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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Fluideintragseinrichtung und insbesondere eine Fluideintragseinrichtung zum Kühlen eines Abgases.
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Hersteller von Fahrzeugen, die Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, nutzen, sind bestrebt, Abgasemissionen zu reduzieren und zu steuern sowie aktuelle und künftige Abgasnormen für die Freisetzung von Stickoxiden (NOx), unverbrannten und teilweise oxidierten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO), Partikeln und anderen Emissionen (d.h. Wasserstoffsulfid (H2S) und Ammoniak (NH3)) einzuhalten. Um die vorstehend erwähnten Emissionen zu reduzieren, werden Dieselmotoren typischerweise mit Abgasnachbehandlungssystemen betrieben.
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Abgasnachbehandlungssysteme umfassen typischerweise ein oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen, beispielsweise Oxidationskatalysatoren, NOx-Minderungsvorrichtungen, Dieselpartikelfilter (DPFs) und Schwefelfallen, sind aber nicht hierauf beschränkt. Diese Nachbehandlungsvorrichtungen erfordern im Allgemeinen für optimales Arbeiten das Vorliegen bestimmter Bedingungen im Motorabgas. Zum Beispiel weisen NOx-Minderungsvorrichtungen und Oxidationskatalysatoren ein relativ schmales Temperaturfenster auf, in dem die Vorrichtungen auslösen, regenerieren oder mit hohem Umwandlungswirkungsgrad arbeiten. Manche Nachbehandlungsvorrichtungen erfordern das Erwärmen der Vorrichtung auf Temperaturen, die höher als die typischerweise von den Motorabgasen vorgesehenen sind, um die Sollbetriebstemperatur der Nachbehandlungsvorrichtung zu erreichen. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist ein Dieselpartikelfilter (DPF).
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Dieselpartikelfilter halten Partikel zurück, die von einem Dieselmotor-Abgasstrom mitgeführt werden, bei Betrieb nehmen solche Dieselpartikelfilter an einem Ende Abgasstrom auf und halten Partikel fest, wenn Abgase durch dünne Kanalwände diffundieren und am anderen Ende austreten. Ein ständiger Partikelaufbau im Dieselpartikelfilter ist unerwünscht, daher ist es erforderlich, den Partikelaufbau zu beseitigen, bevor der Filter verstopft ist.
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Das Entfernen des Partikelaufbaus wird durch einen Regenerationsprozess ausgeführt, bei dem die Temperatur des DPF auf einen Wert angehoben wird, der zum Bewirken von Verbrennung und Verdampfung der von dem DPF zurückgehaltenen Partikel ausreicht. Sobald die Partikel verdampft sind, können die Verbrennungsprodukte durch den Abgasstrom aus dem Filter heraus gespült werden.
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Um ein örtlich begrenztes Erwärmen zum effizienten Entfernen von Partikeln von dem Filter vorzusehen, müssen die Abgastemperaturen in dem DPF angehoben werden. Bei einem DPF gibt es zwei primäre Regenerationsvorgänge: passiv und aktiv. Während der passiven Regeneration erreichen Abgase ausreichende Temperaturen, um katalytische Reaktionen zu fördern, die zurückgehaltenen Ruß oxidieren. Bei aktiven Regenerationsmodi zwingt das Bordsteuermodul des Motors das System, die Abgastemperaturen anzuheben und/oder den verfügbaren Sauerstoffgehalt zu regeln, um einen Regenerationsvorgang entweder zu fördern oder zu unterbrechen. Regenerationsvorgänge erfordern typischerweise Abgastemperaturen zwischen 570 und 650 Grad Celsius.
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US 6 833 116 B2 offenbart ein Abgasbehandlungssystem mit einer verstellbaren Flussreglerbaugruppe. Diese ist in Fluidverbindung mit einem Gehäuse einer Abgasbehandlungseinrichtung angeordnet. Die verstellbare Flussreglerbaugruppe weist zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und kann dadurch ihre Form ändern, um eine mangelhafte Strömungsverteilung des Abgasstroms in die Abgasbehandlungseinrichtung bei einem Erreichen der Anspringtemperatur zu verändern. Weiterer Stand der Technik ist aus
DE 13 01 336 A ,
DE 10 2008 004 447 A1 ,
US 2008 / 0 087 006 A1 ,
DE 11 2007 002 743 T5 und
DE 23 45 803 A bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Kühlen eines Abgases bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe sind eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Es wird eine Abgaskühleinrichtung und ein Verfahren zum Kühlen eines Abgases vorgesehen. Die Abgaskühleinrichtung weist eine erste Fluidleitung und eine veränderliche Düse auf, die sich von der ersten Fluidleitung erstreckt. Dabei ist die veränderliche Düse in einem Einlassende einer zweiten Fluidleitung angeordnet, wobei die veränderliche Düse mindestens zwei zueinander benachbarte unähnliche Materialien aufweist und eine Fluideinlassöffnung zwischen einem Außenumfang der veränderlichen Düse und einer Innenfläche des Einlassendes der zweiten Fluidleitung positioniert ist. Die unähnlichen Materialien verändern als Reaktion auf eine Temperatur eines durch die erste Fluidleitung strömenden Abgases die Größe einer Öffnung der veränderlichen Düse durch Bewegen hin zu oder weg von einer Mittellinie der ersten Fluidleitung.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Kühlen eines Abgases einer Abgasbehandlungsvorrichtung eines Motors vorgesehen. Das Verfahren umfasst dabei: Leiten eines Abgases durch eine erste Fluidleitung mit einer veränderlichen Düse, die durch mindestens zwei zueinander benachbarte unähnliche Materialien festgelegt ist und die sich von der ersten Fluidleitung erstreckt. Die veränderliche Düse ist in einem Einlassende einer zweiten Fluidleitung aufgenommen, und die veränderliche Düse ist in der zweiten Fluidleitung nahe dem Einlassende der zweiten Fluidleitung angeordnet, so dass zwischen einem Außenumfang der veränderlichen Düse und einer Innenfläche des Einlassendes der zweiten Fluidleitung eine Fluideinlassöffnung festgelegt ist. Somit wird ein Fluid durch Verändern der Größe einer Öffnung der veränderlichen Düse durch die Fluideinlassöffnung in die zweite Fluidleitung eingeleitet, wobei das Fluid eine Temperatur aufweist, die niedriger als die des Abgases ist, und das Fluid in der zweiten Fluidleitung mit dem Abgas gemischt wird, um ein Mischgas vorzusehen, wobei das Mischgas eine Temperatur aufweist, die niedriger als die des Abgases ist. Die Öffnung der veränderlichen Düse wird als Reaktion auf eine Temperatur des durch die erste Fluidleitung strömenden Abgases durch Bewegen der mindestens zwei unähnlichen Materialien hin zu oder weg von einer Mittellinie der ersten Fluidleitung verändert.
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Andere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten gehen lediglich beispielhaft aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, wobei die Beschreibung sich auf die Zeichnungen bezieht. Hierbei zeigen:
- 1 eine Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 1A eine vergrößerte Teilquerschnittansicht eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung in einer ersten Position;
- 1B eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung in einer zweiten Position;
- 2 eine Querschnittansicht der Abgaskühlvorrichtung in einer ersten Betriebsposition;
- 3 eine Querschnittansicht der Abgaskühlvorrichtung in einer zweiten Betriebsposition;
- 4 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einer Abgaskühlvorrichtung;
- 5 eine Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform;
- 5A eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung von 5 in einer ersten Position;
- 5B eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung von 5 in einer zweiten Position;
- 6 eine Teilquerschnittansicht einer Abgaskühlvorrichtung gemäß einer noch anderen alternativen Ausführungsform; und
- 6A eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts der Abgaskühlvorrichtung von 6 in einer ersten Position;
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Unter Bezugnahme nun auf 1 - 4 und gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist eine Abgaskühleinrichtung 10 dargestellt. Die Abgaskühleinrichtung weist eine erste Fluidleitung 12 und eine zweite Fluidleitung 14 auf. Auch wenn die erste und die zweite Fluidleitung mit kreisförmigen Konfigurationen und Öffnungen dargestellt sind, wird für die erste und zweite Fluidstromleitung jede Querschnittform in Betracht gezogen, solange die erwünschten Ergebnisse erreicht werden. Nicht einschränkende Beispiele solcher Konfigurationen umfassen oval, elliptisch, quadratisch, rechteckig und Entsprechungen derselben.
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Die erste Fluidleitung ist durch mehrere Sicherungselemente oder Abstandshalter 16 an der zweiten Fluidleitung befestigt. Die Abstandshalter sind so konfiguriert, dass das Fluid von Bereichen, die die erste Fluidleitung umgeben, in die zweite Fluidleitung strömen kann. Die erste Fluidleitung ist dafür konfiguriert, ein Abgas von einem (nicht gezeigten) Motor aufzunehmen, und weist eine veränderliche Düse 17 mit einer Öffnung 18 auf, die zum Leiten des Abgases in die zweite Fluidleitung positioniert ist.
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Die veränderliche Düse der ersten Fluidleitung kann sich an ihrem distalen Ende zusammenziehen und weiten, um sowohl eine kleinere Öffnung (1 und 3) als auch eine größere Öffnung (2) vorzusehen. Demgemäß sieht die veränderliche Düse eine veränderliche Düsenöffnung vor. Wie hierin erläutert wird, hängt die Größe der veränderlichen Düsenöffnung von der Temperatur des durch die erste Fluidleitung und die Düse strömenden Abgases ab. Wenn sich das distale Ende der Düse zusammenzieht, wird eine Umfangsöffnung zwischen einer Außenfläche der Düse und einer Innenfläche einer Einlassöffnung der zweiten Fluidleitung vorgesehen und/oder vergrößert. Diese Einlassöffnung lässt kühlere Gase (z.B. Umgebungsluft) in die Abgaskühleinrichtung eintreten.
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In der Ausführungsform von 1 - 4 sind die veränderliche Düse und ihre Öffnung durch mehrere Laschenelemente 20 festgelegt, die sich von der ersten Fluidleitung erstrecken. Die mehreren Laschenelemente sind durch mehrere längliche Öffnungen oder Spalte 22, die durch einen beliebigen geeigneten Herstellungsprozess gebildet sind, voneinander beabstandet. Demgemäß legt eine Anordnung von Laschenelementen, die sich von der ersten Fluidleitung erstrecken, die veränderliche Düse und ihre Öffnung fest.
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Die veränderliche Düse erstreckt sich von einem Ende der ersten Fluidleitung und ist in einem Einlassende 24 der zweiten Fluidleitung positioniert. Die zweite Fluidleitung weist einen zwischen dem Einlassende 24 und einem Auslassende 28 der zweiten Fluidleitung angeordneten mittleren Abschnitt 26 auf. Wie gezeigt ist eine Querschnittfläche der Öffnung in dem mittleren Abschnitt 26 kleiner als die Querschnittfläche der Öffnung an dem Einlassende 24 und dem Auslassende 28. Somit ähnelt die zweite Fluidleitung einem Venturi-Rohr. Die mehreren Laschen sind so konfiguriert, dass sie die Größe der Düsenöffnung verändern, was wiederum eine Öffnung für das Eindringen von kühlerem Fluid oder Umgebungsluft in die zweite Fluidleitung verändert und eine veränderliche Mündung in die zweite Fluidleitung vorsieht.
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Der Außendurchmesser oder der Umfang der ersten Fluidleitung ist kleiner als der Umfang oder Durchmesser des Einlassendes der zweiten Fluidleitung, so dass eine Fluideinlassöffnung 30 vorgesehen wird. Wenn die Öffnung 30 aufgrund eines Zusammenziehens von Laschen 20 vergrößert wird, bewegt sich ein Abgas 32 in Richtung des Pfeils 34 durch die erste Fluidleitung und die erste Fluidleitung 12 umgebende Umgebungsluft 36 wird durch die Fluideinlassöffnung 30 in Richtung von Pfeil 38 eingesaugt. Somit beruht die Größe der Düsenöffnung 18 und der Fluideinlassöffnung 30 auf der Temperatur des durch die erste Fluidleitung und die Düse strömenden Abgases, und die Größe der Düsenöffnung und der Fluideinlassöffnung 30 ändert sich entsprechend.
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Um die Größe sowohl der Düsenöffnung 18 als auch der Fluideinlassöffnung 30 zu ändern, sind die mehreren Laschen 18 aus einem Material oder Materialien gebildet, das bzw. die jede der mehreren Laschen zwischen einer ersten Position (1A) und einer zweiten Position (1B) wechseln lässt/lassen, wenn sich die Temperatur des Abgases ändert. Siehe auch 2 und 3, die die mehreren Laschen in der ersten Position und der zweiten Position zeigen.
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Die erste Position (1A) entspricht einem kühlen Abgas (z.B. unter 550 Grad Celsius), das durch die erste Fluidleitung 12 strömt, und die zweite Position (1B) entspricht einem heißeren Abgas (z.B. über 570 Grad Celsius), das durch die erste Fluidleitung 12 strömt. Es versteht sich natürlich, dass Temperaturen über oder unter den vorstehend erwähnten Temperaturen in Betracht gezogen werden. Die zweite Position verringert die Größe der Düsenöffnung 18, was wiederum die Geschwindigkeit des durch die Düsenöffnung tretenden Abgases steigert, was ein Saugen einer größeren Menge an Umgebungsluft (Nicht-Abgas) durch die Fluideinlassöffnung 30 in die zweite Fluidleitung 14 bewirkt.
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Um diese Bewegung der Laschen 20 zum Verändern der Öffnung 18 zu erreichen, ist jede der mehreren Laschen aus einem bimetallischen Material gebildet, das ein erstes Material (z.B. Metall oder Metalllegierung) 40 und ein zweites Material (z.B. Metall oder Metalllegierung) 42 umfasst, das mit dem ersten Material verbunden oder benachbart dazu ausgebildet ist, so dass die beiden Materialien den Laschenabschnitt bilden. Das erste Material weist einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das zweite Material auf, so dass bei Steigen der Temperatur des Abgases das erste Material jede der mehreren Laschen veranlasst, sich hin zu einer Mittellinie 44 der ersten Fluidleitung zu biegen, wobei eine solche Bewegung der mehreren Laschen die Größe der Düsenöffnung verringert.
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Jedes Metall wird beruhend auf seinen Materialeigenschaften zum Verwirklichen einer geeigneten Bewegung der Laschen entsprechend der Temperatur des Abgasstroms durch die erste Fluidleitung 12 gewählt. Die Materialeigenschaften werden so gewählt, dass das Metall 40 (äußeres Metall) im Verhältnis zum Metall 42 (inneres Metall) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das bimetallische Material kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Prozesses (z.B. zwei zusammengelötete oder zusammengeschweißte Schichten, Metallabscheideprozesse, verschiedene Walz- und Plattierungsprozesse oder beliebige Entsprechungen derselben) gebildet werden, wobei Metallschichten mit unähnlichen Materialeigenschaften benachbart zueinander positioniert werden, insbesondere von Prozessen, die eine starke metallurgische Bindung zwischen dem ersten und zweiten Material bilden, die ausreicht, um seine Beständigkeit in der hierin beschriebenen Temperaturwechselumgebung aufrechtzuerhalten.
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Die erste Fluidleitung 12 ist dafür konfiguriert, Abgas von einer Abgasbehandlungsvorrichtung 46 aufzunehmen, die in einer Ausführungsform ein Dieselpartikelfilter (DPF) ist. Wie aus dem verwandten Stand der Technik bekannt ist, ist ein Dieselpartikelfilter eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die ein Heizen auf einen Wert erfordert, der über dem liegt, der typischerweise von dem Abgas zum Erreichen einer Sollbetriebstemperatur vorgesehen wird, um die Regeneration des Partikelfilters zu fördern. Wie in 4 gezeigt ist, ist die erste Einlassleitung mittels einer Leitung 47 mit dem Auslass der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 verbunden. Natürlich kann die erste Fluidleitung 12 direkt mit der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 verbunden sein, oder es kann ein anderes geeignetes Mittel zum Vorsehen von Fluidverbindung dazwischen zum Verbinden der ersten Fluidleitung mit der Abgasbehandlungsvorrichtung verwendet werden.
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Wenn die Temperatur aus der Abgasbehandlungsvorrichtung 46 steigt und die Umgebungstemperatur (Temperatur und Konvektionskühlung aus Bewegung um die Abgasanlage) nicht ausreichen, um den Abgasstrom durch die Düse zu kühlen, dehnt sich das äußere Metall 40 aufgrund der bimetallischen Eigenschaften der Laschen 20 schneller als das innere Metall 42 aus, was ein Biegen der Anordnung von Metalllaschen nach innen bewirkt, wodurch der Durchmesser der Düse 17 verringert wird. Dies fördert durch Beschleunigen des Abgasstroms durch die Düse in den mittleren Abschnitt 26 und durch Vergrößern des Raums für das Eindringen von Umgebungsluft in die Venturi-Vorrichtung eine effektivere Venturi-Wirkung durch die zweite Leitung 14. Dadurch wird heißes Abgas mit kühler Umgebungsluft verdünnt und die Kühlwirkung erreicht. Demgemäß sieht die Abgaskühleinrichtung ein Venturi veränderlicher Mündung vor, wenn sich die Düsenöffnung 18 als Reaktion auf die Abgastemperatur weitet und zusammenzieht, um kühlende Gasen in ein Abgas eines Motors einzuleiten.
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Wenn dagegen die Umgebungstemperaturen kühler sind und/oder das Fahrzeug sich bei einer Geschwindigkeit bewegt, die zum Kühlen der Abgasanlage ausreicht (d.h. die kühlende Luft bewegt sich über das Endrohr und austretende Endrohrgase sind nicht an stationären Vorrichtungen konzentriert), und/oder der DPF sich nicht in einem Regenerationsmodus befindet (d.h. die Abgase sind kühler, zum Beispiel unter 550 Grad Celsius), pflegt der Durchmesser der Düsenmündung größer zu werden, wodurch der Gegendruck auf die Anlage verringert wird. Die Zunahme des Durchmessers der veränderlichen Mündung wird durch das stärkere Zusammenziehen von dem äußeren Metall 40 im Verhältnis zum inneren Metall 42 erreicht, und somit wird die Wirksamkeit des Venturi verringert und der Motorgegendruck verringert. Bei einem Kompressionszündungsmotor (Magermotor) kann bei einem sich bewegenden Fahrzeug diese Wirkung den Gegendruck unter einem großen Bereich von Betriebsbedingungen verringern, nämlich wenn keine Abgaskühlung erforderlich ist. Diese reduzierte Beschränkung verbessert die Kraftstoffwirtschaftlichkeit und erlaubt es dem Motor, eine höhere Leistung/ein höheres Drehmoment zu erreichen, ohne dass verschiedene Betriebstemperaturgrenzen von Motorbauteilen überschritten werden.
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2 veranschaulicht den Zustand, da das von der ersten Fluidleitung aufgenommene Abgas nicht heiß genug ist, um ein zusätzliches Mischen der kühleren Umgebungsluft durch die Einlassöffnung zwischen der ersten Fluidleitung und der zweiten Fluidleitung zu induzieren, wenngleich wie gezeigt längliche Öffnungen oder Spalte 22 ein Mischen einer gewissen Menge kühlerer Umgebungsluft mit dem Abgas in der zweiten Fluidleitung ermöglichen, doch verringert die geringere Geschwindigkeit der größeren Düsenöffnung die in die zweite Fluidleitung gesaugte Menge an Umgebungsluft. Die veränderliche Düsenöffnung 18, die durch die distalen Enden 48 der mehreren Laschen 20 festgelegt ist, wird ebenfalls vergrößert, was ebenfalls zu einer verringerten Abgasgeschwindigkeit sowie einem verringerten Gegendruck zur Abgasbehandlungsvorrichtung 46 führt, da die Öffnung der veränderlichen Düse 18 sich bei ihrer größten Konfiguration befindet.
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3 veranschaulicht den Zustand, da bei heißer werdendem Abgas (z.B. aufgrund von Regeneration des Dieselpartikelfilters der Abgasanlage) das erste Material 40 mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten jede der mehreren Laschen 20 veranlasst, sich hin zur Mittellinie 44 der ersten Fluidleitung 12 zu biegen und die Größe der Düsenöffnung 18 zu verringern, während gleichzeitig die Größe der Einlassöffnung 30 vergrößert wird. Wenn die mehreren Laschen 20 hin zur Mittellinie 44 der ersten Fluidleitung 12 gebogen werden, wird die Größe der Düsenöffnung 18, die durch ein distales Ende 48 jedes der mehreren Laschenelemente festgelegt ist, verringert und die Geschwindigkeit des durch die Düsenöffnung 18 tretenden Abgases wird gesteigert und die Venturi-Wirkung der durch die zweite Fluidleitung 14 tretenden Gase bewirkt ein Saugen von kühlerer Umgebungsluft in die Einlassöffnung 30. Demgemäß wird das heiße Abgas in dem mittleren Abschnitt der zweiten Fluidleitung 14 mit der kühleren Umgebungsluft verdünnt, um ein verdünntes oder gekühltes Abgas 50 in der Richtung des Pfeils 52 vorzusehen. Die Konfiguration der in 3 veranschaulichten Abgaskühleinrichtung ist während eines Regenerationsvorgangs des Dieselpartikelfilters oder der Abgasbehandlungsvorrichtung 46, der zu heißeren Abgasen (z.B. über 570 Grad Celsius) führt, erwünscht. Während dieses Vorgangs ist es wünschenswert, diese Abgase durch Mischen derselben mit der die erste Fluidleitung 12 umgebenden Umgebungsluft zu kühlen.
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In einer nicht einschränkenden Ausführungsform berühren die Laschen 20 die zweite Fluidleitung 14 in der ersten Position und schließen die Öffnung 30 zwischen dem Außenumfang der Düse und dem Innenumfang der Einlassöffnung der zweiten Fluidleitung 14 im Wesentlichen. Alternativ berühren die Laschen 20 die zweite Fluidleitung in der ersten Position nicht, aber die Öffnung 30 zwischen dem Außenumfang der ersten Fluidleitung und dem Innenumfang der zweiten Fluidleitung bleibt im Wesentlichen geschlossen (siehe zum Beispiel 2).
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Ferner kann der exakte Ort der veränderlichen Düse 17 in der zweiten Fluidleitung 14 variieren, solange das erwünschte Mischen während bestimmter Abgasbedingungen erreicht wird. Das Abgas wird nämlich in dem mittleren Abschnitt 26 der zweiten Fluidleitung 14 mit der Umgebungsluft gemischt, um ein kühleres Mischgas 50 vorzusehen, das durch die Auslassöffnung 28 der zweiten Fluidleitung 14 abgelassen wird. Zum Beispiel ist ein Außenumfang der veränderlichen Düse 17 in dem Einlassende 24 der zweiten Fluidleitung 14 angeordnet oder ein Außenumfang der ersten Fluidleitung 12 ist in dem Einlassende 24 der zweiten Fluidleitung 14 angeordnet.
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In einer alternativen Ausführungsform und unter Bezug auf 5 - 5B ist es auch möglich, die Funktionalität der veränderlichen Düse zu erreichen, ohne die längsverlaufenden Laschenelemente 20 in dem stromaufwärts befindlichen Rohr zu verwenden. Hier ist die Düse 17 an dem Ende der ersten Fluidleitung 12 befestigt, und die Düse 17 ist aus den zwei unähnlichen Materialien gebildet. Andere in Betracht kommende Ausführungsformen umfassen eine einstückige Düse oder eine Düse, die aus mehreren Laschen 20 gebildet ist, die sich jeweils von mehreren Rohren (z.B. ersten Fluidleitungen) erstrecken, die nicht von konstantem Durchmesser sind, so dass mindestens ein Rohr oder eine Leitung in ein anderes Rohr oder eine andere Leitung eingeführt werden kann und die distalen Enden der mehreren Laschen versetzt ausgerichtet werden, so dass sich die Enden der mehreren Laschen des Rohrs größten Durchmessers der ersten Fluidleitung mit ihren distalen Enden gegenüber den distalen Enden der Laschen des Rohrs oder der Rohre, die in dieses eingeführt sind, weiter nach außen erstrecken. Es werden mit anderen Worten mehrere nicht einheitliche Rohre ineinander eingesetzt, wobei jedes Rohr einen sukzessiv kleineren Durchmesser aufweist und jedes Rohr oder einige der Rohre mehrere Laschen mit mindestens zwei Materialien unterschiedlicher Wärmeeigenschaften aufweisen. Dies könnte überlagernde Laschenkonstruktionen erlauben, die einzigartige Strömungseigenschaften fördern und turbulente Mischwirkungen in dem Venturi regeln könnten. Siehe zum Beispiel das kleinere innere Rohr oder die kleinere innere Leitung, die durch die gestrichelten Linien in 4 veranschaulicht ist. Natürlich ändert sich die Konfiguration jeder der vorstehend erwähnten Ausführungsformen entsprechend den Anwendungsanforderungen. Die exakten Geometrien, die Ausrichtung und Materialeigenschaften von Auslass/Lasche/Rohr erfordern ein optimiertes Abstimmen auf die spezifischen Betriebsbereiche.
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Unter Bezug auf 6 und 6A und in einer noch anderen alternativen Ausführungsform wird die bimetallische Konstruktionsstrategie auf das äußere Rohr oder die zweite Fluidleitung 14 übertragen, um die Venturi-Wirkungen unter verschiedenen Betriebsbedingungen weiter zu verbessern. Hier ist das Einlassende 24 des zweiten Fluids 14 aus den zwei unähnlichen Materialien konstruiert. Analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Einlassende ein bimetallisches Material, das ein erstes Material (z.B. Metall oder Metalllegierung) 40 und ein zweites Material (z.B. Metall oder Metalllegierung) 42 umfasst, das mit dem ersten Material verbunden oder benachbart dazu ausgebildet ist, und das erste Material weist einen anderen (z.B. höheren oder niedrigeren) Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das zweite Material, um die erwünschte Bewegung eines distalen Endes 70 des bimetallischen Materials vorzusehen.
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In dieser Ausführungsform können die beiden unähnlichen Materialien sowohl auf der ersten Fluidleitung 12 als auch der zweiten Fluidleitung 14 oder nur der zweiten Fluidleitung 14 angeordnet sein. Wie in 6A veranschaulicht bewegt sich das distale Ende 70 des bimetallischen Materials, das die Materialien 40 und 42 umfasst, ebenfalls als Reaktion auf die Temperatur der Fluide, die in die Abgaskühleinrichtung gesaugt werden, und dementsprechend ändert sich die Größe der Einlassöffnung 30, wenn sich das distale Ende 70 bewegt.
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Demgemäß werden Verfahren zum Kühlen eines Abgases einer Abgasbehandlungsvorrichtung vorgesehen. Wie hierin erläutert bewegt sich das Abgas durch eine erste Fluidleitung mit einer veränderlichen Düse mit einer Öffnung, die durch mehrere Laschenelemente festgelegt wird, die sich von der ersten Fluidleitung erstrecken. Die Düsenöffnung ist in einem Einlassende einer zweiten Fluidleitung mit einer Venturi-RohrKonfiguration aufgenommen, um zwischen der Düse und der zweiten Fluidleitung eine Fluideinlassöffnung für das Einsaugen von Umgebungsluft und Mischen mit dem Abgas in der zweiten Fluidleitung festzulegen, um ein gekühltes verdünntes Gas vorzusehen, das aus dem Auslassende der zweiten Fluidleitung austritt. Das Verfahren des Kühlens des Abgases ist oft erwünscht, wenn eine Schadstoffbegrenzungsvorrichtung vorhanden ist, beispielsweise ein Dieselpartikelfilter oder DPF, der stromaufwärts der ersten Fluidleitung angebracht ist.
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Wenn das Abgas höherer Temperatur in die erste Fluidleitung und durch die Düsenöffnung strömt, biegen sich die mehreren Laschen hin zur Mittellinie der ersten Fluidleitung und verkleinern die Düsenöffnung. Die Verkleinerung der Querschnittfläche der Düsenöffnung lässt die Geschwindigkeit des daraus austretenden Abgases steigen. Durch Beschleunigen des Abgases kann eine größere Menge Umgebungsluft durch die Einlassöffnung oder die Öffnung, die durch die erste Fluidleitung und die zweite Fluidleitung festgelegt wird und dazwischen angeordnet ist, in die zweite Fluidleitung eindringen, da die Einlassöffnung(en) aufgrund der mehreren Laschen oder Materialien, die das Biegen der Düsenöffnung hin zur Mittellinie der ersten Fluidleitung festlegen, größer wird/werden.
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Die Eigenschaften der unähnlichen Materialien werden zum Nutzen der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt, um kleinere Düsendurchmesser vorzusehen, wenn die Abgase heiß genug sind oder über einem vorbestimmten Temperaturbereich liegen, so dass Abgaskühlung erforderlich ist, und wenn die Umgebungstemperaturen der umgebenden Luft nicht kühl genug sind, um die Temperatur des Abgases merklich zu senken, und/oder wenn die Fahrzeugbewegung nicht genügend Umgebungsluftbewegung um die Abgaskühleinrichtung erzeugt, um die Abgase zu kühlen.
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Die Kühleinrichtung ist darauf abgestimmt, Bedingungen zu optimieren, bei denen das System für Abgaskühlung aktiv wird. Unter anderen Bedingungen, bei denen keine Abgaskühlung erforderlich ist, vergrößert die Düse ihren Durchmesser und senkt dadurch den Gegendruck auf die Abgasanlage. Diese Düsenöffnung veränderlicher Mündung bietet die folgenden Vorteile, da die Anlage nicht immer eine kleinere Düsenöffnung aufweisen muss: verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit; verbesserte Leistungsfähigkeit (Leistung/Drehmoment); und verbesserte Haltbarkeit des Motors.
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Zudem sieht die Kühleinrichtung einen preisgünstigen Abgaskühler mit einem Venturi veränderlicher Düse vor, der nicht komplexe bewegliche Teile, Aktuatoren und/oder rechnergesteuerte Algorithmen erfordert, da die veränderlichen Öffnungen verwirklicht werden, ohne komplexere aktive, rechnergesteuerte Ventilvorrichtungen hinzuzufügen, die ebenfalls komplexe OBD2-Diagnoseroutinen erforderlich machen, die ebenfalls zusätzliche Sensoren zum Überwachen der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung benötigen können.
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Auch wenn eine Ausführungsform unter Bezug auf die Fahrzeugabgasanlage beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass die Abgaskühleinrichtung bei anderen Anwendungen eingesetzt werden kann, die sowohl gasförmige als auch flüssige Ströme beinhalten. Ferner kann die Abgaskühleinrichtung als Abgaserwärmungseinrichtung konfiguriert werden, wobei das erste und zweite Material der mehreren Laschen so konfiguriert sind, dass sie sich nach innen biegen, wenn das Abgas kühler als die Umgebungsluft ist, wodurch eine heißere Umgebungsluft zu dem kühlen Abgas eingesaugt wird.