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DE102014221383A1 - Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine, in dem eine von dem Abgas durchströmbare Abgasreinigungsanlage angeordnet ist, die radial außen zumindest abschnittsweise von einer von einem Fluid temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage von dem Abgas axial durchströmbar ist und das Fluid bezüglich einer Abgasströmungsrichtung in einem Gegenstromprinzip förderbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine optimierte Wärmegewinnung und Brennverfahrensoptimierung für die Brennkraftmaschine möglich, insbesondere bei Verwendung der Brennkraftmaschine als ein Blockheizkraftwerk.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskrümmer für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Beim Betrieb von Brennkraftmaschinen in Blockheizkraftwerken (BHKW) ist die Rückgewinnung der im Abgas enthaltenen Energie für den Heizkreis des Gebäudes, in dem das Blockheizkraftwerk steht, entscheidend für den Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Üblicherweise erfolgt die Wärmerückgewinnung in separaten Wärmetauschern vor und/oder nach einer Abgasnachbehandlungseinrichtung. Katalysatoren sind üblicherweise in Bockheizkraftwerken eingebaut, werden aber lediglich gegenüber der Umgebung hin isoliert verbaut.
  • Bei diesem Stand der Technik werden der Katalysator und der Abgaskrümmer der Brennkraftmaschine getrennt verbaut und vom Hersteller der Kraftwerke auch getrennt bei unterschiedlichen Lieferanten bezogen. Eine Rückgewinnung der Wärmeenergie aus dem Abgas findet zwar statt, die gesamte Konstruktion ist aber nicht zusammen mit dem verwendeten Brennverfahren der Brennkraftmaschine optimiert. Der Stand der Technik ermöglicht nicht den Wirkungsgrad des gesamten Blockheizkraftwerkes (Wärmerückgewinnung, optimiertes Brennverfahren, Anpassung des Abgaskrümmers an die Brennkraftmaschine, optimale Anströmung des Katalysators) zu optimieren.
  • Um dieses Problem teilweise zu umgehen wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2012 001 427 U1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ein Wärmetauschermodul für einen mittels einer Verbrennungskraftmaschine betriebenes Blockheizkraftwerk vorgeschlagen. Dieses Wärmetauschermodul zeichnet sich dadurch aus, dass neben dem Abgaswärmetauscher auch weitere einzelne Anlagenkomponenten in einem vorgefertigten Modul zu einer kompakten Einheit zusammengefasst und integriert werden. Weiter zeichnet sich das Wärmetauschermodul dadurch aus, dass die Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern ist und das Kompaktmodul direkt ohne weitere externe Abgassammelleitung, Krümmer oder andere dazwischenliegende Anlagenkomponenten an den Zylinderkopf dieser Brennkraftmaschine angeschlossen ist, wobei die Zusammenführung der Abgase aus den einzelnen Zylindern erst innerhalb des Kompaktmoduls erfolgt und danach dem Wärmetauscher zugeführt werden. Weiter ist das Kompaktmodul mit einem in den Kreislauf der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine eingebunden und als ein Ausgleichsbehälter dienender Wasserkasten kombiniert und zu einer Einheit zusammengebaut.
  • Auch an dieser bekannten Vorrichtung ist es von Nachteil, dass der Wirkungsgrad noch nicht bestmöglich optimiert ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk, weiter erhöht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Für die Anwendung in Blockheizkraftwerken werden erfindungsgemäß der Abgaskrümmer und der Katalysator in einer konstruktiven Einheit zusammengefasst. Dieses Modul kann ein- oder mehrteilig ausgeführt werden. Abgaskrümmer und Katalysator sind von einem gemeinsamen Wassermantel umschlossen, der gegenüber den Abgasen im Gegenstromprinzip wirkt. Der Katalysator wird hierbei axial vom Abgas an- und durchströmt. Die Führung der Fluidkanäle, vorzugsweise Wasserkanäle, kann unterschiedlich ausgestaltet werden (z. B., aber nicht ausschließlich: Parallele Kanäle, spiralförmige Anordnung usw.). Idealerweise sind der Abgaskrümmer und der Katalysator auf das Brennverfahren der zugehörigen Brennkraftmaschine abgestimmt, um den optimalen Wirkungsgrad der gesamten Konstruktion zu erzielen. Die Optimierung kann dabei zwischen hoher mechanischer Leistung, optimalem mechanischen Wirkungsgrad und/oder hoher Wärmerückgewinnung variiert werden.
  • Somit ergeben sich:
    • – eine optimierte Wärmerückgewinnung in Blockheizkraftwerken,
    • – ein optimiertes Brennverfahren im Blockheizkraftwerkbetrieb,
    • – eine Anpassung an verschiedene Brennkraftmaschinenkonfigurationen durch modulare Bauweise,
    • – eine optimale An- und Durchströmung des Katalysators.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • So kann gemäß Patentanspruch 2 ein Abgaskrümmer für einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
  • In einer Weiterbildung kann der Abgaskrümmer gemäß Patentanspruch 3 als zweiflutiger Abgaskrümmer für zwei Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
  • In vorteilhafter Weise können gemäß Patentanspruch 4 zwei zweiflutige Abgaskrümmer für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen sein.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Abgaskrümmer gemäß Patentanspruch 5 als dreiflutiger Abgaskrümmer für drei Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform können gemäß Patentanspruch 6 zwei dreiflutige Abgaskrümmer für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist gemäß Patentanspruch 7 für jeden Abgaskrümmer eine eigene Abgasreinigungsanlage vorgesehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist gemäß Patentanspruch 8 für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine eine eigene Abgasreinigungsanlage vorgesehen.
  • Bevorzugt ist die Abgasreinigungsanlage gemäß Patentanspruch 9 ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter.
  • Somit liegt in vorteilhafter Weise ein modular aufgebauter Abgaskrümmerbaukasten vor.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer für drei Zylinder.
  • 2 zeigt eine sechszylindrische Brennkraftmaschine mit zwei erfindungsgemäßen Abgaskrümmern für jeweils drei Zylinder.
  • 1 zeigt beispielhaft einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaskrümmer 1 für drei in Reihe angeordnete Zylinder einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Abgaskrümmer 1 ist mittels eines Befestigungsflansches 7 an die in 2 dargestellte, sechszylindrige Brennkraftmaschine 2 montierbar. Der Abgaskrümmer 1 weist drei Abgaseinlassöffnungen 6 auf, für drei Zylinder der Brennkraftmaschine 2. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 strömt das Abgas durch die Abgaseinlassöffnungen 6 im Abgaskrümmer 1 in einen zylinderförmigen Bereich, in dem eine Abgasreinigungsanlage 3 beispielsweise ein Katalysator und/oder ein Partikelfilter, angeordnet ist und durchströmt die Abgasreinigungsanlage axial. Danach verlässt das Abgas den Abgaskrümmer 1 und strömt durch ein Abgasrohr 4 weiter, welches mittels einer V-Bandschelle 8 an den Abgaskrümmer 1 montiert ist. Anstelle der V-Bandschelle 8 kann in anderen Ausführungsbeispielen auch eine Schweißnaht vorgesehen sein.
  • Radial außen um die Abgasreinigungsanlage 3 sowie im Flansch- und Einströmbereich sind Fluidräume 5 angeordnet. Das Fluid kann durch eine Fluidzufuhr 9 eingeführt und durch eine Fluidabfuhr 10 wieder abgeführt werden. Das Fluid kann beispielsweise ein Gas, z. B. Luft oder eine Flüssigkeit, wie z. B. ein flüssiges Kühlmittel der Brennkraftmaschine 2 sein.
  • Erfindungsgemäß wird die Abgasreinigungsanlage 3 von dem Abgas axial durchströmt und das Fluid, dessen Strömungsrichtung mit einem Pfeil schematisch dargestellt ist, in einem Gegenstromprinzip gefördert.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie bereits eingangs erwähnt, der Abgaskrümmer 1 für drei Zylinder der Brennkraftmaschine 2 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform kann der Abgaskrümmer 1 auch für einen einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 2 vorgesehen sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Abgaskrümmer 1 für zwei Zylinder der Brennkraftmaschine 2 vorgesehen sein. In diesem Fall können zwei Abgaskrümmer 1 für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine 2 vorgesehen sein bzw. drei derartige Abgaskrümmer 1 für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine 2. Wiederum in einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Abgaskrümmer 1 wie im vorliegenden Beispiel für drei Zylinder der Brennkraftmaschine 2 vorgesehen sein. Somit können im Falle eines dreiflutigen Abgaskrümmers 1 zwei Abgaskrümmer 1, wie in 2 dargestellt, für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine 2 vorgesehen werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann für jeden Abgaskrümmer 1 unabhängig von der Anzahl der Fluten eine einzige Abgasreinigungsanlage 3 vorgesehen sein. Wiederum in einem weiteren Ausführungsbeispiel kann für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine 2 unabhängig von der Anzahl der Fluten des Abgaskrümmers 1 für jeden Zylinder eine Abgasreinigungsanlage 3 vorgesehen werden.
  • Bevorzugt handelt es sich bei der Abgasreinigungsanlage 3 um einen Katalysator und/oder einen Partikelfilter. Bei einer Kombination kann es sich um zwei separate Bauteile handeln oder auch um eine kombinierte Variante als Partikelfilter mit katalytischer Wirkung.
  • 2, zeigt eine Aufsicht auf die sechszylindrige Brennkraftmaschine 2 mit zwei dreiflutigen erfindungsgemäßen Abgaskrümmern 1. In 2 gelten für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern wie in 1. Es gilt das zu 1 Gesagte auch für 2.
  • Somit ergeben sich mit dem erfindungsgemäßen Abgaskrümmer 1 für eine Brennkraftmaschine 2 bei einer Verwendung in Blockheizkraftwerken folgende Vorteile:
    • – eine optimierte Wärmerückgewinnung in Blockheizkraftwerken,
    • – ein optimiertes Brennverfahren im Blockheizkraftwerkbetrieb,
    • – eine Anpassung an verschiedene Brennkraftmaschinenkonfigurationen durch modulare Bauweise,
    • – eine optimale An- und Durchströmung des Katalysators.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgaskrümmer
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Abgasreinigungsanlage
    4
    Abgasrohr
    5
    Fluidraum
    6
    Abgaseinlassöffnung
    7
    Befestigungsflansch
    8
    V-Bandschelle
    9
    Fluidzufuhr
    10
    Fluidzufuhr
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202012001427 U1 [0004]

Claims (9)

  1. Abgaskrümmer (1) für eine Brennkraftmaschine (2), insbesondere für ein Blockheizkraftwerk, in dem eine von dem Abgas durchströmbare Abgasreinigungsanlage (3) angeordnet ist, die radial außen zumindest abschnittsweise von einem Fluid temperierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (3) von dem Abgas axial durchströmbar ist und das Fluid bezüglich einer Abgasströmungsrichtung in einem Gegenstromprinzip förderbar ist.
  2. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (1) für einen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
  3. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (1) für zwei Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
  4. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abgaskrümmer (1) für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine vorgesehen sind.
  5. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskrümmer (1) für drei Zylinder der Brennkraftmaschine (2) vorgesehen ist.
  6. Abgaskrümmer nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Abgaskrümmer (1) für eine sechszylindrige Brennkraftmaschine (2) vorgesehen sind.
  7. Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Abgaskrümmer (1) eine Abgasreinigungsanlage (3) vorgesehen ist.
  8. Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine eine Abgasreinigungsanlage (3) vorgesehen ist.
  9. Abgaskrümmer nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsanlage (3) ein Katalysator oder/und ein Partikelfilter ist.
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