DE102014008923A1

DE102014008923A1 - Abgasrückführungskühler

Info

Publication number: DE102014008923A1
Application number: DE102014008923.1A
Authority: DE
Inventors: Heiko Wingart
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasrückführungskühler (1) mit einem Rohrpaket (2) bestehend aus einem Heißbündel (5) aus Rohren (3) für die Abgaseinströmung (4) und einem Kaltbündel (7) aus Rohren (3) für die Abgasausströmung (6), wobei die Rohre (3) des Heißbündels (5) mit den Rohren (3) des Kaltbündels (7) über ein Verbindungsteil (8) verbunden sind und eine Gesamtquerschnittsfläche (GH) der Rohre (3) des Heißbündels (5) größer ist als eine Gesamtquerschnittsfläche (GK) der Rohre (3) des Kaltbündels (7).

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasrückführungskühler mit einem Rohrpaket bestehend aus einem Heißbündel aus von Abgas durchströmten Rohren für die Abgaseinströmung und einem nachgeschalteten Kaltbündel aus von Abgas durchströmten Rohren für die Abgasausströmung, wobei die Rohre des Heißbündels mit den Rohren des Kaltbündels über ein Verbindungsteil verbunden sind.
Abgasrückführung (AGR) wird in Verbrennungsmotoren insbesondere zur Reduktion der Stickoxidemission eingesetzt. Bei Dieselmotoren ist die Abgasrückführung beispielsweise eine der wichtigsten Maßnahmen zur Senkung der Stickoxidemissionen.
Zur weiteren Verringerung der Temperatur der rückgeführten Abgase werden Abgasrückführungskühler eingesetzt, welche das rückzuführende Abgas vor einem Wiedereintritt in den Brennraum kühlen. Durch die Temperaturreduktion können höhere AGR-Raten erreicht werden. Nachteilig ist jedoch, dass sich durch das Abkühlen des heißen Abgases im Abgasrückführungskühler und durch das dadurch hervorgerufene Kondensieren von Wasser das Volumen des Abgases verringert und die Dichte erhöht, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases abnehmen kann. Dies kann sich negativ auf die Lebensdauer des Abgasrückführungskühlers auswirken, da durch eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit die Verschmutzung, z. B. die Versottung, verstärkt werden kann, für die Abgasrückführungskühler anfällig sind. Ebenfalls negativ auf die Lebensdauer von AGR-Kühlern können sich zu große Spannungen aufgrund der Temperaturunterschiede innerhalb des AGR-Kühlers auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Abgasrückführungskühler mit einer verlängerten Lebensdauer bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird ein Angleichen der Rohrdurchmesser an die temperaturbedingte Volumen- bzw. Dichteänderung des sich abkühlenden Abgases gelöst, wodurch eine Verbesserung der Strömungseigenschaften des Abgases innerhalb des Abgasrückführungskühlers erreicht wird.
Die Erfindung betrifft somit einen Abgasrückführungskühler mit einem Rohrpaket bestehend aus einem Heißbündel aus Rohren für die Abgaseinströmung und einem Kaltbündel aus Rohren für die Abgasausströmung, wobei die Rohre des Heißbündels mit den Rohren des Kaltbündels über ein Verbindungsteil in einem Strömungsweg verbunden sind und eine Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Heißbündels größer ist als eine Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Kaltbündels.
Innerhalb des Abgasrückführungskühlers wird das Abgas durch ein Rohrsystem geleitet, welches auch als Rohrpaket oder als Core bezeichnet wird. Mit Heißbündel wird die Gesamtheit aller Rohre dieses Rohrsystems bezeichnet, die das einströmende Abgas führen. Entsprechend wird die Gesamtheit aller Rohre des Rohrsystems, die das ausströmende Abgas führen, Kaltbündel genannt.
Unter der Gesamtquerschnittsfläche mehrerer Rohre wird die Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Rohre verstanden. Die Gesamtquerschnittsfläche des Heißbündels bzw. des Kaltbündels ergibt sich somit aus der Summe der Querschnittsflächen aller dem Heißbündel bzw. dem Kaltbündel zugeordneten Rohre des Rohrsystems.
Durch die erfindungsgemäße vergrößerung der Gesamtquerschnittsflächen der Abgas zuführenden Rohre, also des Heißbündels, im Verhältnis zu den Abgas abführenden Rohren, dem Kaltbündel, wird die Veränderung des Volumens des Abgases durch das Abkühlen kompensiert. Hierdurch können Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases zwischen dem Heißbündel und dem Kaltbündel verringert werden.
Eine Änderung des Querschnitts führt auch zu einer Änderung der Oberfläche der Rohre und damit zu einer Änderung der Größe der Wärmetauscherflächen. So wird mittels der erfindungsgemäßen Größenänderung des Rohrquerschnitts zwischen Heiß- und Kaltbündel auch eine Anpassung der Größe der Wärmetauscherflächen erreicht. Dies ermöglicht es, einen Abgasrückführungskühler mit einer möglichst gleichmäßigen spezifischen Wärmeleistung über die gesamte Länge der Rohre bereitzustellen. Die Materialbeanspruchung wird verringert und die Lebensdauer des Abgasrückführungskühlers erhöht.
Vorteilhafterweise ist die Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Heißbündels höchstens dreimal größer als die Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Kaltbündels.
Wird die Querschnittsfläche des Heißbündels im Verhältnis zur Querschnittsfläche des Kaltbündels zu sehr vergrößert, so führt dies zu einer Überkompensation des angestrebten Volumenausgleichs, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Rohrsystems des Abgasrückführungskühlers, insbesondere im Kaltbündel, nicht erhöht oder sogar verringert wird.
Vorteilhafterweise hat die Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Heißbündels zu der Gesamtquerschnittsfläche der Rohre des Kaltbündels ein Verhältnis von etwa 2/3 zu 1/3.
Das Verhältnis der Querschnittsflächen von etwa 2/3 zu 1/3 liefert deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten sowohl im Vergleich zu einem üblichen Verhältnis von 1 zu 1, als auch im Vergleich zu einem Verhältnis der Querschnittsflächen von 3/4 zu 1/4.
Vorteilhafterweise weist das Verbindungsmittel eine sich ändernde Gesamtquerschnittsfläche auf, wodurch eine besonders einfache Ausführung des Abgasrückführungskühlers ermöglicht wird. Das Verbindungsmittel kann beispielsweise einen Anschlussbereich an das Heißbündel mit einer der Gesamtquerschnittsfläche des Heißbündels entsprechenden Gesamtquerschnittsfläche und einen Anschlussbereich an das Kaltbündel mit einer der Gesamtquerschnittsfläche des Kaltbündels entsprechenden Gesamtquerschnittsfläche aufweisen.
Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel eine U-förmige Umlenkung oder gerade ausgebildet. Die Umlenkung kann beispielsweise ein im Wesentlichen U-förmiges Rohr oder auch ein im Wesentlichen U-förmiges Rohrpaket bzw. ein gerades Rohr oder Rohrpaket sein. Vorteil eines einzigen Rohres ist die einfache Wartung und Austauschbarkeit. Ein Rohrpaket, also eine Bündel von Rohren, bietet dahingegen bessere Kühleigenschaften, wenn zwischen den einzelnen Rohren Zwischenräume bestehen, in die Kühlmittel gelangen kann. Eine U-förmige Umlenkung ermöglicht eine einfache Anpassung der Querschnittsflächen und gleichzeitig eine kompakte Baugröße des Abgasrückführkühlers. Je nach räumlichen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der Position von Ein- und Auslass des Abgasrückführungskühlers, kann auch eine Anordnung von Heißbündel und Kaltbündel hintereinander bzw. in Reihe notwendig bzw. vorteilhafter sein. Diese kann durch ein gerades, also ein nicht gekrümmtes Verbindungsteil ermöglicht werden.
Vorteilhafterweise befindet sich das Rohrpaket in einem Gehäuse, das von einem Kühlmittel durchflutet wird. Zur Abkühlung wird das Rohrpaket des Abgasrückführungskühlers mit einem Kühlmittel umspült. Als Kühlmittel können beispielsweise Luft, Wasser, Alkohol, Öl oder Gemische aus Wasser und Alkohol eingesetzt werden. Je nach Kühlmittel und zur besseren Kontrolle des Kühlprozesses kann das Rohrpaket hierfür in einem Gehäuse angeordnet sein, welches mit dem Kühlmittel durchflutet wird.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Abgasrückführungskühlers mit einem Heißbündel, einem Kaltbündel und einer U-förmigen Umlenkung,
2 eine schematische Darstellung eines Abgasrückführungskühlers mit geradem Verlauf.
1 zeigt einen Abgasrückführungskühler 1, der beispielsweise in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) eingesetzt werden kann. Der Abgasrückführungskühler 1 weist ein Rohrpaket 2 auf, welches aus einer Vielzahl von einzelnen Rohren 3 besteht. Die Gesamtheit aller Rohre 3, welche einströmendes Abgas 4 aufnehmen und durch den Abgasrückführungskühler 1 leiten, bildet das Heißbündel 5. Alle Rohre 3, welche das ausströmende Gas 6 führen, bilden zusammen das Kaltbündel 7. Durch ein Verbindungsteil 8 gelangt das einströmende Abgas 4 nach dem Durchlaufen des Heißbündels 5 in das Kaltbündel 7, welches es als ausströmendes Gas 6 wieder verlässt. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Verbindungsteil 8 als ein U-förmiges Rohr mit einer sich ändernden Querschnittsfläche ausgebildet.
Das Verbindungsteil 8 könnte ebenso als ein Rohrbündel aus mehreren Rohren bestehen, wobei sich beispielsweise jeweils die Querschnittflächen der einzelnen Rohre entlang ihres Verlaufs ändern und jeweils ein Rohr des Rohrbündels des Verbindungsteils 8 mit einem Rohr des Heiß- und des Kaltbündels 5, 7 verbunden ist. Ebenso könnte ein als Rohrbündel ausgebildetes Verbindungsteil 8 Anschlussbereiche an Heiß- und Kaltbündel 5, 7 aufweisen, die eine einzige dem Heiß- bzw. Kaltbündel 5, 7 entsprechende Querschnittsfläche aufweisen und mit den Rohren des Rohrbündels des Verbindungsteils 8 verbunden sind. Ferner könnte immer eine Gruppe von Rohren des Heißbündels 5 mit einem einzigen Rohr 3 des Kaltbündels 7 durch ein zu einem als Rohrbündel ausgebildeten Verbindungsteil 8 verbunden sein.
Eine Gesamtquerschnittsfläche G_H des Heißbündels 5 ergibt sich aus der Summe der Durchmesser G der Rohre 3, welche zum Heißbündel 5 gehören. Entsprechend ergibt sich eine Gesamtquerschnittsfläche G_K des Kaltbündels 7 aus der Summe der Durchmesser G der Rohre 3, welche zum Kaltbündel 7 gehören.
Wie in 1 zu erkennen ist, sind das Heißbündel 5 und das Kaltbündel 7 so ausgestaltet, dass die Gesamtquerschnittsfläche G_H des Heißbündels 5 größer als die Gesamtquerschnittsfläche G_K des Kaltbündels 7 ist.
Durch die Vergrößerung der Gesamtquerschnittsfläche G_H des Heißbündels 5 relativ zu der Gesamtquerschnittsfläche G_K des Kaltbündels wird der Abnahme des Volumens des Abgases während des Durchlaufens des Abgasrückführungskühlers 1 und der Zunahme der Dichte des Abgases Rechnung getragen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Verhältnis von ca. 1/3 zu 2/3 zwischen den Gesamtquerschnittsflächen G_K und G_H herausgestellt.
Der Abgasrückführungskühler 1 kann, wie in 1 dargestellt, in einem Gehäuse 9 angeordnet sein, welches von einem Kühlmittel 10 durchflutet wird.
In 2 ist ein Abgasrückführungskühler 1 in einer seitlichen Ansicht skizziert, wobei die Rohre 3 des Heißbündels 4 durch ein gerades Verbindungsteil 8 mit den Rohren 3 des Kaltbündels 7 verbunden sind.

Claims

Abgasrückführungskühler (1) mit einem Rohrpaket (2) bestehend aus einem Heißbündel (5) aus Rohren (3) für eine Abgaseinströmung (4) und einem Kaltbündel (7) aus Rohren (3) für eine Abgasausströmung (6), wobei die Rohre (3) des Heißbündels (5) mit den Rohren (3) des Kaltbündels (7) über ein Verbindungsteil (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtquerschnittsfläche (G_H) der Rohre (3) des Heißbündels (5) größer ist als eine Gesamtquerschnittsfläche (G_K) der Rohre (3) des Kaltbündels (7).
Abgasrückführungskühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtquerschnittsfläche (G_H) der Rohre (3) des Heißbündels (5) höchstens dreimal größer ist als die Gesamtquerschnittsfläche (G_K) der Rohre (3) des Kaltbündels (7).
Abgasrückführungskühler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtquerschnittsfläche (G_H) der Rohre (3) des Heißbündels (5) zu der Gesamtquerschnittsfläche (G_K) der Rohre (3) des Kaltbündels (7) ein Verhältnis von etwa 2/3 zu 1/3 hat.
Abgasrückführungskühler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (8) eine sich ändernde Querschnittsfläche aufweist.
Abgasrückführungskühler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (8) eine U-förmige Umlenkung oder gerade ausgebildet ist.
Abgasrückführungskühler (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Rohrpaket (2) in einem Gehäuse (9) befindet, das von einem Kühlmittel (10) durchflutet wird.