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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Kühlung von
Abgasen eines Kraftfahrzeugmotors, die in der Abgasbahn in eine
Abgasleitung des Fahrzeugs eingefügt ist.
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Die
Abgasleitungen von Kraftfahrzeugen können Vorrichtungen zur Behandlung
der Gase aufweisen, z. B. Systeme zur Abgasreinigung, in welchen
bestimmte Schadstoffe wie etwa Stickoxide (NOx) beseitigt werden,
die in den vom Motor kommenden Abgasen enthalten sind.
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Die
Behandlung der Abgase zur Beseitigung der Schadstoffe besteht darin,
daß man
die Abgase in einer Behandlungsvorrichtung an einem aktiven Element
vorbeileitet, das aus einem Gemisch verschiedener Metalle zusammengesetzt
ist, die nach ihrer Eignung ausgewählt sind, die Reaktionen zur Umwandlung
der Schadstoffe zu katalysieren oder die Schadstoffe zu adsorbieren.
Das aktive Element ist in der Form einer Imprägnierungsschicht auf einem
porösen
keramischen Träger
angeordnet, der im Inneren einer aus Metallblech bestehenden Hülle der Reinigungsvorrichtung
befestigt ist. Der poröse
keramische Träger
ist seinerseits mit einer porösen Schicht
auf Aluminiumbasis bedeckt, die als "Wash-Coat" bezeichnet wird und dazu bestimmt ist, die
Kontaktfläche
zwischen den Gasen und den aktiven Elementen, die auf dem Wash-Coat
abgelagert sind, beträchtlich
zu vergrößern. Das
aktive Element des Reinigungssystems und der Wash-Coat können nur
einer bestimmten Höchsttemperatur
der Abgase standhalten und erfahren, wenn sie mit Abgasen mit einer übermäßig hohen
Temperatur in Kontakt sind, irreversible Beeinträchtigungen, so daß sie nicht mehr
in der Lage sind, ihre reinigende Funktion zu erfüllen.
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Zum
Beispiel im Fall von Reinigungssystemen, die dazu bestimmt sind,
die Stickoxide in den Abgase von Benzinmotoren mit Direkteinspritzung
zu beseitigen, diese Reinigungssysteme werden allgemein als "NOx-Fallen" bezeichnet, liegt
die Grenztemperatur, denen die Elemente der NOx-Falle in Kontakt
mit den Abgasen standhalten können,
zur Zeit in der Größenordnung
von 850°C.
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Die
Gase am Auslaß eines
Benzinmotors mit Direkteinspritzung erreichen in den Phasen unter Vollast
des Motors eine Temperatur von 950 bis 1000°C.
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Um
in diesem Fall für
einen Benzinmotor mit Direkteinspritzung mit zwei Liter Hubraum
die Temperatur der Gase auf höchstens
850°C zu
halten, muß eine
Leistung in der Größenordnung
von 15 kW abgeführt
werden. Es ist somit erforderlich, eine Abgasleitung zu konzipieren,
die eine Kühleinrichtung aufweist,
die es gestattet, diese Energie abzuführen, bevor die Abgase in die
NOx-Falle eintreten.
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Andererseits
wird, immer noch im Fall einer NOx-Falle, die maximale Effizienz
bei der Beseitigung der Schadstoffe aufgrund der beteiligten chemischen
Reaktionen in einem Temperaturbereich zwischen etwa 300 und 500° erhalten.
Es ist somit notwendig, die bei der NOx-Falle eintreffenden Gase
so weit wie möglich
in diesem Temperaturbereich zu halten.
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Diese
Anforderung muß insbesondere
unter den Betriebsbedingungen des vorschriftsmäßigen Reinigungszyklus erfüllt werden.
Bei dem vorschriftsmäßigen Reinigungszyklus
treten die Gase herkömmlicherweise
in einem Temperaturbereich aus, der etwa von 350°C bis 700°C reicht.
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Damit
man bei einem Motor der oben definierten Art im Fall des vorschriftsmäßigen Reinigungszyklus
im Wirksamkeitsbereich der NOx-Falle bleibt, darf nur eine thermische
Leistung in der Größenordnung
von 2 kW abgeführt
werden.
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Folglich
müssen
im Fall des Betriebs unter Vollast des Motors wenigstens 15 kW thermischer Leistung
abgeführt
werden, während
unter den Betriebsbedingungen des vorschriftsmäßigen Reinigungszyklus nicht
mehr als 2 kW abgeführt
werden dürfen.
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Bei
zahlreichen Reinigungssystemen muß im allgemeinen im Hinblick
auf die Einhaltung der Temperatur der Elemente des Reinigungssystems vermieden
werden, daß diese
Abgase mit einer zu hohen Temperatur erhält.
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Ebenso
ist es notwendig, um die Abgase wirksam zu reinigen, daß die Abgase,
die das Reinigungssystem durchlaufen, eine Temperatur haben, die
in einem wohldefinierten Intervall liegt.
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Diese
beiden Bedingungen, die die Position der Elemente des Reinigungssystems
in der Abgasleitung bestimmen, sind häufig inkompatibel.
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Um
die beiden Bedingungen bezüglich
der Temperatur der Abgase im Reinigungssystem zu erfüllen, wobei
diese Bedingungen inkompatibel sein können, ist es somit erforderlich,
eine Kühleinrichtung
für die
Abgas vorzusehen, die selektiv unter ersten und unter zweiten Kühlbedingungen
arbeiten kann.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist z. B. in
EP
0 848 142 eine Kühleinrichtung
vorgeschlagen worden, die erste und zweite Abgasleitungen aufweist,
deren Außenwand
während
des Betriebs des Fahrzeugmotors mit Kühlluft, beispielsweise Umgebungsluft,
in Kontakt steht. Eine der Leitungen mit größerer Länge erlaubt es, ein Maximum
an Energie abzuführen, während die
zweite Leitung mit stark reduzierter Länge nur die Abführung einer
sehr geringen Menge an thermischer Energie erlaubt. Ein gesteuertes
Ventil ermöglicht
es, die Abgase je nach Betriebsbedingungen des Motors oder der Abgasleitung
entweder durch beide Leitungen oder nur durch die Leitung mit verringerter
Länge strömen zu lassen.
Indem die Längen
der beiden Leitungen an die gewünschten Betriebsbedingungen
angepaßt
werden, erreicht man unter allen Betriebsbedingungen des Motors eine
Regelung der Temperatur der Abgase vor ihrem Eintritt in das Reinigungssystem.
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Diese
Lösung
kann jedoch die Verwendung von Leitungen mit sehr großer Länge erfordern,
die sich nicht leicht in dem Fahrzeug unterbringen lassen, sei es
im Motorblock oder unter dem Bodenblech.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, eine Kühlvorrichtung für Abgase
eines Kraftfahrzeugmotors vorzuschlagen, die in der Abgasbahn in
eine Abgasleitung des Fahrzeugs eingefügt ist und die einen ersten
Zirkulationspfad für
die Gase in mindestens einer ersten Leitung, die durch ihre Außenwand
mit Kühlluft
in Kontakt steht, und einen zweiten Zirkulationspfad für die Gase,
mit einer größeren Länge als der
erste Zirkulationspfad, die durch wenigstens eine zweite Leitung
gebildet wird, deren Außenwand
mit Kühlluft
in Kontakt steht, und Mittel zur Verzweigung der Abgase in ihrer
Gesamtheit zu dem ersten Zirkulationspfad oder wenigstens in der
Hauptsache zu dem zweiten Zirkulationspfad aufweist, gesteuert in Abhängigkeit
von einem thermischen Betriebsparameter der Abgasleitung oder des
Motors, wobei diese Kühlvorrich tung
sich einfach in die Abgasleitung des Motors, z. B. unter dem Bodenblech
des Fahrzeugs, integrieren läßt.
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Zu
diesem Zweck umfaßt
die Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung
eine äußere Hülle mit
im wesentlichen zylindrischer Form, die eine von Öffnungen
durchbrochene Seitenwand hat, wobei die erste Leitung durch ein
Rohr gebildet wird, das sich in einer axialen Richtung der zylindrischen
Hülle erstreckt,
und der zweite Zirkulationspfad durch mehrere Rohre gebildet wird,
die mit Haltemitteln in im wesentlichen paralleler Anordnung in
einer axialen Richtung im Inneren der zylindrischen Hülle befestigt sind,
eine mit einem stromaufwärtigen
Teil der Abgasleitung verbundene Einlaßleitung zur Einleitung der
Abgase in die zylindrische Hülle,
eine mit einem stromabwärtigen
Teil der Abgasleitung verbundene Auslaßleitung für die Abgase, und Abgaskollektoren, die
im Inneren der zylindrischen Hülle
angeordnet und durch die Haltemittel getrennt sind, so daß sie die
Abgase aus der Einlaßleitung über die
ersten und zweiten Zirkulationspfade zur Auslaßleitung durchlassen, wobei
die Verzweigungsmittel durch wenigstens ein gesteuertes Ventil zum Öffnen und
Schließen
des Einlaßendes
wenigstens eines der mehreren Rohre gebildet werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung wird lediglich als Beispiel und unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen eine Ausführungsform einer
Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung
beschrieben.
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1 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer Abgasleitung
eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung.
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2A und 2B sind
perspektivische Ansichten der Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung in
einer Betriebsphase mit starkem Energieverlust bzw. einer Betriebsphase
mit geringem Energieverlust.
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3 ist
ein schematischer Längsschnitt durch
die Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung.
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4A, 4B, 4C, 4D, 4E und 4F sind
Schnittdarstellungen, jeweils entsprechend 4A, 4B, 4C, 4D, 4E und 4F in 3.
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In 1 ist
ein Teil einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs gezeigt, in die
eine Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung
integriert ist, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist.
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Die
Abgasleitung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet
ist, weist einen stromaufwärtigen
Teil 5' auf,
der mit Abgas-Auslässen 8 eines Motors 7 (in
herkömmlicher
Weise in der Form eines Quaders gestrichelt dargestellt) verbunden
ist. Der stromaufwärtige
Teil 5' der
Abgasleitung weist insbesondere eine erste Reinigungseinheit 9 auf,
die durch einen Dreiwegekatalysator gebildet wird und es somit gestattet,
Kohlenmonoxid CO, und verbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide
in den Abgasen zu beseitigen, wobei der Katalysator im Inneren einer metallischen
Hülle angeordnet
ist, die an die Leitungen des ersten Abschnitts 5' der Abgasleitung
angeschlossen ist. Der stromaufwärtige
Teil der Abgasleitung weist außerdem
ein Entkopplungselement 21 auf, das es gestattet, die Übertragung
von Vibrationen des Motors 7 auf den stromabwärts des
Entkopplers 21 gelegenen Teil der Abgasleitung zu vermeiden.
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Die
Abgasleitung weist einen stromabwärtigen Teil 5'' auf, in den eine Reinigungsvorrichtung 10 eingefügt ist,
die als NOx-Falle ausgebildet ist, d. h., eine Reinigungseinrichtung,
die es gestattet, die Stickoxide in den Abgasen zu beseitigen.
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Die
selektive Kühlvorrichtung 1 gemäß der Erfindung
weist eine äußere Hülle 2 aus
Metallblech auf, die eine zylindrische Form hat und deren Seitenwand
zumindest in ihrem mittleren Bereich von Öffnungen 3 durchbrochen
ist. Die Hülle 2 ist
an ihren axialen Enden geschlossen und über eine Einlaßleitung 4 für die Abgase
mit dem stromaufwärtigen
Teil 5' der
Abgasleitung und durch eine Auslaßleitung für die gekühlten Abgase mit dem stromabwärtigen Teil 5'' der Abgasleitung verbunden, der
die NOx-Falle 10 enthält.
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Die
selektive Kühlvorrichtung 1 gemäß der Erfindung
ist somit zwischen dem stromaufwärtigen Teil 5' und dem stromabwärtigen Teil 5'' der Abgasleitung eingefügt und liegt
unmittelbar stromaufwärts der
NOx-Falle 10.
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Wie
später
noch näher
erläutert
werden wird, weist die Kühlvorrichtung 1 im
Inneren der Hülle 2 aus
Metallblech zwei Zirkulationspfade für die Abgase auf, die über die
Einlaßleitung 4 in
den stromaufwärtigen
Teil der zylindrischen Hülle 2 eintreten
und über
die Auslaßleitung
aus dem stromabwärtigen
Teil der zylindrischen Hülle
austreten. Die Verzweigung der Abgase zu dem einen oder anderen
der Zirkulationspfade im Inneren der zylindrischen Hülle 2 der Kühlvorrichtung
wird erreicht durch eine Verzweigungseinrichtung mit einem Ventil 11 zum Öffnen oder
Schließen
des Endes eines der Zirkulationspfade, einer Einrichtung 12 zur
Betätigung
des Ventils, bei der es sich um einen Elektromotor oder eine hydraulische
oder pneumatische Druckeinrichtung handeln kann, und einer Steuereinheit 13 für die Betätigungseinrichtung 12,
die ein Meßsignal
eines Temperatursensors empfängt,
der am Ausgang der ersten Reinigungseinheit 9 oder am Auspuffteil
des Motors 7 angeordnet ist.
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Wie
insbesondere in 4A bis 4F zu sehen
ist, hat die zylindrische metallische Hülle 2 in der Ebene
senkrecht zur Achse des Zylinders eine längliche Querschnittsform, beispielsweise
eine elliptische Form. In bestimmten Fällen kann die Hülle der Vorrichtung
eine komplexere Form aufweisen, damit die Vorrichtung unter dem
Bodenblech des Kraftfahrzeugs angeordnet werden kann.
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Wie
insbesondere in 2A, 2B und 3 zu
sehen ist, wird im Inneren der Hülle 2 ein erster
Zirkulationpfad für
die Gase durch ein einfaches gerades Rohr 16 gebildet,
das in der Hülle
im wesentlichen parallel zu der Achse der zylindrischen Hülle angeordnet
ist, und der zweite Zirkulationspfad wird durch drei gerade Rohre 17a, 17b, 17c gebildet, die
so im Inneren der Hülle 2 befestigt
sind, daß sie im
wesentlichen parallel zur Achse der zylindrischen Hülle 2 liegen.
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Die
Abgase strömen
nacheinander in axialer Richtung durch das Innere der Rohre 17a, 17b und 17c,
wenn der zweite Zirkulationspfad für die Gase in der Kühlvorrichtung 1 durch Öffnen des
Ventils 11 aktiviert worden ist.
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Die
Rohre 16, 17a, 17b und 17c sind
im Inneren der Hülle 2 der
Kühlvorrichtung 1 durch
Schalen 14a, 14b, 14c und 14d gehalten.
Wie in 4C bis 4F zu
sehen ist, haben die Schalen 14a, 14, 14c und 14d die
längliche,
beispielsweise elliptische Form des Innenquerschnitts der metallischen
Hülle 2 der
Kühlvorrichtung.
In bestimmten Fällen,
abhängig von
dem unter dem Bo denblech des Fahrzeugs verfügbaren Platz, können komplexere
Querschnittsformen für
die Hülle
und die Schalen vorgesehen sein. Jede der Schalen, die aus Metallblech
hergestellt sind, hat einen in Bezug auf die Ebene der Schale um 90° abgewinkelten
Rand, mit dem die Schale durch Crimpung und Schweißung im
Inneren der metallischen Hülle 2 der
Kühlvorrichtung 1 befestigt
ist. Die Schalen 14a, 14b, 14c und 14d sollen
als innere Schalen bezeichnet werden.
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Außerdem ist
das stromaufwärtige
axiale Ende der metallischen Hülle 2 durch
eine stromaufwärtige äußere Schale 18 verschlossen,
und das stromabwärtige
axiale Ende der Hülle 2 ist
durch eine stromabwärtige äußere Schale 20 verschlossen.
Die äußeren Schalen 18 und 20,
die eine den inneren Schalen entsprechende Form haben und die in 4A bzw. 4B dargestellt
sind, sind mit ihrem äußerem Rand
durch Crimpung am Rand am stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigem Ende
der metallischen Hülle 2 befestigt.
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Die
erste innere Schale 14a und die zweite innere Schale 14b sind
im Inneren der metallischen Hülle 2 in
einer stromaufwärtigen
Zone der metallischen Hülle
befestigt, d. h., in der Nähe
ihres stromaufwärtigen
Endes, das durch die stromaufwärtige äußere Schale 18 geschlossen
ist.
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Die
dritte innere Schale 14c und die vierte innere Schale 14d sind
im Inneren der metallischen Hülle 2 der
Kühlvorrichtung
in einer stromabwärtigen Zone
befestigt, d. h., in der Nähe
des stromabwärtigen
Endes der metallischen Hülle,
das durch die stromabwärtige äußere Schale 20 geschlossen
ist.
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Die äußeren Schalen
und die inneren Schalen sind querliegend an der Hülle 2 befestigt,
d. h., rechtwinklig zur Achse der zylindrischen Hülle 2,
so daß sämtliche
Schalen zueinander parallel sind.
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Die äußeren Schalen 18 und 20 und
die inneren Schalen 14a, 14b, 14c und 14d begrenzen
miteinander Kollektoren 15a, 15b, 15c und 15d zur
Verteilung der Abgase.
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Der
erste Kollektor 15a wird zwischen der stromaufwärtigen äußeren Schale 18 und
der ersten inneren Schale 14a gebildet.
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Der
zweite Kollektor 15b wird zwischen der ersten inneren Schale 14a und
der zweiten inneren Schale 14b gebildet.
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Der
dritte Kollektor 15c wird zwischen der dritten inneren
Schale 15c und der vierten inneren Schale 14d gebildet.
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Schließlich wird
der vierte Kollektor 15d zwischen der vierten inneren Schale 14d und
der stromabwärtigen äußeren Schale 20 der
Kühlvorrichtung gebildet.
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Wie
in 4A zu sehen ist, ist die stromaufwärtige äußere Schale 18 von
einer Öffnung 19 durchsetzt,
die kreisförmig
oder gegebenenfalls länglich,
beispielsweise elliptisch sein kann und in welcher ein Ende der
Einlaßleitung 4 für die Abgase
eingesetzt und durch Crimpung befestigt ist, so daß es in
den ersten Kollektor 15a mündet. Weiterhin ist die stromaufwärtige äußere Schale 18 von
einer Öffnung 21 für den Durchtritt
des Stößels des
Ventils 11 des gesteuerten Ventils durchsetzt.
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Die
zweite äußere Schale
oder stromabwärtige
Schale 20 ist von einer Öffnung 19' durchsetzt, für den Eingriff
und die Befestigung durch Crimpung eines Endes der Auslaßleitung 6 für die Abgase,
die in den vierten Kollektor 15d mündet.
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Ebenso
wie die Einlaßleitung 4 für die Abgase
hat die Auslaßleitung 6 für die Abgase
einen Querschnitt, der kreisförmig
oder gegebenenfalls länglich, beispielsweise
elliptisch sein kann und der perfekt an die Öffnung 19 oder 19' angepaßt ist.
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Allgemein
haben auch das Rohr 16 und die Rohre 17a, 17b und 17c,
die die Zirkulationspfade für die
Abgase im Inneren der Hülle 2 der
Kühlvorrichtung
bilden, kreisförmige
oder gegebenenfalls längliche,
beispielsweise elliptische Formen, und sie sind in die Öffnungen
der Schalen eingecrimpt.
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Um
die Befestigung der Endbereiche der Rohe sicherzustellen, die die
Zirkulationspfade für die
Abgase in der Kühlvorrichtung
bilden, sind die inneren Schalen 14a, 14b, 14c und 14d von Öffnungen durchsetzt,
in welche die Rohre mit ihren Enden eingreifen.
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Wie
in 4C bis 4F zu
sehen ist, haben die vier inneren Schalen 14a, 14b, 14c und 14d jeweils
eine Öffnung
für den
Eingriff und die Befestigung des Rohres 16, das die einzige
Durchtrittsleitung für
die Gase im ersten Zirkulationspfad bildet.
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Die
erste, die zweite und die dritte innere Schale 14a, 14b und 14c haben
jeweils eine Öffnung für den Durchtritt
und die Befestigung des ersten Rohres 17a des zweiten Zirkulationspfades 17.
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Die
zweite Schale 14b und die dritte Schale 14c haben
jeweils eine Öffnung
für den
Durchtritt und die Befestigung des zweiten Rohres 17b des
zweiten Zirkulationspfades 17.
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Die
zweite, dritte und vierte innere Schale 14b, 14c und 14d sind
jeweils von einer Öffnung
für den
Durchtritt und die Befestigung eines Endabschnitts des dritten Rohres 17c des
zweiten Zirkulationspfades 17 für die Abgase durchsetzt.
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Die Öffnungen 3,
die die Seitenwand der Hülle 2 aus
Metallblech der Kühlvorrichtung
durchbrechen, liegen sämtlich
in einer zentralen Zone der Seitenwand zwischen den Schalen 14b und 14c,
d. h., zwischen dem zweiten Kollektor 15b und dem dritten Kollektor 15c,
wobei die Länge
der zentralen Zone in axialer Richtung nur wenig kleiner ist als
die Gesamtlänge
der metallischen Hülle 2,
weil die Kollektoren 15a, 15b, 15c und 15d nur
eine geringe axiale Länge haben.
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Die
stromaufwärtigen
und stromabwärtigen Endabschnitte
der Seitenwand der metallischen Hülle 2, an welchen
die äußeren Schalen
angesetzt und befestigt sind und in denen die inneren Schalen befestigt
sind, haben keinerlei Öffnungen.
Außerdem können die
Crimpung oder Verschweißung
der Schalen und die Befestigung der Rohre der Zirkulationspfade
durch Crimpung einen vollständig
dichten Abschluß der
Kollektoren 15a, 15b, 15c und 15d gewährleisten,
die nur über
die Rohre der Zirkulationspfade miteinander in Verbindung stehen.
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Wie
in 3 und in 4C bis 4F zu sehen
ist, hat das Rohr 16, das die einzige Leitung des ersten
Zirkulationspfades bildet, einen Querschnitt, der deutlich kleiner
ist als der Querschnitt der Rohre 17a, 17b, 17c des
zweiten Zirkulationspfades 17 für die Abgase.
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Das
Rohr 16 des ersten Zirkulationspfades mündet mit einem seiner Enden
in den ersten Kollektor 15a und mit seinem zweiten Ende
in den vierten Kollektor 15d.
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Das
erste Rohr 17a des zweiten Zirkulationspfades für die Abgase
mündet
mit einem seiner Enden in den ersten Kollektor 15a und
mit seinem zweiten Ende in den dritten Kollektor 15c.
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Das
zweite Rohr 17b des zweiten Zirkulationspfades mündet mit
einem seiner Enden in den zweiten Kollektor 15d und mit
seinem zweiten Ende in den dritten Kollektor 15c.
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Das
dritte Rohr 17c des zweiten Zirkulationspfades mündet mit
einem seiner Enden in den zweiten Kollektor 15b und mit
seinem zweiten Ende in den vierten Kollektor 15b.
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Während des
Betriebs der Abgasleitung 5 wird die Temperatur der Abgase
gemessen, vorzugsweise am Ausgang der ersten Reinigungseinheit 9 oder
im Aufpuffkrümmer
des Motors 7. Die gemessene Temperatur wird durch eine
elektronische Datenverarbeitungseinheit 13 mit einem Bezugswert
verglichen.
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Wenn
die gemessene Temperatur größer ist als
der Bezugswert, z. B. bei einem Betrieb des Motors unter hoher Last,
unter Ausstoß von
Abgasen mit sehr hoher Temperatur, wird die Betätigungseinrichtung 12 für das Ventil 11 durch
die Datenverarbeitungseinheit 13 so angesteuert, daß sich das
Ventil öffnet,
d. h., wie in 2A gezeigt ist, daß die Ventilklappe,
die mit dem durch die Schale 18 hindurchgehenden Stößel verbunden
ist, sich vom Einlaßende des
ersten Rohres 17a des zweiten Zirkulationspfades für die Gase
entfernt.
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Die
Abgase, deren Zirkulation durch Pfeile 22 dargestellt ist,
werden durch die Einlaßleitung 4 für die Abgase
in den ersten Kollektor 15a eingeleitet.
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Aufgrund
des Unterschieds im Querschnitt der Rohre 17a und 16 geht
der Hauptstrom der Abgase 22 axial durch das erste Rohr 17a des
zweiten Zirkulationspfades. Nur ein sehr kleiner und praktisch vernachlässigbarer
Strom 22' der
Abgase tritt in das Rohr 16 des ersten Zirkulationspfades
ein und strömt axial
durch das Rohr 16, dessen Auslaß in den vierten Kollektor 15d mündet.
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Der
Hauptstrom 22 der Abgase strömt in axialer Richtung durch
das Rohr 17a, dessen Auslaß in den dritten Kollektor 15c mündet. Der
dritte Kollektor 15c ermöglicht den Übertritt der Abgase aus dem ersten
Rohr 17a in das zweite Rohr 17b, die Abgase strömen dann
in axialer Richtung durch das zweite Rohr 17b, entgegengesetzt
zur Strömungsrichtung im
ersten Rohr 17a, d. h., vom stromabwärtigen zum stromaufwärtigen Ende
der Kühlvorrichtung.
Die Abgase treten aus dem zweiten Rohr 17b durch dessen stromaufwärtiges Ende
in den zweiten Kollektor 15b aus, der die Verpeilung der
Abgase aus dem zweiten Rohr 17b in das dritte Rohr 17c des
zweiten Zirkulationspfades sicherstellt. Die Gase strömen in axialer Richtung
und vom stromaufwärtigen
zum stromabwärtigen
Ende durch das dritte Rohr 17c und strömen am stromabwärtigen Ende
des dritten Rohres 17c in den vierten Kollektor 15d aus.
Die Abgase des Hauptstromes 22 und des Nebenstromes 22' werden durch
die Auslaßleitung 6 zum
stromabwärtigen
Teil der Abgasleitung und zur NOx-Falle 10 abgeleitet.
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Die
Abgase, die in der Hauptsache den ersten Zirkulationspfad durchströmt haben,
im Inneren der Rohre 17a, 17b, 17c, deren
Außenwand
durch die Luft gekühlt
wird, die durch die Öffnungen 3 hindurchtritt
und durch Konvektion in Kontakt mit den Rohren in der metallischen
Hülle 2 zirkuliert,
erfahren eine intensive Kühlung,
weil der Strömungsweg
der Gase im zweiten Zirkulationspfad eine große Länge hat. Diese Länge ist
wenig kleiner als das Dreifache der Länge der Hülle 2 aus Metallblech
der Kühlvorrichtung,
so daß die
Leistung des Wärmeabtransports über die
Kühlluft,
die in Kontakt mit den Rohren zirkuliert, erhöht werden kann, z. B. im Fall
eines Motors, dessen Merkmale weiter oben angegeben wurden, in die
Größenordnung
von 15 kW.
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Wenn
die vom Temperatursensor gemessene Temperatur der Abgase des Motors
kleiner ist als der Bezugswert, übermittelt
die Datenverarbeitungseinheit 13 an die Betätigungseinrichtung 12 für das Ventil 11 einen
Schließbefehl,
so daß die
Betätigungseinrichtung 12 das
Ventilglied des Ventils 11 in die Position verstellt, in
der das Einlaßende
der ersten Leitung 17a des zweiten Zirkulationspfades verschlossen
wird, wie in 2B zu sehen ist. In dem Fall
können
die Abgase, die in den ersten Kollektor 15a eintreten,
nur durch das Rohr 16 strömen, das die einzige Leitung
des zweiten Zirkulationspfades bildet. Die Abgase strömen in axialer
Richtung durch das Innere des Rohres 16 und münden am
stromabwärtigen
Ende des Rohres 16 in den vierten Kollektor 15d.
Die Abgase werden dann durch die Auslaßleitung zum stromabwärtigen Teil 5'' der Abgasleitung abgeführt, der
die NOx-Falle 10 enthält.
Auf ihrem kurzen Strömungsweg
durch das Innere des Rohres 16, dessen Länge etwas
kleiner ist als die Länge
der Hülle 2,
werden die Abgase nur wenig durch die im Kontakt mit der äußeren Oberfläche des
Rohres 16 zirkulierende Kühlluft gekühlt.
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Um
die Kühlwirkung
des Rohres 16 noch weiter zu senken, ist es möglich, an
seiner äußeren Oberfläche eine
thermische Isolierschicht anzubringen.
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Die
Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung wird
somit automatisch so betätigt,
daß entweder eine
intensive Kühlung
der Abgase mit Abfuhr einer hohen Wärmeleistung oder eine geringe
Kühlwirkung mit
Abfuhr einer geringen Wärmeleistung
erreicht wird.
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Die
Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung
ermöglicht
es somit, die NOx-Falle unabhängig
vom Betriebsbereich des Motors unter sehr guten Bedingungen zu betreiben.
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Die
durch Verwendung der selektiven Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung
erreichten Vorteile sind die folgenden:
- – was die
Behandlung der Abgase in der Abgasleitung betrifft, ermöglicht es
die Vorrichtung gemäß der Erfindung,
im Wirksamkeitsbereich des Reinigungssystems zu bleiben, stromaufwärts dessen
die Kühlvorrichtung
angeordnet ist, und die Bestandteile des Reinigungssystems gegen thermisch
bedingte Schäden
zu schützen;
- – was
den Einbau der Vorrichtung betrifft, ist die Vorrichtung kompakt,
und sie läßt sich
leicht unter einem Bodenblech des Kraftfahrzeugs einbauen;
- – was
die Einfachheit und Zuverlässigkeit
der Realisierung der Vorrichtung betrifft, werden Technologien verwendet,
die bei der Serienfabrikation von Bauteilen für Abgasleitungen üblich sind.
Insbesondere die Verwendung von Rohren und Schalen sowie ihr Zusammenbau
mit Verfahren wie etwa Crimpung sind Techniken, die gut beherrscht
werden und bewährt
sind, um Bauteile einer Abgasleitung zu erhalten, die eine gute
mechanische Festigkeit und insbesondere eine gute innere und äußere Korrosionsfestigkeit
aufweist.
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Die
verschiedenen Elemente der Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung,
nämlich
die Rohre, die Schalen und die Hülle
aus Metallblech, können
aus jedem Material hergestellt sein, das sich leicht formen und
zusammenbauen läßt und eine
gute Korrosionsbeständigkeit
gegenüber
den Abgasen mit hoher Temperatur und gegenüber der Kühlluft aufweist. Bei diesen
Materialien kann es sich z. B. um Aluminiumstahl, rostfreien Stahl
oder eine Nickel-Chrom-Legierung handeln.
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Die
Erfindung ist nicht strikt auf die beschriebene Ausführungsform
beschränkt.
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So
kann der zweite Zirkulationspfad für die Abgase im Inneren der
Kühlvorrichtung
aus einer beliebigen Anzahl von Rohren aufgebaut werden, die parallel
im Inneren der zylindrischen Hülle
aus Metallblech angeordnet sind. Die einzige Begrenzung für die Anzahl
der Rohre, die es gestattet, die Länge des Pfades für die Abgase
zu vergrößern, ist
durch die maximale Anzahl von Rohren gegeben, die im Inneren der
Hülle befestigt
werden können,
deren Querschnitt begrenzt ist, damit die Kühlvorrichtung unter dem Bodenblech
des Fahrzeugs untergebracht werden kann. Die Rohre, die den Strömungspfad
für die Abgase
bilden, müssen
einen minimalen Querschnitt haben und im Querschnitt der metallischen
Hülle so zueinander
beabstandet sein, daß die
Zirkulation der Luft ermöglicht
wird, die durch die Öffnungen
in der Seitenwand der Hülle
aus Metallblech in die Hülle eintritt
und durch Konvektion in Kontakt mit den Rohren im Inneren der metallischen
Hülle zirkuliert.
Man kann die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung
vergrößern, indem
man die Anzahl und den Durchmesser der Löcher in der Hülle erhöht, was
den Effekt hat, daß die
konvektionsbedingte Zirkulation der Luft um die Rohre herum intensiver
wird.
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Im
Fall einer Kühlvorrichtung,
die einen durch n Rohre gebildeten zweiten Zirkulationspfad für die Gase
aufweist, wählt
man n vorzugsweise ungerade, um den Eintritt und den Austritt der
Gase auf der stromaufwärtigen
Seite bzw. der stromabwärtigen
Seite der Kühlvorrichtung
sicherzustellen, ohne daß ein
zusätzliches
Element zur Rückführung der Gase
benötigt
wird. In dem Fall kann die Verteilung der Gase im Inneren der metallischen
Hülle der
Kühlvorrichtung
sichergestellt werden, indem man n + 1 Kollektoren im Inneren der
metallischen Hülle
bildet, wobei die Kollektoren durch zwei äußere Schalen an den Enden der
Hülle und
n + 1 innere Schalen begrenzt werden.
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Allgemein
wird der erste Zirkulationspfad durch eine einzige Leitung gebildet,
die durch ein gerades Rohr gebildet wird, das mit einer äußeren wärmeisolierenden
Schicht bedeckt sein kann.
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Um
die Abgase in Strömungsrichtung
der Gase von einem Rohr in das nächste übertreten
zu lassen, kann man Kollektoren verwenden, die andere Formen als
die hier beschriebenen haben, wobei diese Kollektoren durch andere
Wände als
Schalen begrenzt werden. Wie weiter oben erwähnt wurde, ermöglicht es
die Verwendung von Schalen, im Rahmen einer herkömmlichen Fabrikation eines
Elements einer Abgasleitung für
Kraftfahrzeuge zu verbleiben. Man kann auch komplementäre Schalen vorsehen,
z. B. um die mechanische Festigkeit der Vorrichtung zu verbessern:
insbesondere können komplementäre Schalen
dazu benutzt werden, eine bessere Halterung der Einlaß- und Auslaßleitungen zu
gewährleisten.
Es kann auch nützlich
sein, einen oder mehrere Bälge
an ein oder mehrere Rohre anzuschließen, um die unterschiedliche
thermische Ausdehnung der Rohre auszugleichen, was die Festigkeit
der Vorrichtung verbessert. Man könnte ggf. auch gekrümmte Kollektoren
oder Umlenkorgane verwenden, die die Enden der Rohre mit dem Inneren der
Hülle verbinden,
oder jede andere Form von Kollektoren oder Umlenkeinrichtungen für die Abgase.
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Die äußere Hülle der
Vorrichtung kann durch Tiefziehen hergestellt werden, insbesondere
indem man durch Tiefziehen zwei Halbschalen herstellt, die dann
zusammengebaut werden.
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Die
Einrichtung zur Verzweigung der Gase auf den einen Zirkulationspfad
oder den anderen, in Abhängigkeit
von einem thermischen Parameter wie etwa der Temperatur der Abgase
stromaufwärts
der Kühlvorrichtung,
kann eine andere Form als die hier beschriebene haben. Bei Verwendung
eines durch einen Elektromotor oder eine pneumatische oder hydraulische
Einrichtung betätigten
Ventils kann die Klappe des Ventils dazu vorgesehen sein, wenigstens
irgendeinen Teil des Zirkulationspfades zu sperren. Die Verzweigungseinrichtung
kann auch durch ein oder mehrere Register gebildet werden, die in
einem oder mehreren Kollektoren der Kühlvorrichtung angeordnet sind
und es gestatten, die Abgase zu dem einen oder anderen Zirkulationspfad
zu leiten.
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Bevorzugt
ist die Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung
unmittelbar stromaufwärts
einer Vorrichtung zur Behandlung der Abgase, etwa eines Reinigungssystems
angeordnet.
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Wohlverstanden
beschränkt
sich die Erfindung nicht auf die Kühlung von Gasen stromaufwärts einer
NOx-Falle, sondern sie kann stromaufwärts jeder Reinigungseinrichtung
eingesetzt werden, bei der es notwendig sein kann, die Bestandteile
gegen thermische Schocks oder gegen eine hohe Temperatur zu schützen oder
die Betriebsbedingungen in einem genauen Temperaturbereich der Abgase
zu regeln.
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Die
Erfindung findet Anwendung bei jedem Kraftfahrzeugtyp, der eine
Einrichtung zur Behandlung der Abgase, etwa ein Reinigungssystem
aufweist.