-
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen. Der Wärmeübertrager weist einen aus parallel zueinander angeordneten Wärmeübertragerrohren ausgebildeten Strömungskanal sowie einen um den Strömungskanal angeordneten Strömungsraum auf. Der Strömungsraum wird von einer Gehäusewandung und Rohrböden begrenzt.
-
Aus dem Stand der Technik sind Systeme der Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen bekannt. Mit diesen Systemen werden die Stickoxide in den Abgasen, insbesondere in den Abgasen von mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen, reduziert und der Verbrauch von mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen vermindert. Bei den gattungsgemäßen Systemen der Abgasrückführung wird der zum Motor angesaugten Frischluft gekühltes oder ungekühltes Abgas zugemischt.
-
Bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen entstehen vor allem bei der Verwendung von mageren Gemischen, das heißt im Teillastbereich, im Motor von Kraftfahrzeugen umweltschädliche Stickoxide. Zur Verringerung der Emission der Stickoxide sind ein Absenken der hohen Temperaturspitzen und eine Verminderung des Luftüberschusses bei der Verbrennung notwendig. Durch die geringere Sauerstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches werden die Geschwindigkeit des Vorgangs der Verbrennung und damit die maximalen Verbrennungstemperaturen reduziert. Beide Effekte werden durch die Zumischung eines Teilstromes des Abgases zum vom Motor angesaugten Frischluftstrom erzielt.
-
Bei mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen bewirkt ein System der Abgasrückführung neben der Verminderung des Sauerstoffanteils und der Temperaturspitzen bei der Verbrennung auch die Verminderung der Geräuschemission. Bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen mit einem System der Abgasrückführung werden zudem die Drosselverluste vermindert.
-
Durch das Beimischen des rückgeführten Abgasstromes mit hohen Temperaturen werden jedoch der Kühleffekt und damit auch der Wirkungsgrad des Motors reduziert. Um diesen Reduktionen zu begegnen, wird das Abgas vor der Beimischung in einem Wärmeübertrager, dem sogenannten Abgas-Wärmeübertrager oder Abgasrückführungskühler, abgekühlt. Bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen bewirkt die zusätzliche Kühlung des Abgases eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der dem Motor zugeführten Luft.
-
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Abgas-Wärmeübertragern bekannt. Zunehmend strengere Gesetzgebungen bezüglich der Abgasnormen und Verbrauchsanforderungen an Kraftfahrzeuge bedingen jedoch einen erhöhten Kühlbedarf bei immer geringer werdendem Platzbedarf der Komponenten im Kraftfahrzeug. Diese gegenläufigen Anforderungen werden von den bekannten Abgas-Wärmeübertragern selten erfüllt.
-
Aus der
DE 10 2007 054 953 A1 geht ein Abgasrückführsystem einer Brennkraftmaschine mit einem luftgekühlten Abgasrückführkühler hervor. Der aus Aluminium ausgebildete Abgasrückführkühler weist doppelflutige Kühlrohre auf, welche in einflutige Anschlussstutzen einmünden. Durch die Aufteilung des Abgasstroms auf zwei Kühlrohre wird die Wärmeübertrageroberfläche vergrößert und damit die Kühlleistung erhöht. Die zudem über Kühlrippen miteinander verbundenen, doppelflutigen Kühlrohre sind dreifach U-förmig gewunden.
-
In der
DE 10 2007 054 913 A1 wird ein Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem oder mehreren von einem Fluid durchströmten Strömungskanälen beschrieben. Die in einem Strangpressprofil vorgesehenen Strömungskanäle weisen zumindest abschnittsweise einen gekrümmten Verlauf auf, um die Wärmeübertragerleistung zu erhöhen. Nach einer Ausgestaltung des Wärmeübertragers sind die Strangpressprofile U-förmig gekrümmt. Die Außenwände der Strangpressprofile werden von einem Kühlmittel umströmt, während an der Innenwand das Abgas entlangströmt.
-
In der
DE 10 2008 024 569 A1 wird ein Abgaskühler, welcher ein Gehäuse mit einem Bypasskanal und einem Kühlbereich aufweist, offenbart. Im Kühlbereich ist ein Abgaskühlkanal angeordnet, welcher aus geraden Kühlrohren und Umlenkkammern ausgebildet ist. Das Gehäuse umfasst ein Stellelement zur Steuerung des Abgasstromes entweder durch den Bypasskanal oder durch den Kühlbereich. Der Abgasstrom wird beim Durchströmen des Kühlbereichs mehrfach umgelenkt, wobei der Abgaskühlkanal einen Eintrittskühlkanal, einen sich daran anschließenden Umlenkkanal und einen sich an den Umlenkkanal anschließenden Austrittskühlkanal aufweist. Der Abgasstrom strömt dabei im Umlenkkanal entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Eintritts- oder Austrittskühlkanals. Der zu kühlende Abgasstrom wird infolge der Umlenkungen mindestens viermal durch den Kühlbereich des Gehäuses geleitet. Die Kühlrohre werden vom Kühlmittel umströmt, während das Abgas durch die Kühlrohre strömt.
-
Die aus dem Stand der Technik bekannten Abgasrückführ-Systeme umfassen Gas-/Gas- und Gas-/Wasser-Wärmeübertrager, wobei die Gas-/Wasser-Wärmeübertrager insbesondere als Rohrbündel-Wärmeübertrager ausgebildet sind, welche wiederum entweder als reine I-durchströmte oder als U-durchströmte Abgas-Wärmeübertrager ausgestaltet sind. Die reinen I-durchströmten Wärmeübetrager weisen mit der Anordnung des Gas-Einlasses und des Gas-Auslasses auf einer Linie abgasseitig geringe Druckverlustwerte bei allerdings geringer Kühlleistung auf. Bei den U-durchströmten Abgas-Wärmeübertragern sind der Gas-Einlass und der Gas-Auslass auf einer Seite des Wärmeübertragers angeordnet. Aufgrund des Überströmens des Abgases aus den Rohren in Umlenkkammern und dem anschließenden Strömen in die Rohre treten bei guter Kühlleistung abgasseitig jedoch hohe Druckverluste auf.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen bereitzustellen, welcher bei hohem thermischen Wirkungsgrad eine hohe Kühlleistung bei gleichzeitig geringem Druckverlust des Abgases aufweist. Der Wärmeübertrager soll durch eine kompakte Bauart zudem platzsparend sein und eine möglichst große Anzahl von Konstruktions-Freiheitsgeraden, wie vielfältige Kühlmittelanschluss-Möglichkeiten sowie flexible gasseitige Anschlussrichtungen der Ein- und Auslassseiten des Abgases, ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmeübertrager zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen aus parallel zueinander angeordneten Wärmeübertragerrohren ausgebildeten Strömungskanal sowie ein Gehäuse mit einer Gehäusewandung und Rohrböden gelöst. Der Strömungskanal wird von dem zu kühlenden Abgas durchströmt und von einem flüssigen Kühlmittel umströmt. Die Gehäusewandung umschließt und begrenzt in Verbindung mit den Rohrböden einen Strömungsraum für das Kühlmittel vollständig.
-
Nach der Konzeption der Erfindung weisen die zu einem Rohrbündel angeordneten Wärmeübertragerrohre gerade Abschnitte und Umlenkbereiche auf, welche in Strömungsrichtung bevorzugt aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der Wärmeübertrager ist dabei mit mindestens zwei Umlenkbereichen der Wärmeübertragerrohre ausgebildet.
-
Erfindungsgemäß überstreichen die Wärmeübertragerrohre in den Umlenkbereichen jeweils einen Winkel von mindestens 90°. Die Enden der Wärmeübertragerrohre sind in den Umlenkbereichen somit mindestens um 90° versetzt zueinander ausgerichtet. Die in Strömungsrichtung vor und nach einem Umlenkbereich angeordneten geraden Rohrabschnitte sind dann ebenfalls in einem Winkel von mindestens 90° aber höchstens 180° zueinander angeordnet.
-
Über die Anzahl der Umlenkbereiche der Wärmeübertragerrohre wird einerseits die Gängigkeit des Wärmeübertragers und andererseits die relative Anordnung des Abgaseinlasses zum Abgasauslass beziehungsweise der Strömungsrichtungen des Abgases durch den Abgaseinlass zum Abgasauslass variierbar.
-
Mit der Ausbildung von Umlenkbereichen mit einem von den Wärmeübertragerrohren zu überstreichenden Winkel von 180° lassen sich je nach Anzahl der Umlenkungen mehrgängige Wärmeübertrager realisieren. Die Ausbildung des Wärmeübertragers mit einer Umlenkung bewirkt beispielsweise eine U-Strömung des Abgases, während zwei Umlenkungen zu einer S-Strömung und drei Umlenkungen zu einer W-Strömung führen.
-
Nach bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind die geraden Abschnitte und die Umlenkbereiche der Wärmeübertragerrohre derart zueinander angeordnet, dass jedes Wärmeübertragerrohr S-förmig oder W-förmig ausgebildet ist.
-
Die Vergrößerung der Anzahl der Strömungsgänge auf möglichst kleinem Raum führt vorteilhaft zu einem sehr kompakten Wärmeübertrager mit hoher Packungsdichte und besserer Wärmeübertragung vom Abgas an das Kühlmittel. Der Abgaseinlass und der Abgasauslass sind jeweils an einer gemeinsamen Seite oder an gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragers angeordnet.
-
Über eine Kombination der Umlenkbereiche mit einem von den Wärmeübertragerrohren zu überstreichenden Winkel von 180° und von 90° kann die relative Anordnung des Abgaseinlasses zum Abgasauslass verändert werden. Die Ausrichtung von Abgaseinlass und Abgasauslass, insbesondere relativ zueinander, ist mit großer Flexibilität möglich.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Wärmeübertragerrohre aus einem metallischen Werkstoff, bevorzugt Edelstahl, auszubilden. Die Wärmeübertragerrohre führen als durchgehend, vorteilhaft mehrfach gebogen ausgebildete Rohre das Abgas vom Abgaseinlass zum Abgasauslass des Wärmeübertragers. Die Führung des Abgases in durchgängigen, stetigen oder nicht unterbrochenen Rohren bewirkt einen minimalen Druckverlust innerhalb der Abgasströmung. Zudem sind die Umlenkbereiche der Wärmeübertragerrohre zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel nutzbar, da das Kühlmittel die Wärmeübertragerrohre auch in den Umlenkbereichen umströmt, was eine optimale Ausnutzung der Wärmeübertragungsfläche und des dem Wärmeübertrager zur Verfügung stehenden Raumes zur Folge hat.
-
Anstelle der Biegung als Verformung können die Rohre alternativ auch aus verschieden geformten Rohrstücken zusammengesetzt, bevorzugt geschweißt oder gelötet, sein. Dabei folgt einem gerade ausgebildeten Rohrstück ein Rohrelement, welches um eine senkrecht zur Längsachse des Rohres ausgerichtete Achse in einem Bogen verformt ist. Rohranfang und Rohrende des gebogenen Rohrelementes stehen in einem Winkel von mindestens 90° zueinander.
-
Mechanische Verbindungen der Wärmeübertragerrohre zu weiteren Komponenten des Wärmeübertragers, wie den Rohrböden, sind bevorzugt ebenfalls gelötet oder geschweißt ausgebildet.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Wärmeübertragerrohre eine profilierte Außenwandung auf, um einerseits die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern sowie andererseits die Strömung des Kühlmittels zu beeinflussen und damit den Wärmeübergang zu verbessern. Die Außenwandung ist dabei nach einer ersten Alternative mit einer Oberfläche mit einer spiralförmig um die Längsachse gewundenen Nut ausgebildet, welche entweder eine konstante oder eine sich verringernde Steigung aufweist. Die Steigung ist im zweiten Fall der ersten Alternative folglich nicht konstant. Nach einer zweiten Alternative ist die Außenwandung der Wärmeübertragerrohre mit einer Oberfläche mit einer gekreuzten, doppelten oder dreifachen Schraubenlinie beziehungsweise Helix ausgebildet.
-
Die Ausbildung der Außenwandung mit einer gerippten Oberfläche stellt eine dritte Alternative dar. Die Rippen können dabei senkrecht zur Längsachse des Wärmeübertragerrohres oder in einem Winkel, welcher von 90° zur Längsachse des Wärmeübertragerrohres abweicht, angeordnet sein. Dabei kann zusätzlich der Abstand der Rippen konstant sein oder variieren. Nach einer vierten Alternative sind auf der Oberfläche der Außenwandung der Wärmeübertragerrohre Vertiefungen beziehungsweise Sicken ausgebildet. Bei allen Alternativen der Ausbildung der Oberfläche der Außenwandung ist der Außendurchmesser des Wärmeübertragerrohres bevorzugt konstant. Der Außendurchmesser kann aber in Strömungsrichtung des Abgases oder des Kühlmittels jedoch auch größer oder kleiner werden. Der Außendurchmesser ist in diesem Fall nicht konstant.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Wärmeübertragerrohre entweder als Flachrohre mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt oder als Rundrohre mit einem im Wesentlichen runden Querschnitt ausgebildet. Der Querschnitt der Flachrohre kann dabei an den Grenzlinien der Seitenflächen bevorzugt rechtwinklig, abgerundet oder abgeschrägt ausgebildet sein.
-
Der Querschnitt der Rundrohre weist vorteilhaft einen konstanten Innenradius auf. Alternativ kann der Querschnitt beispielsweise auch oval ausgebildet sein.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass der Wärmeübertrager mit parallel zueinander angeordneten Bypass-Rohren zum Vorbeileiten von ungekühltem Abgas am Bereich des gekühlten Strömungskanals ausgebildet ist. Die Bypass-Rohre sind zu den Wärmeübertragerrohren strömungstechnisch parallel geschaltet. Wenn keine Kühlung der Abgase erwünscht oder erforderlich ist, wie zum Beispiel beim Starten des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges, wird das durch den Abgaseinlass in den Wärmeübertrager eingeleitete Abgas nicht durch die Wärmeübertragerrohre, sondern durch die Bypass-Rohre und damit an den Wärmeübertragerrohren vorbeigeführt. Der Abgaseinlass weist dabei vorteilhaft einen Abgaseinlass-Adapter mit zwei Öffnungen auf, wobei die erste Öffnung den Abgaseinlass für das Einleiten des Abgases in den Wärmeübertrager beziehungsweise die Wärmeübertragerrohre und die zweite Öffnung den Abgaseinlass für das Einleiten des Abgases in die Bypass-Rohre darstellt. Die Trennung des Abgasmassestromes und dessen Leitung in die Wärmeübertragerrohre oder Bypass-Rohre kann auch innerhalb des Wärmeübertragers, das heißt nach dem Eintritt in den Wärmeübertrager, erfolgen.
-
Der Abgasmassestrom kann dabei vorteilhaft auch anteilig sowohl durch die Wärmeübertragerrohre als auch die Bypass-Rohre geleitet werden. Vor dem Austritt des Abgases aus dem Wärmeübertrager durch den Abgasauslass, welcher bevorzugt lediglich eine Öffnung aufweist, werden die Abgasmasseteilströme wieder vermischt und der Abgasmassestrom aus dem Wärmeübertrager ausgeleitet.
-
Die Bypass-Rohre sind vorteilhaft thermisch isoliert ausgebildet.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager mit Kühlmittelleitelementen zur Führung des Kühlmittels ausgebildet. Die Kühlmittelleitelemente unterteilen den Strömungsbereich des Kühlmittels in Gänge und leiten das Kühlmittel an der Außenwandung der Wärmeübertragerrohre von einem Kühlmitteleinlass bis zu einem Kühlmittelauslass. Die Kühlmittelleitelemente sind dabei derart mit den Rohrböden dicht verbunden und lenken das Kühlmittel an den Stirnseiten des Wärmeübertragers um, dass Kurzschlussströme im Sinne von Querströmungen verhindert werden. Zudem stützen die bevorzugt als Bleche ausgebildeten Kühlmittelleitelemente vorteilhaft die Wärmeübertragerrohre, leiten das Kühlmittel auf bestimmte Bereiche der Wärmeübertragerrohre und verändern bei Bedarf die Strömungsform des Kühlmittels, um den Wärmeübergang zusätzlich zu beeinflussen.
-
Der hocheffiziente Abgaskühler, insbesondere zur Reduktion von schädlichen Emissionen bei mit Benzin betriebenen Motoren und Dieselmotoren sowie zur Effizienzsteigerung bei mit Benzin betriebenen Motoren, ist mit einer hohen Kühlleistung bei gleichzeitig geringem Druckverlust betreibbar. Die erfindungsgemäße Lösung weist weitere diverse Vorteile auf:
- – kleinere Dimensionierung von oder gar Verzicht auf alternative Stickoxid-Reduktionsmaßnahmen bei dieselkraftstoffbetriebenen Fahrzeugen beziehungsweise Verbrauchsminderungsmaßnahmen bei mit Benzin betriebenen Fahrzeugen, damit
- – Verringerung des Fahrzeuggewichtes,
- – maximaler thermischer Wirkungsgrad bei kompaktem Bauraum beziehungsweise maximale Kühlleistung bei minimalem Platzbedarf,
- – große Anzahl von Konstruktions-Freiheitsgeraden, wie flexible gasseitige Anschlussrichtungen der Ein- und Auslassseiten des Abgases sowie der Kühlmittelanschlüsse,
außerdem - – Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und
- – Vergrößerung der Reduktion der Stickoxide im Abgas.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1a: Abgas-Wärmeübertrager mit Gehäusewandung in perspektivischer Ansicht,
-
1b: Abgas-Wärmeübertrager ohne Gehäusewandung in perspektivischer Ansicht,
-
2: Abgas-Wärmeübertrager mit 20 S-förmig gebogenen Flachrohren in Explosionsdarstellung,
-
3a: Rohrbündel aus 20 S-gebogenen Flachrohren in perspektivischer Ansicht,
-
3b: Rohrbündel aus 20 S-gebogenen Flachrohren in Seitenansicht,
-
4a: Rohrbündel aus 23 S-gebogenen Rundrohren in perspektivischer Ansicht,
-
4b: Rohrbündel aus 23 S-gebogenen Rundrohren in Seitenansicht,
-
5a bis 5f: Wärmeübertragerrohre mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen sowie
-
6a bis 6d: Schaltungsvarianten der Wärmeübertragerrohre innerhalb des Rohrbündels.
-
In den 1a und 1b wird der Wärmeübertrager 1 zur Abgaskühlung mit einem Abgaseinlass 2 und einem Abgasauslass 3, jeweils in perspektivischer Ansicht dargestellt. 1b zeigt dabei eine Ansicht des Wärmeübertragers 1 ohne Gehäusewandung 4 mit Darstellung der S-förmig gebogenen Wärmeübertragerrohre 7.
-
Das abzukühlende Abgas strömt durch die Wärmeübertragerrohre 7, während das die Wärme aufnehmende Kühlmittel im Zwischenraum um die Wärmeübertragerrohre 7 sowie im Zwischenraum zwischen den Wärmeübertragerrohren 7 und der Gehäusewandung 4 strömt. Das Kühlmittel wird dem Wärmeübertrager 1 über den Kühlmitteleinlass 17 zugeführt. Die Kühlmitteleinlassrohre sind nicht dargestellt.
-
Die in einem Rohrbündel angeordneten Wärmeübertragerrohre 7 erstrecken sich vom Abgaseinlass 2 ohne Unterbrechung bis zum Abgasauslass 3. Das Rohrbündel wird in seiner Längsausdehnung von der Gehäusewandung 4 vollständig umschlossen. Die offenen Enden der Wärmeübertragerrohre 7 sind dabei einerseits zum Abgaseinlass-Adapter 5 sowie andererseits zum Abgasauslass-Adapter 10 hin ausgerichtet. Die Enden der Rohre sind in Längsrichtung L, in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet und auf unterschiedlichen Ebenen in Bezug auf die Höhe H und die Breite B des Wärmeübertragers 1 angeordnet.
-
Der Abgaseinlass-Adapter 5 ist über einen Abgaseinlass-Flansch 6 mit der Gehäusewandung 4 verbunden und bildet damit den Abschluss des Wärmeübertragers 1 an der ersten Stirnseite. Als Stirnseiten werden dabei die Abschlussseiten des Wärmeübertragers 1 in Längsrichtung L bezeichnet. Die zweite Stirnseite ist mittels des Abgasauslass-Adapters 10 verschlossen. Der Abgaseinlass-Adapter 5 weist zwei Abgaseinlässe 5a, 5b auf. Der durch den ersten Abgaseinlass 5a in Strömungsrichtung 14a in den Wärmeübertrager 1 eintretende Abgasmassestrom wird durch einen Diffusor geleitet und anschließend auf die Wärmeübertragerrohre 7 aufgeteilt. Nach dem alternativen Einleiten des Abgasmassestroms in Strömungsrichtung 14b durch den zweiten Abgaseinlass 5b strömt das Abgas durch Bypass-Rohre 8 zum Abgasauslass 3 ohne temperiert, das heißt abgekühlt, zu werden. Die Wärmeübertragerrohre 7 werden dabei nicht beaufschlagt.
-
Durch eine nichtdargestellte Steuerung kann der Abgasmassestrom vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager 1 auf die Abgaseinlässe 5a, 5b aufgeteilt werden, um einen ersten Teil des Abgasmassestromes durch die Wärmeübertragerrohre 7 zu leiten und dabei abzukühlen, während der zweite Teil des Abgasmassestromes durch die Bypass-Rohre 8 geführt und nicht gekühlt wird. Die Abgasmasseteilströme mit unterschiedlichen Temperaturen werden am Abgasauslass 3 wieder vermischt und treten durch den Abgasauslass-Adapter 10 in Strömungsrichtung 14c aus dem Wärmeübertrager 1 aus. Die Bypass-Rohre 8 sind thermisch isoliert ausgebildet, um die Wärmeübertragung mit der Umgebung und damit dem um die Wärmeübertragerrohre 7 strömenden Kühlmittel zu minimieren oder zu verhindern.
-
Das in Längserstreckung der Wärmeübertragerrohre 7 um die Wärmeübertragerrohre 7 geleitete Kühlmittel wird mittels Kühlmittelleitelementen 11 geführt. Die als Bleche ausgebildeten Kühlmittelleitelemente 11 trennen die Strömungsräume um die Wärmeübertragerrohre 7 in drei unterschiedliche Gänge und lenken das Kühlmittel an den Stirnseiten des Wärmeübertragers 1 um, sodass das Kühlmittel auch in den Umlenkbereichen 12, 13 um die Wärmeübertragerrohre 7 strömt und Wärme vom Abgas beziehungsweise der Oberfläche der Wärmeübertragerrohre 7 an das Kühlmittel übertragen wird.
-
An den Stirnseiten werden die Gänge zum Durchleiten des Kühlmittels durch Rohrböden 9 begrenzt. Eines der Kühlmittelleitelemente 11 liegt dabei beispielsweise am Auslass-Rohrboden 9 an und dichtet den Übergang vom ersten in den zweiten Strömungsgang des Kühlmittels, das heißt den ersten Umlenkbereich 12, gegenüber dem dritten Strömungsgang ab, um Kurzschlussströme des Kühlmittels zu verhindern und damit einen optimalen Wärmeübergang zu erzielen.
-
In 2 ist der Wärmeübertrager 1 zur Abgaskühlung in Explosionsdarstellung gezeigt, wobei die Ausführungsform ein Rohrbündel aus 20 S-förmig gebogenen Flachrohren umfasst.
-
Das Abgas wird durch den Abgaseinlass-Adapter 5 beziehungsweise die Abgaseinlässe 5a, 5b in den Wärmeübertrager 1 eingeleitet, durchquert die Wärmeübertragerrohre 7 oder die Bypass-Rohre 8 und verlässt den Wärmeübertrager 1 durch den Abgasauslass-Adapter 10. Die Wärmeübertragerrohre 7 sowie die Bypass-Rohre 8 sind jeweils mit ihren Enden in den Rohrböden 9, 15, das heißt an den Stirnseiten des Wärmeübertragers 1, gehaltert. Dabei sind die Wärmeübertragerrohre 7 und die Bypass-Rohre 8 sowohl mit dem Auslass-Rohrboden 9 als auch mit dem Einlass-Rohrboden 15 verschweißt.
-
Die Kühlmittelleitelemente 11 sind in ihrer Form der Ausbildung des Rohrbündels angepasst und unterteilen den Strömungsraum des Kühlmittels in drei Gänge. Die Gänge werden somit von der Gehäusewandung 4, den Kühlmittelleitelementen 11 sowie den Rohrböden 9, 15 begrenzt. Innerhalb der Gänge sind die Wärmeübertragerrohre 7 angeordnet, sodass das Kühlmittel in den Gängen, auf der Außenseite der Wärmeübertragerrohre 7 entlang strömt und Wärme aufnimmt. Die Kühlmittelleitelemente 11 sind als Bleche mit abgerundeten Schmalseiten, das heißt um eine 90° quer zur Längsrichtung L beziehungsweise in Richtung der Breite B angeordnete Achse gebogen, ausgebildet. Die Schmalseiten entsprechen in ihrer Form den jeweiligen Umlenkungen der durchgehend ausgebildeten Wärmeübertragerrohre 7, sodass das Kühlmittel in den Umlenkbereichen 12, 13 ohne zusätzliche Strömungsverluste in der Strömungsrichtung umgelenkt wird. An den Berührungskanten sind die bevorzugt aus Edelstahl oder Aluminium ausgebildeten Kühlmittelleitelemente 11 mit den Rohrböden 9, 15 dicht verbunden. Die dichte Verbindung wird beispielsweise mechanisch, wie durch Schweißen oder Löten, oder mittels einer zusätzlichen Dichtung sichergestellt. Eine flexible Dichtung ist dabei als Gummilippe oder aus Silikon ausgebildet.
-
Die mit den Rohrböden 9, 15 fest verbundenen Wärmeübertragerrohre 7 und Bypass-Rohre 8 werden bei der Montage des Wärmeübertragers 1 nach Befestigung der Kühlmittelleitelemente 11 in den Zwischenräumen der umgebogenen Wärmeübertragerrohre 7 mit dem Einlass-Rohrboden 15 voran in die Gehäusewandung 4 eingeführt. Der Auslass-Rohrboden 9 ist mit einer Kante ausgebildet, welche die Gehäusewandung 4 über den vollen Umfang umschließt. Die Kante liegt nach der Montage außen an der Gehäusewandung 4 an. An der Kante werden der Auslass-Rohrboden 9 und die Gehäusewandung 4 fluiddicht miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer mechanischen Verbindung, wie Schweißen oder Löten, und das Gehäuse verschlossen.
-
An der Stirnseite des Abgaseinlasses 2 ist der Abgaseinlass-Flansch 6 mit der Gehäusewandung 4 fest verbunden angeordnet. Der Abgaseinlass-Flansch 6 kann dabei mit der Gehäusewandung 4 verschweißt oder verlötet sein. Nach der Montage des Rohrbündels mit den Rohrböden 9, 15 liegt der Einlass-Rohrboden 15 am Abgaseinlass-Flansch 6 an. Der Abgaseinlass-Adapter 5 wird mit dem Abgaseinlass-Flansch 6 fest verbunden, zum Beispiel verschraubt. Zwischen dem Abgaseinlass-Adapter 5 und dem Abgaseinlass-Flansch 6 ist eine nicht dargestellte Dichtung angeordnet. Der Abgasauslass-Adapter 10 wird an der der Stirnseite des Abgaseinlasses 2 in Längsrichtung L gegenüberliegend angeordneten Stirnseite des Abgasauslasses 3 befestigt. Dabei deckt der mit einem Diffusor ausgebildete Abgasauslass-Adapter 10 die Öffnungen der Wärmeübertragerrohre 7 und der Bypass-Rohre 8 vollständig ab.
-
Das Kühlmittel wird über den Kühlmitteleinlass 17 an der Stirnseite des Abgaseinlasses 2 in den Wärmeübertrager 1 eingeleitet und strömt in gleicher Strömungsrichtung 14a, wie das Abgas, durch den Wärmeübertrager 1. Der Wärmeübertrager 1 ist folglich als Gleichstrom-Wärmeübertrager ausgebildet. Je nach Schaltung der Kühlmittelanschlüsse 16, 17 kann der Wärmeübertrager 1 auch als Gegenstrom-Wärmeübertrager betrieben werden. Das Kühlmittel strömt in den Zwischenräumen der Wärmeübertragerrohre 7 und der Gehäusewandung 4 sowie der Kühlmittelleitelemente 11 bis zum Kühlmittelauslass 16. Der Kühlmittelauslass 16 ist seitlich an der Gehäusewandung 4 angeordnet.
-
Den 3a, 3b, 4a und 4b sind die Rohrbündel aus 20 S-gebogenen Flachrohren sowie aus 23 S-gebogenen Rundrohren in Einzeldarstellung zu entnehmen. Die 3a und 3b zeigen das Rohrbündel aus 20 S-gebogenen Flachrohren in perspektivischer und in Seitenansicht. In den 4a und 4b ist das Rohrbündel aus 23 S-gebogenen Rundrohren in perspektivischer und in Seitenansicht dargestellt.
-
Die Wärmeübertragerrohre 7 sind über der gesamten Länge jeweils parallel zueinander angeordnet. An den Enden, das heißt im montierten Zustand an den Stirnseiten des Wärmeübertragers 1, sind die Wärmeübertragerrohre 7 jeweils fluchtend ausgerichtet. Die Enden der Wärmeübertragerrohre 7 stehen dabei derart gegenüber den jeweils benachbart angeordneten Umlenkungen 12, 13 über, dass die Enden mit den im Wesentlichen eben und gerade ausgebildeten Rohrböden 9, 15 verbindbar sind und ein Zwischenraum zwischen den Scheiteln der Umlenkungen 12, 13 der Wärmeübertragerrohre 7 und den Rohrböden 9, 15 verbleibt, wobei die Zwischenräume einen Teil des Strömungsraums des Kühlmittels bilden.
-
Wie in 3a gezeigt, sind die Flachrohre sowohl in Richtung der Breite B als auch der Höhe H gleichmäßig beabstandet nebeneinander und übereinander angeordnet. Dabei ergibt sich eine 5×4-Matrix mit fünf Wärmeübertragerrohren 7 in der Breite B und vier Wärmeübertragerrohren 7 in der Höhe H. Im Gegensatz zum Rohrbündel aus den Flachrohren sind die Wärmeübertragerrohre 7 beim Rohrbündel aus den Rundrohren nach 4a in vertikaler Richtung, das heißt in Richtung der Höhe H, versetzt zueinander ausgerichtet. Dabei sind die Wärmeübertragerrohre 7 in drei horizontalen Ebenen angeordnet, welche von der Breite B und der Länge L aufgespannt werden. Die in vertikaler Richtung außen positionierten Ebenen weisen jeweils acht Wärmeübertragerrohre 7 auf, während in der Zwischenebene, welche zwischen den äußeren Ebenen positioniert ist, sieben Rundrohre angeordnet sind. Die Wärmeübertragerrohre 7 sind als Glattrohre ausgebildet, können alternativ aber auch mit Oberflächenstrukturen versehen sein.
-
Die 5a bis 5f zeigen verschiedene Oberflächenstrukturen der Wärmeübertragerrohre 7 zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche. Die Strukturen können zudem die Strömung des über die Oberfläche strömenden Kühlmittels gezielt beeinflussen. Aus den 5a und 5b gehen Oberflächen mit einer spiralförmig um die Längsachse gewundenen Nut beziehungsweise Einkerbung hervor. Während sich beim Wärmeübertragerrohr 7 nach 5a der Außendurchmesser stetig verändert und die Steigung der Nut konstant bleibt, ändert sich bei der Struktur nach 5b die Steigung der Nut und der Außendurchmesser bleibt konstant.
-
Die Oberflächen der Wärmeübertragerrohre 7 nach 5c und 5d weisen Schraubenlinien beziehungsweise Helix auf. Die Schraubenlinien sind dabei entweder als gekreuzte, doppelte oder dreifach Helix ausgebildet.
-
Alternativ können die Wärmeübertragerrohre 7 auch eine gerippte Oberfläche nach 5e oder eine Oberfläche mit Sicken beziehungsweise Vertiefungen nach 5f aufweisen.
-
Neben den in den 1b bis 4b dargestellten S-förmig gebogenen Wärmeübertragerrohren 7 innerhalb eines Wärmeübertragers 1 mit in Längsrichtung L einander gegenüberliegend angeordneten Abgaseinlass 2 und Abgasauslass 3 beziehungsweise Rohrenden sind in den 6a bis 6d weitere Schaltungsvarianten der Wärmeübertragerrohre 7 oder Rohrbündel innerhalb des Wärmeübertragers 1 aufgezeigt. Die S-förmig gebogenen Wärmeübertragerrohre 7 der 1b bis 4b weisen einen ersten geradlinigen Abschnitt mit einem sich daran anschließenden ersten Umlenkbereich 12 auf, in welchem das Abgas beim Durchströmen der Wärmeübertragerrohre 7 um 180° umgelenkt wird. An den ersten Umlenkbereich 12 schließt sich ein weiterer geradliniger Abschnitt und daran der zweite Umlenkbereich 13 an. Da beide Umlenkbereiche 12, 13 jeweils eine Umlenkung der Abgasströmung von 180° bewirken, strömt das Abgas in der gleichen Richtung, das heißt in Längsrichtung L in den Wärmeübertrager 1 ein und wieder aus. Nach dem zweiten Umlenkbereich 13 strömt das Abgas durch geradlinig ausgebildete Wärmeübertragerrohre 7 zum Abgasauslass 3.
-
Nach 6a ist der zweite Umlenkbereich 13 derart ausgebildet, dass der Abgasmassestrom lediglich um 90° umgelenkt wird. Das Abgas strömt dann nach einer ersten Umlenkung um 180° und einer zweiten Umlenkung um 90° in einer Strömungsrichtung aus dem Wärmeübertrager 1 aus, welche einen Winkel von 90° zur Strömungsrichtung des in den Wärmeübertrager 1 einströmenden Abgases aufweist. Das durch den Kühlmitteleinlass 17 eingeleitete Kühlmittel strömt im Wesentlichen im Gegenstrom zum Abgas durch den Wärmeübertrager 1 und durch den Kühlmittelauslass 16 wieder aus.
-
In der Schaltungsvariante nach 6b schließt sich an den dritten geradlinig ausgebildeten Abschnitt der Wärmeübertragerrohre 7 ein dritter Umlenkbereich 18 an. Im dritten Umlenkbereich 18 erfährt der Abgasmassestrom eine Umlenkung um 90°. Das Abgas strömt nach einer ersten sowie einer zweiten Umlenkung um jeweils 180° und der dritten Umlenkung um 90° in einer Strömungsrichtung aus dem Wärmeübertrager 1 aus, welche ebenfalls einen Winkel von 90° zur Strömungsrichtung des in den Wärmeübertrager 1 einströmenden Abgases aufweist.
-
Mittels der Ausgestaltung des dritten Umlenkbereiches 18 zur Umlenkung des Abgasmassestroms um 180°, wie in 6c gezeigt, tritt das Abgas auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers 7 durch den Abgaseinlass 2 ein und durch den Abgasauslass 3 wieder aus. Allerdings erfährt das Abgas nicht nur eine einzige Umlenkung um 180°, sondern wird durch die W-förmig gebogenen Wärmeübertragerrohre 7 mehrfach umgelenkt.
-
Die Ausführungsformen der Wärmeübertragerrohre 7 und damit des Rohrbündels sind sehr variabel. In 6d sind beispielsweise Wärmeübertragerrohre 7 mit fünf Umlenkbereichen 12, 13, 18 von jeweils 180° dargestellt, welche jeweils über geradlinige Abschnitte miteinander verbunden sind.
-
Über die Anzahl der Umlenkbereiche 12, 13, 18 und den jeweils zu überstreichenden Winkel der Umlenkbereiche 12, 13, 18 wird festgelegt, in welchem Winkel zueinander das Abgas in den Wärmeübertrager 1 einströmt und ausströmt oder der Abgaseinlass 2 und der Abgasauslass zueinander ausgerichtet sind.
-
Durch die Strömungsrichtung des Kühlmittels wird festgelegt, ob der Wärmeübertrager 7 im Gegenstrom oder im Gleichstrom betrieben wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Abgaseinlass
- 3
- Abgasauslass
- 4
- Gehäusewandung
- 5
- Abgaseinlass-Adapter
- 5a
- Abgaseinlass Wärmeübertrager
- 5b
- Abgaseinlass Bypass
- 6
- Abgaseinlass-Flansch
- 7
- Wärmeübertragerrohre
- 8
- Bypass-Rohre
- 9
- Rohrboden, Auslass-Rohrboden
- 10
- Abgasauslass-Adapter
- 11
- Kühlmittelleitelement
- 12
- erster Umlenkbereich, Umlenkung
- 13
- zweiter Umlenkbereich, Umlenkung
- 14a
- Strömungsrichtung des Abgases am Abgaseinlass 5a
- 14b
- Strömungsrichtung des Abgases am Abgaseinlass 5b
- 14c
- Strömungsrichtung des Abgases am Abgasauslass-Adapter 10
- 15
- Rohrboden, Einlass-Rohrboden
- 16
- Kühlmittelanschluss, Kühlmittelauslass
- 17
- Kühlmittelanschluss, Kühlmitteleinlass
- 18
- dritter Umlenkbereich
- L
- Längsrichtung, Länge
- B
- Breite
- H
- Höhe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007054953 A1 [0007]
- DE 102007054913 A1 [0008]
- DE 102008024569 A1 [0009]
