DE19817341A1

DE19817341A1 - Abgaswärmetauscher

Info

Publication number: DE19817341A1
Application number: DE19817341A
Authority: DE
Inventors: Edgard Grundmann; Milos Dr Picha
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1998-04-18
Publication date: 1998-11-05

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher für eine mit einem Katalysator ausgerüstete Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs, der in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebunden ist.

Es ist bekannt, Abgasanlagen mit einem Katalysator und zusätzlich mit einem in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebundenen Wärmetauscher auszurüsten, insbesondere um eine optimale Betriebstemperatur für den Katalysator durch eine Kühlung desselben oder der diesem zugeführten Abgase sicherzustellen und dadurch dessen Wirkung zu verbessern.

So ist in der DE 30 35 472 A1 ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor mit einem in einer Kammer angeordneten Katalysator beschrieben, der zwischen dem Verbrennungsmotor und einer zentralen Abgasleitung fest angeordnet ist. Die Kammer ist mehrwandig ausgeführt und zwischen den beiden äußeren Wandungen vom Kühlwasser des Motors durchströmt, so daß ständig ein Wärmeaustausch zwischen dem Katalysator und der Kühlflüssigkeit stattfindet.

Die DE 34 06 968 A1 und die DE 43 26 243 A1 haben Abgasanlagen mit einem Katalysator und einem in das Kühlsystem des Kraftfahrzeugmotors eingebundenen Wärmetauscher zum Gegenstand, bei denen der Wärmetauscher zur Kühlung der Abgase vor Eintritt in den Katalysator angeordnet ist und das Abgasrohr oder eines von mehreren Abgasrohren umschließt. Bei der Abgasanlage nach der DE 34 06 968 wird das Abgas zwischen dem Motor und dem Katalysator über zwei Abgasrohre zu diesem geführt, die vor dem Katalysator wieder vereinigt werden und von denen nur eines mit dem Wärmetauscher zusammenwirkt. Durch eine Veränderung des Mengenverhältnisses der beiden Abgasströme kann bei dieser Abgasanlage die Temperatur des in den Katalysator eintretenden Abgasstromes und damit auch die Katalysatortemperatur geregelt werden.

Die Kühlung der Abgase vor Eintritt in den Katalysator, insbesondere aber die Anordnung desselben in einer Kammer führt durch die Verringerung der Betriebstemperatur des Katalysators auch zu einer erwünschten Verringerung der thermischen Belastung der Katalysatorumgebung.

Die in den vorbeschriebenen Abgasanlagen angeordneten und mit der Kühlflüssigkeit des Motors kommunizierenden Wärmetauscher dienen der direkten Katalysatorkühlung in der Betriebsphase oder einer indirekten Temperaturregelung des Katalysators durch die Kühlung der zu diesem geführten Abgase vor Eintritt in denselben, um dessen Betriebstemperatur zu optimieren. Als erwünschter Nebeneffekt tritt dabei eine Reduzierung der Wärmebelastung der Katalysatorumgebung auf. Nachteilig kann jedoch die ständige Wärmezufuhr zur Kühlflüssigkeit sein, die zu einer Überhitzung des Kühlsystems, insbesondere bei einer starken Belastung des Motors führen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Abgaswärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der nach Bedarf in den Abgasstrom einschaltbar ist. Des weiteren soll die Aufgabe gelöst werden, die Wärmebelastung der Katalysatorumgebung zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Abgaswärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Abgaswärmetauscher, der in bekannter Weise über ein Zufluß- und ein Abflußrohr in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebunden ist, ist erfindungsgemäß auf der Ausgangsseite des Katalysators in einem Gehäuse wärmeisoliert um ein im Abstand vom Katalysator angeordnetes zentrales Durchgangsrohr mit einer Eingangsöffnung und einer Ausgangsöffnung angeordnet, wobei die Eingangsöffnung der Ausgangsöffnung des Katalysators zugewandt ist. Der Abgaswärmetauscher füllt den Raum zwischen dem Durchgangsrohr und der Gehäusewandung aus. Er weist Wärmetauscherröhren für die den Katalysator verlassenden Abgase auf und wirkt mit einer Einrichtung zusammen, durch die die Ausgangsöffnung des Durchgangsrohres ganz oder teilweise verschließbar ist, derart, daß die Abgase wahlweise ganz oder teilweise statt durch das Durchgangsrohr durch die Wärmetauscherröhren geleitet werden. Das Gehäuse ist mit einer Ausgangsöffnung für die Abgase versehen, über die diese in den dem Katalysator nachfolgenden Teile der Abgasanlage und schließlich ins Freie geleitet werden. Durch diesen Abgaswärmetauscher kann die Abgaswärme zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit genutzt werden, um die Warmlaufphase des Motors zu verkürzen, vor allem aber, um die Heizleistung des Motorkühlsystems für die Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs im Dauerbetrieb zu erhöhen, was insbesondere bei verbrauchsgünstigen Motoren von großem Vorteil ist. Die Betriebstemperatur des Katalysators wird durch die Nutzung der Abgaswärme nicht beeinträchtigt.

Zur Wärmeisolation des Abgaswärmetauschers gegenüber dem Durchgangsrohr kann ein Luftspalt zwischen diesen ausgebildet sein, wobei der Luftspalt auf der dem Katalysator abgewandten Seite des Abgaswärmetauschers an seinem gesamten Umfang geschlossen ist, indem der Abgaswärmetauscher in diesem Bereich fest mit dem Katalysator verbunden ist, beispielsweise durch eine ununterbrochene Schweißnaht. Der Luftspalt stellt sicher, daß die Wärmebelastung des Abgaswärmetauschers durch eine Wärmeübertragung vom Durchgangsrohr auf diesen wesentlich reduziert ist, wenn die Kühlflüssigkeit nicht erwärmt werden soll. Anstelle des Luftspaltes kann auch eine Schicht aus einem wärmeisolierenden Material angeordnet sein.

Die Wärmetauscherröhren können im Abgaswärmetauscher parallel und konzentrisch zur Achse des Durchgangsrohres und im Abstand voneinander angeordnet sein, um eine möglichst große Oberfläche gegenüber der Kühlflüssigkeit zu schaffen.

Das Gehäuse kann katalysatorseitig einen Wärmeschirm aufweisen, der den Katalysator im Abstand mantelförmig umgibt, um auf einfache Weise die Katalysatorumgebung, einschließlich der benachbarten Komponenten am Kraftfahrzeug selbst, von der vom Katalysator abgestrahlten Wärme abzuschirmen, insbesondere nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs. Die dadurch in den Schirm eingebrachte Wärme wird über das Gehäuse und die Wandung des Abgaswärmetauschers in die Kühlflüssigkeit abgeleitet.

In den Wärmeschirm können Belüftungslöcher eingebracht sein, vorzugsweise in dem dem Abgaswärmetauscher zugewandten Bereich, um eine Kühlung der Katalysatoroberfläche und des Wärmeschirms selbst während der Fahrt zu begünstigen.

Die Einrichtung zum Verschließen des Durchgangsrohres kann vorteilhaft im Bereich zwischen diesem und der Ausgangsöffnung des Gehäuses angeordnet sein und eine schwenkbar an diesem gehalterte Klappe aufweisen, die zwischen einer Öffnungsstellung parallel zur Achse des Durchgangsrohres und einer quer zu dieser Achse gegebenen Schließstellung, in der die Ausgangsöffnung des Durchgangsrohres verschlossen ist, schwenkbar ist. Zwischen den beiden Stellungen sind beliebige Zwischenstellungen einstellbar, um unterschiedliche Teilmengen des Abgasstromes durch die Wärmetauscherröhren zu leiten. Die Klappe selbst kann so gestaltet sein, daß diese in ihrer Schließstellung mit einem vorbestimmten Schließdruck an der Ausgangsseite des Durchgangsrohres, die Ausgangsöffnung verschließend, anliegt, um Druckstöße im Abgasstrom (Lastwechsel) elastisch abzufedern und eine Oberbelastung des Abgaswärmetauschers durch große Abgasmengen selbstregelnd zu vermeiden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen.

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher im Längsschnitt; und

Fig. 2 einen Querschnitt II-II durch den Abgaswärmetauscher.

Fig. 1 zeigt einen in einem Gehäuse 1, in das die Ausgangsöffnung 2 eines Katalysators 3 mündet, angeordneten Abgaswärmetauscher 4, der über ein Zuflußrohr 5 und ein Abflußrohr 6 in den Kühlflüssigkeitskreislauf (K) des Motorkühlsystems eingebunden ist. Der Abgaswärmetauscher 4 ist um ein im Abstand vom Katalysator 3 im Gehäuse 1 angeordnetes Durchgangsrohr 7 mit einer Eingangsöffnung 8 und einer Ausgangsöffnung 9 angeordnet, wobei die Eingangsöffnung 8 und die Ausgangsöffnung 2 des Katalysators 3 einander zugewandt sind, und auf der dem Katalysator 3 abgewandten Seite mit dem Durchgangsrohr 7 durch eine ununterbrochene Schweißnaht N fest mit diesem verschweißt.

Zwischen dem Durchgangsrohr 7 und der benachbarten Wandung des Abgaswärmetauschers 4 ist ein Luftspalt 10 zur Wärmeisolation angeordnet.

Der Abgaswärmetauscher 4 füllt den Raum zwischen dem Durchgangsrohr 7 und der Wandung des Gehäuses 1 in radialer Richtung aus und ist mit parallel und konzentrisch zum Durchgangsrohr 7 und im Abstand voneinander angeordneten Wärmetauscherröhren 11 für die Abgase A versehen und wirkt mit einer schwenkbar am Gehäuse 1 gehalterten und betätigbaren Klappe 12 zusammen, die im Bereich zwischen dem Durchgangsrohr 7 und einer im Gehäuse 1 angeordneten Ausgangsöffnung 13 für die Abgase A schwenkbar am Gehäuse 1 gehaltert ist. Die Klappe 12 ist zwischen der in Fig. 1 dargestellten Öffnungsstellung parallel zur Achse X des Durchgangsrohres 7 und einer quer zu dieser gegebenen und gestrichelt dargestellten Schließstellung zum Verschließen der Ausgangsöffnung 9 desselben schwenkbar. Die Betätigungseinrichtung für die Klappe 12 ist nicht dargestellt.

Am Gehäuse 1 ist des weiteren katalysatorseitig ein Wärmeschirm 14 angeordnet, der den Katalysator 3 mantelförmig umgibt und konzentrisch um die Achse X angeordnete Belüftungslöcher 15 aufweist.

In Fig. 2 ist insbesondere die Anordnung der Wärmetauscherröhren 11 zu sehen, die im Abstand voneinander und kreisringförmig um das Durchgangsrohr 7 angeordnet sind. Die Wärmetauscherröhren 11 werden von der durch das Zuflußrohr 5 einströmenden und durch das Abflußrohr 6 ausströmenden Motorkühlflüssigkeit K ständig umströmt. Zwischen dem Durchgangsrohr 7 und der inneren Wandung des Abgaswärmetauschers 4 befindet sich der Luftspalt 10, durch den die Schweißnaht N zu sehen ist.

Soll nun die Motorkühlflüssigkeit K durch die heißen Abgase A erwärmt werden, wird das Durchgangsrohr 7 von der Klappe 12 verschlossen. Die Abgase A strömen dadurch durch die von der Motorkühlflüssigkeit K umströmten Wärmetauscherröhren 11, geben Wärme an diese ab und strömen entwärmt an der Ausgangsöffnung 13 aus dem Gehäuse 1 zu den nachfolgenden Teilen der Abgasanlage. Sollen nur Teilmengen der Abgase A durch die Wärmetauscherröhren 11 strömen, so wird die Klappe 12 in eine durchgangslochnahe Zwischenstellung zwischen der Schließ- und der Öffnungsstellung gebracht.

Auf die beschriebene Weise kann der Abgaswärmetauscher 4 in der Warmlaufphase des Motors zur Verkürzung derselben beitragen, vor allem aber im Dauerbetrieb bedarfsweise die Motorkühlflüssigkeit K ständig heizen, um die Heizleistung des Motorkühlsystems für die Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.

Der Wärmeschirm 14 nimmt nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs die vom Katalysator abgestrahlte Wärme auf und gibt diese über die Wandung des Gehäuses 1 und die Wandung des Abgaswärmetauschers 4 an die ruhende Motorkühlflüssigkeit K ab. Dadurch wird die Wärmebelastung der Katalysatorumgebung erheblich reduziert. Während der Fahrt sorgen die Belüftungslöcher 15 dafür, daß die Oberfläche des Katalysators 3 gekühlt wird, da durch diese die Luft durch den Spalt zwischen dem Katalysator 3 und den Wärmeschirm 14 strömen kann.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Ausgangsöffnung

3

Katalysator

4

Abgaswärmetauscher

5

Zuflußrohr

6

Abflußrohr

7

Durchgangsrohr

8

Eingangsöffnung

9

Ausgangsöffnung

10

Luftspalt

11

Wärmetauscherröhre

12

Klappe

13

Ausgangsöffnung

14

Wärmeschirm

15

Belüftungsloch
A Abgase
N Schweißnaht
X Achse

Claims

1. Abgaswärmetauscher für die mit einem Katalysator ausgerüstete Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges, der über ein Zufluß- und ein Abflußrohr in den Kühlflüssigkeitskreislauf des Motorkühlsystems eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in einem Gehäuse (1), in das die Ausgangsöffnung (2) des Katalysators (3) mündet, wärmeisoliert um ein im Abstand vom Katalysator (3) angeordnetes Durchgangsrohr (7) mit einer Eingangs- (8) und einer Ausgangsöffnung (9) angeordnet ist, wobei die Eingangsöffnung (8) und die Ausgangsöffnung (2) des Katalysators (3) einander zugewandt sind, und den Raum zwischen dem Durchgangsrohr (7) und der Wandung des Gehäuses (1) ausfüllt, mit Wärmetauscherröhren (11) für die Abgase (A) versehen ist und mit einer Einrichtung zusammenwirkt, durch die die Ausgangsöffnung (9) des Durchgangsrohres (7) ganz oder teilweise verschließbar ist, und daß das Gehäuse (1) eine Ausgangsöffnung (13) für die Abgase (A) aufweist.

2. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zur Wärmeisolation im Abstand vom Durchgangsrohr (7) angeordnet ist und lediglich auf der dem Katalysator (3) abgewandten Seite an seinem gesamten Umfang fest mit dem Durchgangsrohr (7) verbunden ist.

3. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherröhren (11) im Abgaswärmetauscher (4) parallel und konzentrisch zum Durchgangsrohr (7) und im Abstand voneinander angeordnet sind.

4. Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (1) katalysatorseitig ein Wärmeschirm (14) angeordnet ist, der den Katalysator (3) mantelförmig umgibt.

5. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeschirm (14) Belüftungslöcher (15) angeordnet sind.

6. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung im Bereich zwischen dem Durchgangsrohr (7) und der Ausgangsöffnung (13) des Gehäuses (1) angeordnet ist.

7. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine schwenkbar am Gehäuse (1) gehalterte und betätigbare Klappe (12) ist, die zwischen einer Öffnungsstellung parallel zur Achse (X) des Durchgangsrohres (7) und einer quer zur Achse (X) gegebenen Schließstellung vor der Ausgangsöffnung (9) des Durchgangsrohres (7) schwenkbar ist.

8. Abgaswärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (12) in der Schließstellung mit einem vorbestimmten Schließdruck am Durchgangsrohr (7) an liegt.