereich von etwa 250°C bis 450°C. Dementsprechend wird angestrebt, in der Kaltstartphase und in unteren Lastbereichen das Abgas möglichst ungekühlt und ohne Wärmeverlust dem NO_x-Speicher zuzuführen, damit die erforderliche Arbeitstemperatur möglichst schnell erreicht wird. Diesem Ziel steht aber der dem NO_x-Speicher vorgeschaltete Wärmeaustauscher entgegen.

[0003] Eine Lösung dieses Problems könnte darin bestehen, dass am Wärmetauscher ein mit Hilfe einer Ventilklappe gesteuerter Bypass vorgesehen ist, wobei das Abgas durch den Wärmeaustauscher geleitet wird, wenn im oberen Leistungsbereich Kühlbedarf besteht und durch den Bypass geführt wird, wenn eine erhöhte Wärmezufuhr zum NO_x-Speicher erforderlich ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass sie konstruktiv aufwendig und störanfällig ist. Dem unterschiedlichen Wärmebedarf des NO_x-Speichers könnte auch durch ein entsprechendes Motormanagement Rechnung getragen werden. Eine Temperaturerhöhung des Abgases könnte durch eine Nacheinspritzung, eine Temperaturabsenkung durch Anfettung des Kraftstoff-Luftgemisches erfolgen. Beides führt aber zu einem Mehrverbrauch an Kraftstoff.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasanlage für Kraftfahrzeuge vorzuschlagen, bei der dem NO_x-Speicher ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist, mit dem auf konstruktiv einfache und zuverlässig arbeitende Weise eine lastabhängige Zu- und Abfuhr von Abgaswärme ermöglicht ist.

[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Danach ist der dem NO_x-Speicher vorgeschaltete Wärmetauscher aus einem Außen- und einem Innenrohr gebildet, zwischen denen ein Radialspalt vorhanden ist. Dieser ist an seinem gegen die Strömungsrichtung weisenden bzw. vorderen Ende abgedichtet, so dass ein Eintritt von Abgas in den Radialspalt verhindert ist. In einem sich an die Abdichtung anschließenden Abschnitt des Innenrohres sind Bypass-Öffnungen vorhanden, durch die Abgas in den Radialspalt übertreten kann. Das in Strömungsrichtung weisende hintere Ende des Innenrohres umfasst eine Ausströmöffnung und ist nach Art einer Düse verengt, wobei die Ausströmöffnung mit dem Radialspalt verbunden ist. Bei einem derart ausgestalteten Wärmeaustauscher strömt das Abgas im unteren Teillastbereich, also etwa während der Startphase oder der Durchführung von Tests zur Überprüfung der Abgasanlage auf vorschriftsmäßige Arbeitsweise durch das Innenrohr, ohne dass dabei Abgas in nennenswerter Menge durch die Bypass-Öffnungen in den Radialspalt gelangen und dort an der Innenfläche des mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Außenrohres gekühlt wird. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und quadratisch anwachsendem Strömungswiderstand im Innenrohr nimmt der relative Anteil des in den Radialspalt übertretenden und damit die Kühlwirkung des Wärmetauschers zu. Der Übertritt von Abgas in den Radialspalt wird durch das düsenartig verengte Ende des Innenrohrs, wie weiter unten noch näher erläutert wird, verursacht, bzw. kann über die Größe des Düsenquerschnitts an den Motor angepasst werden. Diese Ausgestaltung wirkt außerdem wie eine Saugstrahlpumpe. D.h. der aus dem verengten Ende des Innenrohres austretende Abgasstrom reißt aus dem Radialspalt zuströmende Abgasteilchen mit sich (Ejektorwirkung). Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn die Ausströmöffnung des verengten Endes von einem Rohrabschnitt mit Radialabstand umfasst, wenn also eine bei Wasserstrahlpumpen als Fangkorb bezeichnete Struktur vorhanden ist. Das Vorderende des Rohrabschnittes ist radial erweitert und mit der Innenfläche des Außenrohres dichtend verbunden.

[0006] Das Innenrohr ist vorzugsweise so gestaltet, dass sich von Bypass-Öffnungen durchbrochene Abschnitte mit undurchbrochenen Längsabschnitten abwechseln. Am Außenrohr sind sich nach innen vorwölbende, die lichte Weite des Radialspaltes verringernde Sicken vorhanden. Diese bewirken, dass das in den Radialspalt übergetretene Abgas an den Sicken verwirbelt und damit die Kühlwirkung des im Wärmetauschers erhöht wird.

[0007] Die Kühlwirkung des Wärmetauschers kann weiterhin durch Oberflächenvergrößerung bzw. durch Kühlstrukturen verbessert werden, die an der Außenfläche des Außenrohres vorhanden sind. Vorzugsweise sind je zwei seitlich abstehende und sich in Längsrichtung erstreckende Stege vorhanden. In diese Stege sind Durchtrittsöffnungen eingebracht. Weiterhin sind an der Unterseite der Stege im Bereich der Durchtrittsöffnungen Luftleitelemente angeordnet, die die Fahrtluft von unten nach oben durch die Durchtrittsöffnungen hindurch auf die Oberseite des Wärmetauschers und damit zwischen diesen und der Bodengruppe des Fahrzeuges leiten. Damit ist gewährleistet, dass auch die zur Bodengruppe des Fahrzeuges weisende Oberseite des Wärmetauschers in ausreichendem Maße von Fahrt- bzw. Kühlluft umströmt ist.

[0008] Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1

einen Wärmetauscher in perspektivischer Darstellung,

Fig.2

eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles II in Fig.1,

Fig.3

eine erste Ausführungsform im Längsschnitt entsprechend Linie III-III in Fig.1,

Fig.4

eine weitere Ausführungsform in einer Fig.3 entsprechenden Ansicht,

Fig.5

eine Bypass-Öffnung im Innenrohr des Wärmeaustauschers von Fig.4 in vergrößerter perspektivischer Darstellung,

Fig.6

einen Querschnitt entsprechend der Linie VI-VI in Fig.4,

Fig.7

einen Endabschnitt des Wärmetauschers entsprechend dem Ausschnitt VII in Fig.3,

Fig.8

einen anders gestalteten Endabschnitt des Wärmetauschers in einer Fig.7 entsprechenden Darstellung.

[0009] Der in den Abbildungen dargestellte Wärmeaustauscher weist als Hauptbestandteile ein Außenrohr 1 und ein Innenrohr 2 auf, wobei die beiden Rohre im wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und zwischen sich einen Radialspalt 3 freilassen. Dieser Radialspalt ist an seinem gegen die Strömungsrichtung 4 weisenden vorderen Ende des Wärmeaustauschers abgedichtet. Die Abdichtung wird dadurch erreicht, dass das Innenrohr 2 einen radial erweiterten Abschnitt 5 aufweist, der an der Innenfläche 6 des Außenrohres 1 dichtend anliegt. Ein Einströmen von Abgas in den Radialspalt 3 ist dadurch verhindert. Das Innenrohr weist bevorzugt eine kreisförmige Querschnittsform auf. Das Außenrohr kann ebenfalls auf diese Weise ausgebildet sein. Bei den in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen weist das Außenrohr 1 jedoch einen im wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Lediglich die Endbereiche 7, 7a des Außenrohres 1 sind von kreisförmiger Querschnittsform, um das Anschließen herkömmlicher Abgasrohre zu vereinfachen.

[0010] Das Innerohr 2 ist lediglich mit seinem radial erweiterten Abschnitt 5 am Außenrohr 1 fixiert, insbesondere angeschweißt. Ansonsten erstreckt es sich frei in den Innenraum des Außenrohres 1 hinein. Das Innerohr 2 ist beispielsweise aus austenitischem Stahl gefertigt und dünnwandig ausgebildet, um seine Masse gering zu halten. Das in Strömungsrichtung 4 weisende hintere Ende 8 ist nach Art einer Düse radial verengt. Die Rohrwand dieses Bereiches ist zylinderförmig ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass sich der verengte Bereich in Strömungsrichtung 4 konisch verjüngt.

[0011] In einem sich an dem radial erweiterten Abschnitt 5 des Innenrohrs 2 anschließenden Bereich sind Bypass-Öffnungen 9 vorhanden, die vorzugsweise sich parallel zur Mittellängsachse 10 des Innenrohres 2 erstreckende Schlitze sind. Die Bypass-Öffnungen 9 sind jeweils in von undurchbrochenen Längsabschnitten 12 voneinander getrennten Längsabschnitten 13 angeordnet, wobei sie in Umfangsrichtung gleich verteilt sind. Der in Strömungsrichtung 4 weisende hintere Bereich des Innenrohres 2 ist frei von Durchbrechungen, wobei dieser Bereiches etwa halb so lang ist wie das Innenrohr 2.

[0012] Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 sind die zwischen den Bypass-Öffnungen 9 angeordneten Rohrwandbereiche 14 radial nach außen vorgewölbt, wodurch das ausströmende Abgas, wie durch den Pfeil 15 in Fig.5 angedeutet, in Umfangsrichtung abgelenkt wird.

[0013] Seitlich am Außenrohr 1 sind jeweils zwei in Richtung der Mittellängsachse 10 des Wärmetauschers verlaufende, sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Außenrohres 1 erstreckende und in Umfangsrichtung bzw. - im Einbauzustand gesehen - in Vertikalrichtung beabstandete Stege 16 vorhanden, die als o-berflächenvergrößernde Strukturen die Kühlwirkung des Wärmetauschers verbessern. In die Stege 16 sind Durchtrittsöffnungen 17 eingebracht. Von der im Einbauzustand die Unterseite 18 bildenden Seite der Stege 16 stehen Luftleitelemente 19 hervor. Diese bewirken, dass Fahrtluft, wie durch den Pfeil 20 in Fig.1 angedeutet, von der Unterseite 21 des Wärmetauschers auf dessen Oberseite 22 geleitet wird. Die Luftleitelemente 19 sind aus den Stegen herausgestanzte und nach unten abgewinkelte Laschen. Die dabei in den Stegen 16 zurückbleibenden Löcher bilden die Durchtrittsöffnungen 17.

[0014] Bei dem in Fig.8 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das verengte hintere Ende 8 des Innerohrs 2 und dessen Ausströmöffnung 23 von einem Rohrabschnitt 24 mit Radialabstand umfasst. Das vordere Ende dieses Rohrabschnittes geht mit einer Schrägschulter 25 in einen radial erweiterten Abschnitt 26 über, welcher an der Innenfläche 6 des Außenrohres 1 dichtend anliegt, insbesondere dort angeschweißt ist. Auf der Oberseite 22 und der Unterseite 21 des Außenrohres 1 sind nach innen vorgewölbte Sicken 27 vorhanden. In der sich an den vorderen Endbereich 7 anschließenden vorderen Hälfte des Außenrohres 1 sind im Bereich der undurchbrochenen Längsabschnitte 12 des Innenrohres 2 jeweils zwei sich in Umfangsrichtung erstreckende Sicken 27a angeordnet, nämlich eine an der Unterseite 21 und eine an der Oberseite 22. In der hinteren Hälfte des Außenrohres verlaufen die Sicken 27b schräg in bezug auf die Mittellängsachse 10. In Fig.2 ist die Oberseite 22 des Außenrohres 1 sichtbar. Auf der nicht sichtbaren Unterseite verlaufen die Sicken 27b in der durch die gestrichelte Linie 28 angedeuteten Richtung.

[0015] Im Folgenden wird nun die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert: Im unteren Teillastbereich, also bei geringen Drehzahlen des Motors ist das Innenrohr 2 des Wärmetauschers von einem relativ geringen Abgasstrom durchsetzt, wobei das Abgas eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Durch die einem NO_x-Speicher vorgeschalteten Einbauten und Rohre der Abgasanlage wird das Abgas weiter abgekühlt, so dass gegebenenfalls die bei etwa 250°C liegende minimale Arbeitstemperatur des NO_x-Speichers nicht erreicht wird. Dieser kann dann seine Funktion, nämlich Stickoxide durch Chemisorption aus dem Abgas zurückzuhalten nicht erfüllen. Es muss somit dafür Sorge getragen werden, dass das Abgas mit möglichst geringem Wärmeverlust zum NO_x-Speicher geführt wird. Wie oben ausgeführt, ist in dem genannten Betriebszustand die vom Motor ausgestoßene Abgasmenge gering. Dementsprechend gering ist die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die pro Zeiteinheit das Innenrohr passierende Abgasmenge. Der Anteil des Abgases, der über die Bypass-Öffnungen 9 in den Radialspalt 3 übertritt und dort an der Innenfläche 6 des Außenrohres gekühlt wird, ist gering. Dementsprechend niedrig ist der Wärmeverlust des Abgases. Das verengte Ende 8 bewirkt, dass in diesem Bereich aufgrund des geringeren Strömungsquerschnitts die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Bekanntermaßen nimmt in solchen Fällen der statische Druck eines strömenden Mediums ab. Im Bereich der Ausströmöffnung 23 herrscht somit ein geringerer Druck als im Innenrohr 2. Der genannte Druckunterschied bewirkt, dass Abgas über die Bypass-Öffnungen 9 in den Radialspalt 3 gesaugt wird. Die genannten Effekte sind jedoch im unteren Teillastbereich, also bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten gering. Im Volllastbereich dagegen, wenn sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen nehmen diese Effekte derart zu, dass der Anteil der über den Radialspalt fließenden und damit gekühlten Abgasmenge relativ zu der das Innenrohr 2 durchströmenden Abgasmenge zunimmt. Im Volllastbereich, wenn also der NO_x-Speicher vor einer Überhitzung geschützt werden soll, nimmt der Wirkungsgrad des Wärmetauschers selbsttätig und ohne Verwendung irgendwelcher aufwendiger und störungsanfälliger Klappen zu. Die im Außenrohr 1 vorhandenen Sicken verengen stellenweise den Radialspalt und stellen für das darin strömende Abgas Hindernisse dar, an denen Verwirbelungen auftreten, wodurch die Kühlwirkung des Wärmeaustauschers verbessert wird. Gleiches tritt für die Ausgestaltung der Bypass-Öffnungen 9a des in Fig.4,5 dargestellten Ausführungsbeispieles zu. Durch die Ablenkung des Abgasstromes in Umfangsrichtung (Pfeil 15 in Fig.5) wird zudem eine Zirkularströmung des Abgases und damit eine längere Verweildauer im Wärmetauscher erreicht. Im diesem Sinne wirken auch die schräg angeordneten Sicken 27b im hinteren Teil des Außenrohres 1. Der Übertritt von Abgas über die Bypass-Öffnungen in den Radialspalt wird nicht nur durch den oben erwähnten Druckunterschied hervorgerufen, sondern im gewissen Ausmaße auch noch durch einen von Wasser- oder Dampfstrahlpumpen bekannten Effekt. Der aus dem verengten Ende 8 austretende Abgasstrom reißt Abgasteilchen mit sich, die sich in dem das Ende 8 umfassenden Ringraum 29 befinden.

[0016] Dadurch entsteht stromaufwärts ein Unterdruck, welcher wiederum die durch die Bypass-Öffnungen austretende Abgasmenge erhöht. Dieser Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass das Ende 8, wie in Fig.8 gezeigt, von einem Rohrabschnitt 24 umfasst ist, wodurch ein verengter Ringraum 29a entsteht und der beschriebene Effekt verstärkt wird.

Bezugszeichenliste

[0017] 

1

Außenrohr

2

Innerohr

3

Radialspalt

4

Strömungsrichtung

5

Abschnitt

6

Innenfläche

7

Endbereich

8

hinteres Ende

9

Bypass-Öffnung

10

Mittellängsachse

12

Längsabschnitt

13

Längsabschnitt

14

Rohrwandbereich

15

Pfeil

16

Steg

17

Durchtrittsöffnung

18

Unterseite

19

Luftleitelement

20

Pfeil

21

Unterseite

22

Oberseite

23

Ausströmöffnung

24

Rohrabschnitt

25

Schrägschulter

26

Abschnitt

27

Sicke

28

gestrichelte Linie

29

Ringraum

Ansprüche

1. Abgasanlage für Kraftfahrzeuge mit einem Wärmetauscher folgender Ausgestaltung:

- er ist aus einem Außen- und einem Innenrohr (1,2) gebildet,

- zwischen den beiden Rohren ist ein Radialspalt (3) vorhanden, der an seinem gegen die Strömungsrichtung (4) weisenden vorderen Ende (7) eine den Eintritt von Abgas verhindernde Abdichtung aufweist,

- der sich an die Abdichtung anschließenden Bereich des Innenrohres (2) ist von Bypass-Öffnungen (9) durchbrochen, und

- das in Strömungsrichtung weisende, eine Ausströmöffnung (23) umfassende hintere Ende (8) des Innenrohres ist nach Art einer Düse verengt, wobei die Ausströmöffnung (23) mit dem Radialspalt (3) verbunden ist.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
dass das hintere Ende (8) des Innenrohres (2) von einem Rohrabschnitt (24) mit Radialabstand umfasst ist, dessen vorderes Ende radial erweitert ist und an der Innenfläche (6) des Außenrohres (1) dichtend anliegt.

3. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet,
dass sich am Innenrohr (2) Bypass-Öffnungen (9) aufweisende Abschnitte (13) mit undurchbrochenen Längsabschnitten (12) abwechseln.

4. Abgasanlage nach Anspruch 1-3,
   dadurch gekennzeichnet,
dass am Außenrohr (1) sich nach innen vorwölbende, die lichte Weite des Radialspaltes (3) verringernde Sicken (27a) vorhanden sind.

5. Abgasanlage nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich eines undurchbrochenen Längsabschnittes (12) jeweils wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Sicke (27a) angeordnet ist.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1-5,
   dadurch gekennzeichnet,
dass sich an den Bypass-Öffnungen (9) aufweisenden Bereich des Innenrohres (2) ein durchbrechungsfreier, sich bis zum hinteren Ende (8) des Innenrohres (2) erstreckenden Bereich anschließt, wobei in diesem Bereich am Außenrohr (1) sich schräg in bezug auf die Mittellängsachse (10) des Wärmetauschers verlaufende Sicken (27b) vorhanden sind.

7. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1-6,
   dadurch gekennzeichnet,
dass an der Außenfläche des Außenrohres (1) oberflächenvergrößernde Kühlstrukturen vorhanden sind.

8. Abgasanlage nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlstrukturen von seitlich abstehenden, in Axialrichtung verlaufenden Stegen (16) gebildet sind.

9. Abgasanlage nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet,
dass in den Stegen (16) Durchtrittsöffnungen (17) und an der Unterseite der Stege (16) Luftleitelemente (19) vorhanden sind, wobei letztere Fahrluft von unten nach oben durch die Durchtrittsöffnungen (17) hindurch auf die Oberseite (22) des Wärmetauschers leiten.

Zeichnung