DE102017216819B4 - Abgaskühler und Abgasrückführsystem mit einem Abgaskühler - Google Patents

Abgaskühler und Abgasrückführsystem mit einem Abgaskühler Download PDF

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Abstract

Abgaskühler (10) mit zumindest einem Abgasrohr (12) für zu kühlendes Abgas, wobei das zumindest eine Abgasrohr (12) von einem Gehäuse (26) und/oder einem Flansch (22) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass (14) des zumindest einen Abgasrohres (12) in Erstreckungsrichtung zumindest einer Wand senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, das zumindest eine Abgasrohr (12) nicht an dem Gehäuse (26) und/oder dem Flansch (22) befestigt ist, wobei an dem Einlass (14) des zumindest einen Abgasrohrs (12) und seitlich hierzu zumindest ein Zwischenraum (16) zwischen der Wand (20) des Abgasrohres (12) und dem seitlich benachbarten Gehäuse (26) und/oder Flansch (22) vorgesehen ist, wobei eine Befestigungsstelle (28) des zumindest einen Abgasrohrs (12) an dem Gehäuse (26) durch den Zwischenraum (16) stromabwärts in Strömungsrichtung des Abgases verschoben ist, und sich der Zwischenraum (16) in Strömungsrichtung des Abgases von dem Einlass (14) bis zu der Befestigungsstelle (28) erstreckt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskühler sowie ein Abgasrückführsystem mit zumindest einem derartigen Abgaskühler.
  • Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren ist es üblich, Abgas in gewissem Umfang auf die Frischluftseite zurückzuführen, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und Emissionen zu verringern. Zumindest in bestimmten Betriebszuständen muss das rückgeführte Abgas gekühlt werden.
  • STAND DER TECHNIK
  • Diesbezüglich ist es beispielsweise aus der JP 5 941 878 B2 bekannt, das Abgas durch zahlreiche Abgasrohre zu führen, die in einem Gehäuse aufgenommen sind, so dass zwischen Gehäuse und den Abgasrohren, bzw. zwischen den Abgasrohren, eine Strömung mit beispielsweise flüssigem Kühlmittel, insbesondere Wasser/Glykol erzeugt werden kann. Hierbei erwärmt sich jedoch der Kühler insbesondere an der Gaseintrittsseite, was dazu führt, dass dieser hier eine deutlich höhere Temperatur aufweist als im weiteren Verlauf. Dies führt zu einer inhomogenen Temperaturverteilung im Material des Kühlers und damit zu Spannungen. Insbesondere Temperaturänderungen des Gases als auch des Kühlmittels, welche aufgrund des instationären Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors auftreten (z.B. Kaltstart, Lastwechsel, AGR-Rate, etc.) führen bei unterschiedlichen Materialstärken und somit unterschiedlichen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten zu weiteren Inhomogenitäten in der Temperaturverteilung , die zu den beschriebenen Spannungen führen.
  • Im Bereich des Gaseinlasses treten derartige Inhomogenitäten in besonders kritischer Form auf, da zum einen die vorderen dünnen Kanten der Abgasrohre mit dem ungekühlten heißen Abgasmassenstrom zusammentreffen und aufgrund der Dünnwandigkeit die eingebrachte Wärme nur langsam an das Kühlwasser abgegeben werden kann. Zum zweiten sind die Abgasrohre hier üblicherweise seitlich mit einem Gehäuse verbunden, das eine deutlich höhere Wandstärke aufweist und dessen Temperatur sich deshalb mit größerer Trägheit ändert, bzw. die Gehäusewände nicht direkt dem heißen Abgasmassenstrom ausgesetzt sind. In manchen Anwendungen befindet sich außerhalb des Gehäuses ein dickwandiger Flansch, der die Situation weiter verschärft. Die erwärmten Abgasrohre im Einlassbereich dehnen sich aus, da sich die Temperatur des Gehäuses und/oder des Flansches noch nicht ausreichend geändert hat, um zu einer ähnlichen Ausdehnung zu führen, führt diese unterschiedliche Ausdehnung zu Spannungen.
  • Die Spannungen führen zu einer plastischen Verformung in dem dünneren Bauteil, den vorderen Kanten des Abgasrohres, welche gestaucht werden und/oder Wellen schlagen. Beim Abkühlen kühlt entweder das vergleichsweise dünne Blech schneller ab, oder sämtliche genannten Komponenten kühlen zwar gleichzeitig ab, das gestauchte Blech muss jedoch wieder in seine Ausgangsposition zurückfinden und sich dehnen, dies erzeugt Zugspannungen in der vorderen Kante des Abgasrohres. Diese Wechselbelastung und plastische Verformung führt zum Versagen des Materials des Abgasrohres. Diesbezüglich ist auch zu berücksichtigen, dass ein Abgaskühler über seine Lebensdauer die beschriebene Wechselbelastung mehrere 100.000 Mal aushalten muss.
  • DE 10 2011 014 704 A1 betrifft eine Abgasvorrichtung mit einem Abgasrückführkühler. Der Abgasrückführkühler weist eine Wandung auf, die einen Gaseintrittsboden ausbildet. Ferner weist der Abgasrückführkühler einen Einströmbereich auf, der von einem eingangsseitig von einem Wärmetauscher angeordneten Bereich strömungstechnisch entkoppelt ist. Im Betrieb ist dieser Bereich mit Abgas gefüllt.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen dauerhaft stabilen und gleichzeitig kostengünstigen Abgaskühler zu schaffen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Abgaskühler.
  • Demzufolge ist am Einlass zumindest eines Abgasrohres zumindest ein Zwischenraum zu seitlich benachbarten Bauteilen (ein Gehäuse und/oder ein Flansch) vorgesehen. Mit anderen Worten ist zumindest ein Abgasrohr in seiner Erstreckungsrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung nicht an umgebenden Bauteilen, d.h. dem Gehäuse und/oder dem Flansch befestigt, sondern unmittelbar seitlich benachbart an zumindest eine Wand des Rohres, und an zumindest einer Seite, bevorzugt an sämtliche Wände benachbart, befindet sich ein Zwischenraum so dass sich das Rohr senkrecht zur Strömungsrichtung beim Erwärmen frei ausdehnen kann. Somit entstehen beim Ausdehnen nicht die oben beschriebenen Spannungen und plastischen Verformungen die zu Beschädigungen führen. Die Verbindung zwischen den Abgasrohren und dem Gehäuse findet gasstromabwärts statt, an einer Position, an der eine homogene Temperaturverteilung zu erwarten ist. Zusätzlich kann die Führung des Kühlmittels in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass sie eine derartige Verbindung bauteilübergreifend gut kühlt.
  • Es sei ergänzt, dass die jeweils betrachtete Wand des Abgasrohres als dünne Platte betrachtet werden kann, die sich zum einen in Strömungsrichtung und zum anderen senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckt. Darüber hinaus erstreckt sich auch die Dickenrichtung der Platte senkrecht zur Strömungsrichtung, erfindungsgemäß kommt es jedoch nicht darauf an, Zwischenräume in Dickenrichtung, mit anderen Worten bei horizontaler Ausrichtung der Wand über und/oder unter der Wand vorzusehen, sondern seitlich hierzu, mit anderen Worten „neben“ der Wand in der beschriebenen Erstreckungsrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung. Wenn hier, anders als im Stand der Technik üblich, an zumindest einer, bevorzugt beiden Seiten ein Zwischenraum vorgesehen ist, kann der erfindungsgemäße Effekt genutzt werden.
  • Es sei ferner ergänzt, dass der erfindungsgemäße Abgaskühler bevorzugt Flachrohre aufweist, die bevorzugt derart gestapelt sein können, dass die langen Seiten des rechteckigen Querschnitts eines derartigen Flachrohres gleichzeitig die Begrenzung von daran anliegenden Abgasrohren bilden. Für diese langen Seiten werden bevorzugt die erfindungsgemäßen Zwischenräume vorgesehen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Patentansprüchen beschrieben.
  • Für die Abmessung des beschriebenen Zwischenraums in Strömungsrichtung des Abgases werden gute Ergebnisse bei einer Mindestlänge von 5 mm und/oder einer maximalen Erstreckung von 2 cm erwartet.
  • Gleiches gilt für eine Abmessung senkrecht zur Strömungsrichtung von mindestens 1 mm und/oder bis zu 5 mm.
  • Für eine umfangreiche Wärmeübertragung von dem Abgas zu dem die Abgasrohre umströmenden Kühlmittel wird bevorzugt, dass zumindest ein Abgasrohr in seinem Inneren Rippen oder Finnen aufweist, die bevorzugt in Strömungsrichtung gewellt ausgebildet sein können.
  • Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich insbesondere bei einem Abgaskühler mit zumindest einem Abgasrohr nutzen, das zumindest eine Wand mit einer Dicke von 0,3 mm bis 0,5 mm aufweist. Ein derartiges Rohr ist vergleichsweise dünn und damit „leicht“ ausgeführt, und durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen können gleichzeitig Beschädigungen am Einlass vermieden werden.
  • Die Abgasrohre sind von einem Gehäuse und/oder einem Flansch umgeben, die bevorzugt zumindest eine Wand mit einer Dicke von 1,0 mm bis 1,5 mm und/oder eine Dicke von 5 mm bis 8 mm aufweisen. Damit sind das Gehäuse und/oder der Flansch deutlich dicker und stabiler als die Abgasrohre und versehen somit den Abgaskühler insgesamt mit einer vorteilhaften Stabilität. Gleichzeitig fixieren sie aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme die Einlassbereiche der Abgasrohre nicht, so dass die beschriebenen Probleme vermieden werden können.
  • Bevorzugt sind entlang des Verlaufs zumindest eines Abgasrohres in Strömungsrichtung weitere Zwischenräume seitlich neben dem Rohr vorgesehen, so dass hier eine Umströmung mit Kühlmittel möglich ist, und gleichzeitig an definierten Stellen zwischen den beschriebenen Zwischenräumen eine definierte Befestigung der Abgasrohre, beispielsweise an dem umgebenden Gehäuse, erreicht werden kann.
  • Besondere Vorteile entfaltet der erfindungsgemäße Abgaskühler, wenn er als Abgasrückführkühler eingesetzt wird.
  • Dementsprechend ist Gegenstand der Anmeldung ferner ein Abgasrückführsystem mit zumindest einem derartigen Kühler.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird ein in den Figuren gezeigtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers; und
    • 2 eine Schnittansicht des Einlassbereichs eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Wie in 1 zu erkennen ist, weist ein erfindungsgemäßer Abgaskühler 10 in dem gezeigten Fall einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und eine längliche Erstreckung (in 1 nach links oben) auf. Mittels eines Flansches 22 ist der Abgaskühler an eine Abgas(rückführ)leitung, die nicht gezeigt ist, anschließbar, bzw. mit einem Ventilgehäuse, insbesondere AGR-Ventil, (oder zu einem AGR-Modul) verbindbar. Der Flansch kann beispielsweise gegossen sein, und die nachfolgend beschriebenen Wände der Abgasrohre, die darin vorgesehenen Rippen und das Gehäuse können aus entsprechend gebogenem Blechmaterial ausgebildet sein. Im Inneren des Abgaskühlers befinden sich zahlreiche Abgasrohre 12, die im Wesentlichen durch parallel zueinander ausgerichtete Platten 20 aus Metall, seitlichen, vergleichsweise flachen Wänden und jeweils dazwischen angeordneten Rippen oder Finnen 18 gebildet werden, die besser in der geschnitten Draufsicht von 2 erkennbar sind. Die Platten 20 bilden somit Wände, der als Flachrohre gestalteten Abgasrohre, die vergleichsweise dünn sind, und deshalb infolge der Ausdehnung und Kontraktion, wie oben beschrieben, Beschädigungen unterliegen können.
  • Aus 2 geht hervor, dass zwischen dem Flansch 22 und dem Abgasrohr 12 ein Gehäuse 26 vorgesehen ist, das die zahlreichen Abgasrohre 12 umgibt, so dass die seitlich geschlossenen Abgasrohre mit einem flüssigen Kühlmittel, beispielsweise Wasser umströmt werden können, um das durch die Abgasrohre strömende Abgas zu kühlen.
  • Das Gehäuse 26 ist jeweils außen mit dem massivem Flansch 22 verbunden, erfindungsgemäß befindet sich jedoch am Einlass 14 des jeweiligen Abgasrohres und seitlich hierzu, in 2 links und rechts zu erkennen, ein Zwischenraum 16, der in vorteilhafter Weise eine Ausdehnung des Abgasrohres bei Erwärmung infolge der Durchströmung mit dem heißen Abgas ermöglicht. Die seitliche Erstreckung, mit anderen Worten senkrecht zur Strömungsrichtung (in 2 von unten nach oben) ist in 2 links und rechts zu erkennen. Die Erstreckung der Zwischenräume 16 in Strömungsrichtung bis zu einer Befestigungsstelle 28 des Abgasrohres an dem Gehäuse 26 verläuft in 2 ebenfalls von unten nach oben und beträgt bevorzugt 5 mm bis zu 2 cm. Im weiteren Verlauf der Verbindung zwischen dem Gehäuse 26 und dem Abgasrohr 12 sind weitere Zwischenräume 24 vorgesehen.
  • In 2 ist ferner die in Strömungsrichtung verlaufende Wellenform der Rippen bei der gezeigten Ausführungsform zu erkennen.
  • Die Befestigungsstelle 28 erstreckt sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest einige, beispielsweise 5 Millimeter und/oder bis zu 2 cm in Strömungsrichtung. Dementsprechend ist Folgendes erkennbar. Wenn die Befestigungsstelle 28 bei einer derartigen Ausführung unmittelbar am stromaufwärtigen Ende der Wand 20, und damit am Einlass vorgesehen wäre, ist es aufgrund der Erstreckung der Befestigungsstelle 28 in Strömungsrichtung nicht möglich, hier Kühlmittel zuzuführen. Dementsprechend entsteht das oben beschriebene Problem, das durch den erfindungsgemäßen Zwischenraum 16, der die Befestigungsstelle 28 gewissermaßen in Strömungsrichtung stromabwärts verschiebt, gelöst wird.
  • Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Flansch 22 eine in Strömungsrichtung gemessene Dicke auf die größer ist als die Erstreckung des Zwischenraums 16, um insgesamt eine stabile Ausführung zu erreichen.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist der Abgaskühler zwei nebeneinander angeordnete Einlässe und sich daran anschließende, „gestapelte“ Gruppen von Abgasrohren auf, der erfindungsgemäße Abgaskühler kann jedoch ebenso einen einzigen Einlass und eine sich daran anschließende Gruppe von Abgasrohren, sowie mehr als zwei Einlässe und entsprechend vorgesehene Abgasrohre aufweisen.

Claims (9)

  1. Abgaskühler (10) mit zumindest einem Abgasrohr (12) für zu kühlendes Abgas, wobei das zumindest eine Abgasrohr (12) von einem Gehäuse (26) und/oder einem Flansch (22) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass (14) des zumindest einen Abgasrohres (12) in Erstreckungsrichtung zumindest einer Wand senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, das zumindest eine Abgasrohr (12) nicht an dem Gehäuse (26) und/oder dem Flansch (22) befestigt ist, wobei an dem Einlass (14) des zumindest einen Abgasrohrs (12) und seitlich hierzu zumindest ein Zwischenraum (16) zwischen der Wand (20) des Abgasrohres (12) und dem seitlich benachbarten Gehäuse (26) und/oder Flansch (22) vorgesehen ist, wobei eine Befestigungsstelle (28) des zumindest einen Abgasrohrs (12) an dem Gehäuse (26) durch den Zwischenraum (16) stromabwärts in Strömungsrichtung des Abgases verschoben ist, und sich der Zwischenraum (16) in Strömungsrichtung des Abgases von dem Einlass (14) bis zu der Befestigungsstelle (28) erstreckt.
  2. Abgaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Zwischenraum (16) mindestens 5 mm und/oder maximal 2 cm in Strömungsrichtung des Abgases erstreckt.
  3. Abgaskühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Zwischenraum (16) mindestens 1 mm und/oder maximal 5 mm in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases erstreckt.
  4. Abgaskühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgasrohr (12) in seinem Inneren Rippen (18) aufweist.
  5. Abgaskühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgasrohr (12) zumindest eine Wand (20) mit einer Dicke von 0,3 bis 0,5 mm aufweist.
  6. Abgaskühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (26) zumindest eine Wand mit einer Wanddicke von 1 bis 1,5 mm und/oder zumindest einen Flansch (22) eine Dicke von 5 bis 8 mm aufweist.
  7. Abgaskühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an weiteren Stellen des Verlaufs zumindest eines Abgasrohrs (12) in Strömungsrichtung Zwischenräume (24) seitlich neben dem Abgasrohr (12) vorgesehen sind.
  8. Abgaskühler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (10) ein Abgasrückführkühler ist.
  9. Abgasrückführsystem mit zumindest einem Abgaskühler nach Anspruch 8.
DE102017216819.6A 2017-09-22 2017-09-22 Abgaskühler und Abgasrückführsystem mit einem Abgaskühler Active DE102017216819B4 (de)

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