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Die Erfindung betrifft eine Abgasvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2006 023 855 A1 ist bereits eine Abgasvorrichtung, insbesondere für eine Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Abgasrückführkühler, der zumindest einen Wärmetauscher mit wenigstens einer Abgasleitung zur Führung eines Abgasstroms und wenigstens einer Kühlmittelleitung zur Kühlung von zumindest einem Teil der Abgasleitung mittels eines Kühlmittels aufweist, bekannt.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Abgasvorrichtung mit einer verbesserten Dauerhaltbarkeit bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Abgasvorrichtung, insbesondere für eine Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einem Abgasrückführkühler, der zumindest einen Wärmetauscher mit wenigstens einer Abgasleitung zur Führung eines Abgasstroms und wenigstens einer Kühlmittelleitung zur Kühlung von zumindest einem Teil der wenigstens einen Abgasleitung mittels eines Kühlmittels aufweist.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Abgasrückführkühler zumindest eine beabstandet zu dem Wärmetauscher angeordnete Wandung aufweist, die dazu vorgesehen ist, einen dem Wärmetauscher vorgeschalteten Gaseintrittsboden auszubilden. Dadurch kann eine direkte thermische Beaufschlagung des Wärmetauschers mit dem heißen Abgasstrom verhindert werden, wodurch der Abgasrückführkühler thermisch höher belastet und eine Dauerhaltbarkeit verbessert werden kann. Unter einem „Wärmetauscher” soll dabei insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, Wärmeenergie von einem ersten Strömungsmedium, wie insbesondere den Abgasstrom, auf ein zweites Strömungsmedium, wie insbesondere das Kühlmittel, zu übertragen. Unter einer „Abgasleitung” soll dabei insbesondere eine für den Abgasstrom vorgesehene Leitung verstanden werden, die den Wärmetauscher durchsetzt und die dazu vorgesehen ist, den Abgasstrom an dem Kühlmittel vorbeizuführen. Unter einer „Kühlmittelleitung” soll insbesondere eine für das Kühlmittel vorgesehene Leitung verstanden werden, die den Wärmetauscher durchsetzt und die dazu vorgesehen ist, das Kühlmittel an dem Abgasstrom vorbeizuführen. Die zumindest eine Abgasleitung und die zumindest eine Kühlmittelleitung sind dazu vorzugsweise zumindest teilweise einstückig ausgeführt. Unter einer „Wandung” soll weiter insbesondere eine Begrenzung verstanden werden, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Abgasstroms angeordnet ist. Unter „beabstandet” soll insbesondere verstanden werden, dass zwischen der Wandung und dem Wärmetauscher ein Bereich eingeschlossen ist, der nicht dazu vorgesehen ist, mit Kühlmittel befüllt zu werden. Unter „vorgeschaltet” soll insbesondere unmittelbar vor dem Wärmetauscher angeordnet verstanden werden, d. h. der Abgasstrom trifft zunächst auf die Wandung und wird anschließend direkt dem Wärmetauscher zugeführt. Unter „vorgesehen” soll insbesondere speziell ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Abgasleitung einen Bereich zwischen dem Wärmetauscher und der Wandung zumindest teilweise durchsetzt. Dadurch kann zwischen der Wandung und dem Wärmetauscher ein Bereich ausgebildet werden, der dazu vorgesehen ist, eine direkte Wärmebeaufschlagung des Wärmetauschers mit dem heißen Abgasstrom zu verhindern, wodurch insbesondere ein Aufsieden des Kühlmittels vorteilhaft vermieden werden kann. Unter „durchsetzt” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die den Wärmetauscher zumindest teilweise durchsetzende Abgasleitung über den Wärmetauscher übersteht und zumindest teilweise in den Bereich zwischen dem Wärmetauscher und der Wandung hineinragt.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die zumindest eine Abgasleitung zumindest im Wesentlichen gasdicht an die Wandung angebunden und mechanisch von der Wandung entkoppelt ist. Dadurch kann vermieden werden, dass Verformungen der Wandung, die durch die Wärmebeaufschlagung durch den Abgasstrom entstehen können, auf die Abgasleitungen übertragen werden, während gleichzeitig ein Gasaustausch zwischen dem Bereich und dem Abgasstrom gering gehalten werden kann, wodurch erreicht werden kann, das eine Temperatur in dem Bereich unkritisch bleibt. Unter „zumindest im Wesentlichen gasdicht” soll insbesondere verstanden werden, dass eine Gasmenge, eine Querschnittsfläche von Spalten zwischen der Wandung und der Abgasleitung wesentlich kleiner ist als eine Querschnittsfläche der Abgasleitung, wodurch in einem Betrieb eine Gasmenge, die durch die Spalte in den Bereich zwischen der Wandung und dem Wärmetauscher eintritt, wesentlich kleiner ist als eine Gasmenge, die durch die Abgasleitungen hindurchströmt. Unter „wesentlich kleiner” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Querschnittsfläche der Spalte bzw. die Gasmenge, die durch die Spalte hindurchströmt, höchstens 10 Prozent, vorteilhaft höchstens 5 Prozent und besonders vorteilhaft höchstens 1 Prozent der Querschnittsfläche der Abgasleitung bzw. der Gasmenge, die durch die Abgasleitung hindurchströmt, beträgt.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher eine Wandung aufweist, die zur kühlmitteldichten Abtrennung der zumindest einen Kühlmittelleitung fest mit der zumindest einen Abgasleitung verbunden ist. Dadurch können die Betriebsmittelleitungen vorteilhaft gegenüber dem Bereich zwischen den zwei Wandungen abgegrenzt werden, wodurch gleichzeitig ein Gas, das sich in dem Bereich zwischen den zwei Wandungen sammelt, durch das Kühlmittel gekühlt werden kann. Unter „kühlmitteldicht” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass ein Kühlmittelaustritt aus der zumindest einen Kühlmittelleitung in dem Bereich verhindert ist. Unter „fest verbunden” soll insbesondere stoffschlüssig verbunden verstanden werden. Grundsätzlich ist aber auch eine passgenaue Verbindung mittels Dichtelementen denkbar.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Abgaskühlvorrichtung ein Kühlmittelgehäuse aufweist, das zumindest einen Zwischenraum ausbildet, der den Wärmetauscher in zumindest einer Ebene vollständig umschließt und dazu vorgesehen ist, ein Kühlmittel auf den Wärmetauscher zu verteilen. Dadurch kann insbesondere vorteilhaft eine gleichmäßige Verteilung des Betriebsmittels in dem Wärmetauscher erreicht werden, wodurch insbesondere eine Unterversorgung von Bereichen des Wärmetauschers mit Kühlmittel verhindert werden kann. Unter „in zumindest einer Ebene umschließen” soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Zwischenraum den Wärmetauscher in einer radialen Richtung vollständig umschließt.
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Zudem wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittelgehäuse eine Innenschale aufweist, die den Zwischenraum zumindest teilweise begrenzt und in der der Wärmetauscher angeordnet ist. Dadurch kann der Wärmetauscher insbesondere vorteilhaft angeordnet werden, um einen guten Durchfluss an Kühlmittel zu erreichen.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Innenschale mehrere verschieden große Öffnungen aufweist, die dazu vorgesehen sind, das Kühlmittel gezielt aus dem Zwischenraum in den Wärmetauscher zu leiten. Dadurch kann das Kühlmittel insbesondere vorteilhaft gezielt an thermisch höher belastete Bereiche des Wärmetauschers geleitet werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittelgehäuse einen Einzug aufweist, der zu einer gezielten Führung des Betriebsmittels in den Wärmetauscher vorgesehen ist. Dadurch kann das Kühlmittel insbesondere vorteilhaft in bestimmte Öffnungen der Innenschale geleitet werden, wodurch eine gezielte Führung des Betriebsmittels weiter optimiert werden kann. Unter einem „Einzug” soll dabei insbesondere eine Verformung in dem Kühlmittelgehäuse verstanden werden, durch die der Zwischenraum zur Führung des Kühlmittels verjüngt wird und dadurch das Kühlmittel gezielt leitet. Grundsätzlich kann unter dem Einzug auch ein in den Zwischenraum eingebrachtes Leitblech verstanden werden, das das Kühlmittel in dem Zwischenraum gezielt führt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Abgasvorrichtung mit einem Abgasrückführkühler in einem ersten Querschnitt und
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2 den Abgasrückführkühler in einem zweiten Querschnitt.
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Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Abgasvorrichtung einer Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine. Die Abgasvorrichtung ist dazu vorgesehen, ein Abgas, das in einem Abgastrakt gesammelt wird, wieder einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zuzuführen. In einem Betrieb wird dadurch der Brennkraftmaschine ein Gemisch aus Abgasen und angesaugten Frischgasen zugeführt, die in einem erneuten Arbeitstakt der Brennkraftmaschine gezündet werden.
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Um das nach der Verbrennung ausgestoßene Abgas abzukühlen, bevor es dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zugeführt wird, umfasst die Abgasvorrichtung einen Abgasrückführkühler 10. Der Abgasrückführkühler 10 weist einen Wärmetauscher 11 auf, der dazu vorgesehen ist, das Abgas mittels eines Kühlmittels 15 abzukühlen. Der Wärmetauscher 11 umfasst eine Mehrzahl von Abgasleitungen 12 mit einer Mehrzahl von Kühlmittelleitungen 14. In einem Betrieb werden die Kühlmittelleitungen 14 von einem flüssigen Kühlmittel 15 durchströmt, das eine von dem Abgas abgegebene Wärme abtransportiert. Die Kühlmittelleitungen 14 und die Abgasleitungen 12 sind kühlmitteldicht voneinander getrennt.
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Zur Verringerung einer thermischen Belastung des Wärmetauschers 11 weist der Abgasrückführkühler eine Wandung 16 auf, die einen Gaseintrittsboden ausbildet. Die Wandung 16 ist dem Wärmetauscher 11 vorgeschaltet. Sie begrenzt einen Bereich 17, der eingangsseitig von dem Wärmetauscher 11 angeordnet ist. Der Abgasrückführkühler 10 weist einen Einströmbereich 18 auf, von dem der Bereich 17 im Wesentlichen strömungstechnisch entkoppelt ist. In einem Betrieb ist der Bereich 17 mit dem Abgas gefüllt. Ein kontinuierlicher Austausch zwischen dem Abgas, das den Bereich 17 füllt, und einem Abgasstrom 13 in dem Einströmbereich 18 wird jedoch weitgehend verhindert. Das Abgas kann in dem Bereich 17 damit im Vergleich zu dem Abgasstrom 13 in dem Einströmbereich 18 eine niedrigere Temperatur aufweisen.
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Die Wandung 16 grenzt den Bereich 17 von dem Einströmbereich 18 im Wesentlichen ab. Die Abgasleitungen 12 sind von der Wandung 16 entkoppelt. Zur Abgrenzung des Bereichs 17 gegenüber dem Einströmbereich 18 ist ein Spaltmaß zwischen den Abgasleitungen 12 und der Wandung 16 minimal gehalten. Durch vorhandene Spalte kann zwischen dem Abgasstrom 13 und dem Abgas in dem Bereich 17 grundsätzlich ein minimaler Gasaustausch stattfinden. Die Spalte sind jedoch so klein, dass der Gasaustausch im Verhältnis zu einem Volumenstrom des Abgasstroms 13 vernachlässigbar klein ist.
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Die Spalte stellen eine Entkopplung zwischen den Abgasleitungen 12 und der Wandung 16 bei unterschiedlichen Ausdehnungen der Abgasleitungen 12 und der Wandung 16 bereit. Insbesondere in einem Betrieb mit hohen Temperaturen können sich die Abgasleitungen 12 und die Wandung 16 unterschiedlich verformen. Durch die Spalte sind die Abgasleitungen 12 gegenüber der Wandung 16 beweglich. Unterschiedliche Ausdehnungen werden somit nicht von der Wandung 16 auf die Abgasleitungen 12 oder umgekehrt übertragen werden.
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Zur weiteren Begrenzung des Bereichs 17 bildet der Wärmetauscher 11 eine zweite Wandung 19 aus. Die erste Wandung 16 und die zweiten Wandung 19 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Beiden Wandungen 16, 19 sind im Wesentlich senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Abgasstroms 13 orientiert. Die Wandung 19 trennt den Bereich von dem Einströmbereich 18. Die Wandung 16 trennt den Bereich 17 von den Kühlmittelleitungen 14. Die durch den Wärmetauscher 11 ausgebildete Wandung 19 wird in einem Betrieb somit ebenfalls von dem Kühlmittel 15 gekühlt. Die erste Wandung 16 und die zweite Wandung 19 bilden damit einen doppelten Gaseintrittsboden aus, der für Teile des Wärmetauschers 11, wie insbesondere die Wandung 19, eine Luftspaltisolation bereitstellt.
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Die Abgasleitungen 12 des Wärmetauschers 11 sind fest mit der durch den Wärmetauscher 11 ausgebildeten Wandung 19 verbunden. Durch die feste Verbindung ist eine Kühlmitteldichtigkeit der Kühlmittelleitungen 14 gewährleistet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel stehen die Abgasleitungen 12 über die von dem Wärmetauscher 11 ausgebildete Wandung 19 heraus und grenzen unmittelbar an die erste Wandung 16 an. Im Bereich der Wandung 16 sind die Abgasleitungen 12 aufgeweitet, um das Spaltmaß zwischen den Abgasleitungen 12 und der Wandung 16 möglichst gering zu halten. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Abgasleitungen 12 die Wandung 16 durchsetzen. Auch dabei ist es vorteilhaft, wenn die Abgasleitungen 12 an einer dem Einströmbereich 18 zugewandten Seite aufgeweitet sind, um die Spaltmaße zwischen den Abgasleitungen 12 und der Wandung 16 vorteilhaft gering zu halten.
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Die beiden Wandungen 16, 19 begrenzen den Bereich 17 in axialer Richtung. Zu Begrenzung in radialer Richtung weist der Abgasrückführkühler 10 ein Kühlmittelgehäuse 20 auf, in dem die beiden Wandungen 16, 19 befestigt sind. Das Kühlmittelgehäuse 20 ist zur abgasdichten Verbindung mit einer Abgasleitung 21 der Abgasvorrichtung vorgesehen, die mit dem Abgastrakt verbunden ist. Zudem ist das Kühlmittelgehäuse 20 zur Ausbildung einer Führung für das Kühlmittel 15 vorgesehen.
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Das Kühlmittelgehäuse 20 ist mehrteilig ausgeführt. Das Kühlmittelgehäuse bildet einen Zwischenraum 25 aus, der den Wärmetauscher 11 vollständig umschließt. Der Zwischenraum 25 ist dazu vorgesehen, das Kühlmittel 15 gleichmäßig auf den Wärmetauscher 11 zu verteilen. Zur Ausbildung des Zwischenraums 25 weist das Kühlmittelgehäuse 20 eine Innenschale 22 und eine Außenschale 23 auf. Die Innenschale 22 und die Außenschale 23 begrenzen den Zwischenraum 25 jeweils teilweise, wobei die Innenschale 22 den Zwischenraum 25 in einer radial inneren Seite und die Außenschale 23 den Zwischenraum 25 an einer radial äußeren Seite begrenzt. Der Wärmetauscher 11 ist innerhalb der Innenschale 22 angeordnet. Die Innenschale 22 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 24 auf, durch die das Kühlmittel 15 aus einem Zwischenraum 25 zwischen der Innenschale 22 und der Ausschale 23 in den Wärmetauscher 11 ein- bzw. aus dem Wärmetauscher 11 herausströmen kann. Die Öffnungen 24 sind verschieden groß ausgebildet. Dabei ist es denkbar, dass nur eine der Öffnungen 24 einen abweichenden Durchmesser aufweist. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass alle Öffnungen 24 unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Außenschale 23 umfasst einen Kühlmitteleintritt 26 und einen nicht näher dargestellten Kühlmittelaustritt.
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Die Öffnungen 24 sind strömungsoptimiert in die Innenschale 22 eingebracht. Eine Verteilung der Öffnungen 24 sowie eine Größe der Öffnungen 24 beeinflusst eine Strömung des Kühlmittels 15 in dem Zwischenraum 25 zwischen der Innenschale 22 und der Außenschale 23. Zur weiteren Führung des Kühlmittels 15 weist das Kühlmittelgehäuse einen Einzug 27 auf. Dabei ist entweder die Innenschale 22 und/oder die Außenschale 23 lokal mit dem Einzug 27 versehen. Im Bereich des Einzugs 27 ist ein Abstand zwischen der Innenschale 22 und der Außenschale 23 geringer als in umgebenden Bereichen außerhalb des Einzugs 27. Die Außenschale 23 des Kühlmittelgehäuses 20 bildet dabei gleichzeitig ein Gehäuse des Abgasrückführkühlers 10 aus. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass die Außenschale 23 zusätzlich von einem eigenständigen Gehäuse umschlossen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006023855 A1 [0002]
