DE4326243A1 - Wärmetauscher für die Abgase eines Kraftfahrzeuges mit Abgasreinigungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Abgase eines Kraftfahrzeuges, der die Temperatur der Abgase an die Abgasreinigungsanlage anpaßt, um ihre Funktionstüchtigkeit zu erhöhen und ihre Nutzungsdauer zu verlängern.

Die Abgase eines Kraftfahrzeuges erreichen Temperaturen bis 1000°C. Gelangen die Abgase mit dieser Temperatur in die Ab­ gasreinigungsanlage, so wird ihre Nutzungsdauer auf weniger als ein Jahr verkürzt, besonders, wenn es sich um eine mit Katalysatoren arbeitende Nachverbrennungsanlage handelt. Derart hohe Temperaturen werden allerdings erst im Langzeit­ betrieb erreicht, wenn auch das Abgasrohr annähernd hohe Tem­ peraturen angenommen hat und nur noch unwesentlich zur Küh­ lung der Abgase beiträgt. Dann aber besteht die Gefahr, daß bei einem Halt des Fahrzeuges durch die große Hitze Grasnaben oder anderes brennbares Material unter dem Fahrzeug entzündet werden und daß der Unterboden des Fahrzeuges überhitzt wird. Ein so heißes Abgasrohr kann auch das Klima im Inneren des Fahrzeuges ungünstig beeinflussen.

Um derartigen Folgen vorzubeugen, schirmt man das Abgasrohr gegen den Fahrzeugboden und gegenüber der Fahrbahn ab. Solche Wärmeschirme sind u. a. durch die DE-OS 28 19 371 und DE-OS 42 03 172 bekannt geworden. Soweit durch die Anbringung derartiger Wärmeschilder die Wärmeabgabe des Abgasrohres be­ einträchtigt wird, beschleunigt dies noch die Überhitzung des Abgases.

Es ist bekannt, den Abgasen durch Konvektion Wärme zu entzie­ hen. Vorzugsweise wird der Fahrwind oder eine Kühlflüssigkeit als Kühlmittel verwendet. Bei der Kühlung durch Konvektion ist man bestrebt, den Wärmeübergang durch möglichst enge Be­ rührung der Medien zu beschleunigen. Mit Luft gefüllte oder evakuierte Räume zwischen dem zu kühlenden und dem zu erwär­ menden Medium sind bei der Konvektion unerwünscht, weil sie die Medien gegeneinander isolieren und den Wärmeaustausch behindern.

Durch die DE-OS 30 28 955 ist ein solcher Wärmetauscher bekannt geworden. Die Abgase werden in einen zylinderförmigen Behäl­ ter geleitet, prallen auf einen axial angeordneten Einbau­ körper und umströmen turbulent ein um diesen Einbaukörper wendelförmig angeordnetes, mit Kühlflüssigkeit gefülltes Rohr, um dann abgekühlt weitergeleitet zu werden. Bei diesem Wärme­ tauscher ist es erforderlich, das Abgasrohr zu zertrennen, um ihn dann mit beiden Teilen des Abgasrohres zu verbinden. Sein Einbau ist teuer und erfordert viel Platz. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß er dem Abgas auch beim Kaltstart Wärme entzieht, wodurch es unterkühlt in die Abgasreinigungs­ anlage gelangt, die dadurch nicht voll wirksam werden kann. Diese Nachteile sind auch bei den in den DE-PS 35 30 472 und 40 19 093 beschriebenen Abgasanlagen zu verzeichnen, die eine konvektive Kühlung des Abgases durch Öl erreichen wollen. Die DE-PS 40 19 093 sieht für die Kühlung des Öles einen zusätz­ lichen Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher im Bereich eines vor­ deren Radkastens an der Karosserie des Kraftfahrzeuges vor, wodurch die Kosten noch erhöht werden.

Der DE-OS 36 18 762 hat eine Abgasleitungsanordnung zum Gegen­ stand, mit der die Temperatur der Abgase bei den verschiede­ nen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine beeinflußt wer­ den soll. Sie sieht vor, vor der Abgasreinigungsanlage eine Rohrleitungsanordnung anzubringen, die aus einer Innenrohr­ leitung und einer die Innenrohrleitung umgebenden Außenrohr­ leitung besteht. Durch eine Umlenkklappe kann gesteuert wer­ den, daß die Abgase nur die Innenrohrleitung durchströmen und dabei nur wenig Wärme abgeben, oder daß sie mit geänderter Strömungsrichtung auch die Außenrohrleitung durchströmen und auf diesem längeren Weg mehr Wärme abgeben.

Auch bei der Montage dieser Abgasleitungsanordnung muß das Abgasrohr geteilt werden. Ein weiterer Nachteil besteht in der vom Fahrer zu betätigenden Umlenkklappe, die ebenso wie ein Choke mit einem modernen Automobil nicht zu vereinbaren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der die Abgastemperatur für die Abgasreinigungs­ anlage selbsttätig optimiert und nicht wesentlich größer ist als die Abgasreinigungsanlage und unter dem Fahrzeugboden Platz findet, der auch bei vorhandenen Kraftfahrzeugen nach­ gerüstet werden kann, ohne daß das Abgasrohr geteilt werden muß, und der gegenüber dem Fahrzeugboden und der Fahrbahn die Funktion eines Wärmeschutzschildes übernimmt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Abgasrohr vor der Abgasreinigungsanlage bis zu seiner Krüm­ mung zur Brennkraftmaschine von einem mit Kühlmedium gefüll­ ten Behälter umschlossen wird, und zwar so, daß sich zwischen dem Abgasrohr und dem Behälter über dessen gesamte Länge ein Ringspalt befindet.

Bei einem solchen Wärmetauscher erfolgt der Wärmeübergang nur zu einem geringen Teil durch Konvektion, zum überwiegenden Teil durch Wärmestrahlung. Die durch sie übertragende Energie ist der vierten Potenz der absoluten Temperatur der Abgase proportional. Dadurch wird den Abgasen je mehr Energie entzogen, je heißer sie sind. Das führt bei Dauerbetrieb zu einer konstanten Temperatur, die bei einem Wärmetauscher in der Größe, die vor der Abgasreinigungsanlage unter einem Per­ sonenkraftwagen Platz findet, etwa 50 bis 200°C unter der Maximaltemperatur ohne diesen Wärmetauscher liegt. Einer Tem­ peratur, die ideal ist für eine Abgasreinigungsanlage mit Ka­ talysator.

Es wurde überraschend gefunden, daß die Größe des Ringspaltes nur geringen Einfluß auf die Leistung des Wärmetauschers hat. Dadurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit einem Außendurchmesser zu bauen, der nur um die Hälfte größer ist als der des Abgasrohres.

Das Emissionsvermögen erhitzter Oberflächen von festen Kör­ pern ist achtzehnmal größer als das erhitzter Gase.

Das hat zur Folge, daß dem Abgas erst dann Wärme entzogen wird, wenn sich das Abgasrohr erhitzt hat. Zuvor kühlen das Abgasrohr und die noch kühle Brennkraftmaschine die Abgase ab. Damit diese Abkühlung nicht größer als 200°C wird und nicht zu lange dauert, ist es für eine maximale Abgasreini­ gung zweckmäßig, die Dicke des Abgasrohres und damit seine Masse zu minimieren. Dafür sind bei Einsatz des erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers günstige Voraussetzungen gegeben, weil der das Abgasrohr umschließende Behälter nicht nur die Um­ gebung vor Hitzeeinwirkung, sondern auch das Abgasrohr vor Beschädigung schützt. Eine geringere Dicke des Abgasrohres bewirkt außerdem neben einer Materialeinsparung höhere Ober­ flächentemperaturen und damit eine größere Wärmestrahlung. Wird die Achse des Wärmetauschers in Fahrtrichtung angeordnet, so ist es sinnvoll, die Stirnseiten des Ringspaltes offen zu lassen, damit auch durch Konvektion mit dem Fahrwind Wärme abgeführt wird. Dadurch kann der Wärmetauscher klein gehalten werden.

Der Behälter ist zweckmäßig über ein Zu- und ein Abflußrohr kommunizierend mit der Kraftfahrzeugkühlung verbunden. Versuche haben ergeben, daß moderne Kühlsysteme diese zu­ sätzliche Belastung gut verkraften und daß die Leistung des Wärmetauschers kaum von der Temperatur des Kühlmediums ab­ hängt.

Eine besonders wirksame Ausgestaltung des Behälters besteht darin, ihn aus einem in Wendeln um das Abgasrohr geformten Rohr herzustellen, dessen Wendeln dicht aneinander liegen. Dieses Rohr kann zugleich als Zu- und Abflußrohr der Kühl­ flüssigkeit bis zum Kühler weitergeführt werden. Außerdem weist ein solcher Behälter eine hohe Festigkeit und Elastizi­ tät auf. Der Durchmesser des Rohres kann kreisrund oder oval sein. Es können auch Kastenprofilrohre Verwendung finden. Die Wärmestrahlung ist unter anderem auch abhängig von dem Material und von der Oberfläche des Abgasrohres. Besonders hohe Werte werden erreicht, wenn das Abgasrohr aus einem Ma­ terial mit einer rauhen und geschwärzten Oberfläche besteht, die der eines schwarzen Strahlers nahekommt. Eine solche Oberfläche kann durch Schwärzung mit Kohlenstoff, durch Be­ schichtung mit Metalloxiden oder Halbleitern, durch Aufbrin­ gen von Interferenzschichten, durch Inchromieren und durch Aufrauhen erfolgen.

Die emittierten Wärmestrahlen werden von dem das Abgasrohr umschließenden Behälter teilweise absorbiert und teilweise re­ flektiert. Um die Reflexion weitgehend auszuschließen, ist es ebenfalls ratsam, die dem Abgasrohr zugewandte Oberfläche des Behälters wie oben beschrieben der eines schwarzen Strah­ lers anzunähern.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bestehen in der selbst tätigen Optimierung der Abgastemperatur für die Abgasreinigungsanlage, in seiner einfachen und billigen Kon­ struktion, seinem geringen Platzbedarf bei relativ hoher Lei­ stung, seiner einfachen Montage, die auch die problem­ lose Nachrüstung vorhandener Kraftfahrzeuge mit Abgasreini­ gungsanlagen ermöglicht, sowie seinen zusätzlichen Funktionen als Wärmeschutzschild und als Schutz für das Abgasrohr.

Die Konstruktion und die Funktion eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden im folgenden an zwei Beispielen erläu­ tert, die in Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt den Wärmetauscher mit einem Behälter, der aus einem Doppelzylinder mit kreisringförmigem Querschnitt besteht,

Fig. 2 einen Wärmetauscher mit einem Behälter aus einem wen­ delförmig geformten Rohr.

Der Behälter 1 umschließt jeweils das Abgasrohr 2 so, daß zwischen ihnen ein Ringspalt 3 über die gesamte Länge des Behälters 1 gebildet wird. Der Ringspalt ist zu beiden Seiten offen, so daß durch ihn der Fahrwind strömen und dem Abgas­ rohr durch Konvektion Wärme entziehen kann.

Über den Zufluß 4 wird aus dem Kühlsystem des Kraftfahrzeuges Kühlflüssigkeit zugeführt, die über den Abfluß 5 wieder zum Kühlsystem zurückfließt.

Das Abgasrohr 2 hat einen Innendurchmesser von 56 mm und einen Außendurchmesser von 60 mm. Der das Abgasrohr 2 um­ schließende Behälter 1 hat einen Innendurchmesser von 70 mm, so daß zwischen Behälter 1 und Abgasrohr 2 ein Ringspalt 3 von 5 mm Breite besteht.

Der Außendurchmesser des Behälters 1 beträgt 80 mm, seine Länge 1,22 m.

Durch Schwärzung der einander zugewandten Oberflächen des Behälters 1 und des Abgasrohres 2 wird ein Emissions- und Absorptionsgrad von 0,8 erreicht.

Bei einer Kühlmitteltemperatur von 85°C und einer maximalen Oberflächentemperatur des Abgasrohres 2 hinter dem Wärmetau­ scher von 750°C werden dem Abgas 15 kW Wärme entzogen.

Claims (5)

1. Wärmetauscher für die Abgase eines Kraftfahrzeuges mit Abgasreinigungsanlage, bestehend aus einem das Abgasrohr vor der Abgasreinigungsanlage umschließenden, mit einem Kühlmedium gefüllten Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Abgasrohr (2) und dem Behälter (1) über dessen gesamte Länge ein Ringspalt (3) befindet.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (3) axial offen ist und daß seine Längsachse parallel zu der des Abgasrohres (2) verläuft.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (1) über ein Zuflußrohr (4) und ein Abflußrohr (5) kommunizierend mit dem Kühlsystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (1) aus einem in Wendeln um das Ab­ gasrohr (2) geformten Rohr mit kreisförmigem oder ovalem Querschnitt oder Kastenprofilrohr besteht und daß die Wendeln dicht aneinanderliegen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Abgasrohr (2) zugewandte Oberfläche des Behälters (1) und die dem Behälter (1) zugewandte Ober­ fläche des Abgasrohres (2) mit Kohlenstoff geschwärzt, mit Metalloxiden oder Halbleitern beschichtet, mit Inter­ ferenzschichten versehen oder inchromiert sind und/oder aufgerauht sind.