DE10238205A1

DE10238205A1 - Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10238205A1
Application number: DE10238205A
Authority: DE
Inventors: Markus Schuhbauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere in einer Ausgestaltung als Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten günstig herstellbar ist und sich durch ein verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine mit einer Zustromkammer, einer Abstromkammer und einem Kühlkanalgatter, das sich zwischen den beiden Kammern erstreckt, und das mehrere Kühlkanäle aufweist, die unter Belassung eines Wärmetauschzwischenraumes zueinander benachbart angeordnet sind, wobei jeder der Kühlkanäle einen Zustrommündungsabschnitt und einen Abstrommündungsabschnitt aufweist, und über diesen Abschnitt entsprechend mit der Zustrom- oder Abstromkammer kommuniziert, wobei sich dieser Wärmetauscher erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass in der Zustromkammer und/oder der Abstromkammer ein zwischen benachbarten Zustrom- oder Abstrommmündungsabschnitten liegender Bereich der Kammerwandung derart profiliert ist, dass sich in diesem Bereich eine zum Inneren der jeweiligen Kammer vordringende Erhebung ergibt. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den sich entlang der jeweiligen Druckkanäle aufbauenden Druckgradienten deutlich zu vermindern. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere in einer Ausgestaltung als Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine.
Zur Erhöhung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist es möglich, zumindest phasenweise, die einem Brennraum zufließende Verbrennungsluft auf einem Druckpegel bereitzustellen der über dem Umgebungsdruck liegt. Die hierbei im Einlassbereich der Brennkraftmaschine herrschenden (Lade-)Druckpegel variieren üblicherweise mit dem Motorbetriebszustand und werden permanent unter Berücksichtigung der momentanen oder erwarteten Leistungsanforderung auf diesen abgestimmt. Die Aufladung der Brennkraftmaschine, d.h. die Zufuhr der Verbrennungsluft auf einem erhöhten Druckniveau kann durch volumetrische und/oder gasdynamische Fördereinrichtungen erfolgen. Der Antrieb dieser Fördereinrichtungen kann mechanisch durch Abgriff eines Teils der mechanischen Nutzleistung der Brennkraftmaschine, oder ebenfalls gasdynamisch, insbesondere durch eine Abgasturbine erfolgen. Durch die Erhöhung des Druckes der Verbrennungsluft wird zunächst auch die Temperatur derselben erhöht. Mit Erhöhung der Temperatur der zugeführten Verbrennungsluft nimmt auch die thermische Belastung der Brennkraftmaschine zu.
Im Hinblick auf die erhöhte thermische Belastung, und im Hinblick darauf, dass aufgrund der Erwärmung der verdichteten Verbrennungsluft der Hubraum-Füllungsgradzuwachs hinter dem Druckzuwachs zurückbleibt, ist es bekannt, die der Brennkraftmaschine zugeführte Verbrennungsluft in dem zwischen der Fördereinrichtung und dem Einlass der Brennkraftmaschine liegenden Bereich zu kühlen. Eine hohe Kühlwirkung dieses Leitungsbereiches kann erreicht werden, indem dieser Leitungsbereich als Wärmetauscher ausgebildet ist, in welchem eine Ableitung der Wärme aus der verdichteten Verbrennungsluft an die Umgebung, z.B. an die Umgebungsluft, oder zunächst an einen Kühlfluidkreislauf erfolgt. Durch derartige, allgemein als Ladeluftkühler bezeichnete Wärmetauscher wird es möglich, die thermische Belastung der Brennkraftmaschine deutlich zu reduzieren. Die Kühlleistung derartiger Ladeluftkühler wird wesentlich bestimmt durch das Temperaturniveau der Umgebungsluft bzw. eines dem Wärmetauscher zugeleiteten Kühlmediums sowie durch die, durch den Ladeluftkühler zur Verfügung gestellte Wärmetauschfläche. In der Praxis besteht das Problem, dass Maßnahmen, die an sich zur Erhöhung der Wärmetauschleistung eines Ladeluftkühlers beitragen, nur bedingt zu einer Erhöhung des Brennraumfüllungsgrades führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten günstig herstellbar ist und sich durch ein verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, gelöst, mit einer Zustromkammer, einer Abstromkammer und einem Kühlkanalgatter, das die beiden Kammern miteinander verbindet und das mehrere Kühlkanäle aufweist, die unter Belassung eines Wärmetauschzwischenraumes zueinander benachbart angeordnet sind, wobei jeder der Kühlkanäle einen Zuströmmündungsabschnitt und einen Abströmmündungsabschnitt aufweist und über diesen Abschnitt entsprechend mit der Zustrom- oder Abstromkammer kommuniziert, wobei sich dieser Wärmetauscher erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass in der Zustromkammer und/oder der Abstromkammer, ein zwischen benachbarten Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitten liegender Bereich der Kammerwandung derart profiliert ist, dass sich in diesem Bereich eine zum Inneren der jeweiligen Kammer vordringende Erhebung ergibt.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den sich entlang der jeweiligen Kühlkanäle aufbauenden Druckgradienten deutlich zu vermindern. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Profilierung wird es möglich, einen der Zustromkammer zufließenden Gasstrom unter verringertem Druckabfall auf die einzelnen Kühlkanäle zu verteilen. Durch die vorzugsweise in Kombination mit der vorangehend genannten Maßnahme – oder auch unabhängig hiervon – realisierte Ausgestaltung der Abstromkammer wird es möglich, die aus den einzelnen Kühlkanälen der Abstromkammer zufließenden Gas-Teilströme, unter vermindertem Austritts-Druckabfall, zu einem Gasstrom zusammenzuführen.
Die Ableitung der Wärme aus den Kühlkanälen kann in vorteilhafter Weise erfolgen, indem der Außenbereich der Kühlkanäle vorzugsweise zwangsweise durch Umgebungsluft überströmt wird. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Ableitung der Abwärme aus der Wandung der Kühlkanäle durch ein flüssiges Kühlmedium zu bewerkstelligen.
Eine unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Profilierung der Kammerwandung im Bereich der Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitte durch Längs-Sicken gebildet ist, die sich zwischen den genannten Mündungsabschnitten erstrecken.
Alternativ zu der Ausbildung des Umgebungsbereichs der Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitte mittels Profilierung der diesen Abschnitten benachbarten Kammerwandungsbereiche, ist es auch möglich, im Bereich der Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitte ein Strukturbauteil, beispielsweise in Form eines Einsatzelementes vorzusehen, das jene zwischen den benachbarten Mündungsabschnitten liegende, zum Kammerinnenbereich hin vordringende Erhebungen bildet.
Dieses Einsatzelement kann beispielsweise als leiterartiger, oder gatterartiger Einsatz ausgebildet sein, der in der jeweiligen Kammer derart angeordnet wird, dass die zwischen den profiliert ausgebildeten Leitersprossen verbleibenden Öffnungen, die in die jeweilige Kammer vordringenden Mündungsabschnitte der Kühlkanäle aufnehmen.
Das insbesondere abschnittsweise leiterartig ausgebildete Einsatzelement kann in der Kammer fixiert sein. Die Fixierung kann insbesondere stoffschlüssig durch die Verwendung von Klebstoffen oder durch Lotstellen erreicht werden. Es ist auch möglich, die Mündungsabschnitte der Kühlkanäle derart trichterartig aufzuweiten, dass die Innenwandung der Kühlkanäle im Bereich der Mündungsabschnitte, nahezu stufenlos in die profilierte Kammerwandung übergeht. Durch diese Maßnahme wird neben einer besonders günstigen An- und Abströmung der Kühlkanäle auch eine besonders zuverlässige Fixierung des Einsatzelementes erreicht.
Das Einsatzelement kann auch integral mit der Kammerwandung ausgebildet sein. Die im Bereich der Mündungsabschnitte durch die Kammerwandung, oder das in der Kammer aufgenommene Einsatzelement bereitgestellte Anström/Abströmprofilierung kann derart festgelegt werden, dass die einwärts zur Kammer vordringende Erhebung zu einem gerundeten Übergang zwischen benachbarten Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitten führt.
Es ist möglich, durch die Profilierung der Kammerwandung im Bereich der Mündungsabschnitte, jeweils gewünschte Anstrom/Abstrombedingungen für die Kühlkanäle herbeizuführen, indem die Profilierung im Querschnitt asymmetrisch ausgebildet ist, so dass beispielsweise Leitschaufelkopf-artige oder Tragflügelnasen-artige Strukturen zwischen den Mündungsabschnitten benachbarter Kanäle ausgebildet sind.
Ein gegenüber herkömmlichen Ladeluftkühlern deutlich verringerter Druckgradient entlang des Ladeluftkühlers kann erfindungsgemäß bereits erreicht werden, indem in der Zustromkammer zwischen den benachbarten Erhebungen, ein trichterartig in den Zustromabschnitt abfallender Zustrombereich ausgebildet ist. Auch die Ausbildung der Profilierung ausschließlich im Abstrommündungsbereich der Kühlkanäle, zur Bereitstellung sich Diffusor-artig erweiternder Abströmbereiche, führt zu einem deutlich reduzierten Druckabfall.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind die Kühlkanäle vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese einen Flachquerschnitt aufweisen. Die Anströmung der Kühlkanäle erfolgt vorzugsweise über eine, durch die Zustromkammer gebildete Krümmerstruktur.
Die Höhe, der zwischen den benachbarten Mündungsabschnitten ausgebildeten Erhebung entspricht vorzugsweise wenigstens dem halben Abstand der zueinander benachbarten Mündungsabschnitte. Die Erhebung weist vorzugsweise eine in Anströmrichtung von einem Korbbogen begrenzte Querschnittsfläche auf. Es ist möglich, die Höhe und den Querschnitt der Erhebung für verschiedene Mündungszwischenräume, oder auch entlang eines Mündungsabschnittes unterschiedlich festzulegen. Vorzugsweise wird die Krümmung und die Höhe der Erhebung, derart abgestimmt, dass jeder Mündungsabschnitt der Kühlkanäle aus einem bevorzugten Stromfadenbereich in der Zustromkammer befällt wird.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen, als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauschers mit einer teilweise aufgebrochen dargestellten Abstromkammer;
2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäß profiliert ausgebildete Kammerwandung mit mehreren, diese durchsetzenden Mündungsabschnitten der Kühlkanäle;
3 eine Detailldarstellung zur Erläuterung der Detailgeometrie der Kammerwandung im Bereich der Mündungsabschnitte der Kühlkanäle; Der in 1 dargestellte, nachfolgend als Ladeluftkühler bezeichnete Wärmetauscher umfasst eine hier als 90°-Krümmer ausgebildete Zustromkammer 1 und eine ebenfalls als 90°-Krümmer ausgebildete Abstromkammer 2. Zwischen diesen bei den Kammern 1, 2 erstreckt sich ein Kühlkanalgatter 3, das mehrere Kühlkanäle 3a, 3b, 3c aufweist. Die Kühlkanäle sind aus einem Metallmaterial, insbesondere Aluminiumblech, gebildet und weisen einen Flachquerschnitt (vgl. auch 2) auf.
Die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c können bei einem Einsatz in einem Fahrzeugmotor derart angeordnet werden, dass diese durch einen, ggf. durch Luftführungseinrichtungen umgeleiteten, Umgebungsluftstrom V quer angeströmt werden. Die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c sind hierzu voneinander beabstandet angeordnet. Der Abstand der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c entspricht im wesentlichen auch der quer zur Anströmrichtung gemessenen Dicke der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c. Das Kühlkanalgatter 3 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Gesamtlänge von ca. 540 mm, eine Breite von ca. 130 mm und einen Tiefe von ca. 50 mm.
Die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c ragen bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl im Bereich der Zustromkammer 1 sowie im Bereich der Abstromkammer 2 über eine gatterartig ausgebildete Kammerwandung 4, und die Kühlkanäle umsäumende Lotstellen in die jeweilige Kammer 1, 2 – wie dies anhand des an der Abstromkammer 2 lediglich zum Zwecke der Erläuterung vorgesehenen Aufbruch 5 erkennbar ist.
Die Kammerwandung 4 ist unter Verwendung eines Einsatzes derart profiliert ausgebildet, dass die, in der Zustromkammer 1 und/oder in der Abstromkammer 2 zwischen einander benachbarten Zustrom- oder entsprechend Abstrommündungsabschnitten der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c – und den diese umsäumenden Lotstellen – verlaufenden Stege, eine zum Inneren der jeweiligen Kammer 1, 2, vordringende, gerundete Erhebung 7 aufweisen.
In 2 ist eine Draufsicht auf die Kammerwandung 4 in der Abstromkammer 2 dargestellt. Die Kammerwandung 4 ist durch mehrere Abstrom-Mündungsabschnitte 10 durchsetzt. Im Umgebungsbereich der Abstrom-Mündungsabschnitte 10 ist die Kammerwandung 4 derart profiliert ausgebildet, dass sich in diesem Bereich jeweils zum Inneren der jeweiligen Kammer 4 – hier Abstromkammer 2 – vordringende Erhebungen 7 ergeben. Die Erhebungen 7 werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Sprossenabschnitte eines leiterartig ausgebildeten Einsatzelementes bereitgestellt.
Durch die erfindungsgemäß im Zwischenbereich der Mündungsabschnitte 10 vorgesehenen, zum Kammerinnenbereich vordringende Erhebungen 7 ergibt sich im Bereich der Abstrom-Mündungsabschnitte 10 für jeden Kühlkanal 3a, 3b, 3c ein sich diffusorartig aufweitender Ausströmbereich. (Sofern die derart profilierte Kammerwandung 4 im Bereich der Zustromkammer 1 vorgesehen ist, bildet die erfindungsgemäße Profilierung für jeden Kühlkanal 3a, 3b, 3c ein trichterartig in den jeweiligen Mündungsabschnitt 10 abfallenden Zustrombereich)
Im Innenbereich der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c sind bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzliche Kühllamellen 9 vorgesehen, die aus einem mehrfach gefalteten, dünnen Blechmaterial gefertigt, und in die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c unter einem leichten Presssitz eingeschoben, sind.
In 3 sind die Mündungsabschitte 10 zweier benachbarter Kühlkanäle 3a, 3b, 3c dargestellt. Zwischen den beiden Mündungsabschnitten 10 ist durch Sprossen 11 eine Anströmprofilierung verwirklicht, durch welche die Mündungsabschnitte 10 der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c von einer sich trichterartig zu den Mündungsabschnitten 10 hin verjüngenden Umfangswandung umgeben sind.
Die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c sind in einem Kühlkanalgatter 12 durch Lotstellen 13 derart fixiert, dass die Mündungsabschnitte 10 der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c zur Kammerinnenseite dieser Kammer um ein Maß überstehen, das wenigstens der Dicke t der Kühlkanäle 3a, 3b, 3c entspricht. Die Sprossen 11 sind aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Die Kühlkanäle 3a, 3b, 3c sind im Bereich der Mündungsabschnitte 10 derart aufgestaucht, dass durch diese die Sprossen 11 zuverlässig fixiert sind und zudem ein im wesentlichen stoßfreier Übergang der, durch die Sprossen 11 gebildeten Kammerwandung 4, in die Innenwandung 14 Kühlkanäle 3a, 3b, 3c erreicht wird.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, mit: einer Zustromkammer (1), einer Abstromkammer (2) und einem Kühlkanalgatter (3), das sich zwischen den beiden Kammern (1, 2) erstreckt und mehrere Kühlkanäle (3a, 3b, 3c) aufweist, die unter Belassung eines Wärmetauschzwischenraumes zueinander benachbart angeordnet sind, wobei jeder der Kühlkanäle (3a, 3b, 3c) einen Zustrom-Mündungsabschnitt (10) und einen Abstrom-Mündungsabschnitt (10) aufweist und über diesen Abschnitt entsprechend mit der Zustrom- oder Abstromkammer (1, 2) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zustromkammer (1) und/oder der Abstromkammer (2) ein zwischen benachbarten Zustrom- oder Abstrommündungsabschnitten (10) liegender Bereich einer Kammerwandung (4) derart profiliert ausgebildet ist, dass sich in diesem Bereich eine zum Inneren der Kammer (1, 2) vordringende Erhebung (7) ergibt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwandung (4) in dem zwischen benachbarten Mündungsabschnitten (10) liegenden Bereich durch eingeformte Sickenabschnitte profiliert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung durch ein Einsatzelement gebildet ist, das auf die Zustrom- oder Abstrom-Mündungsabschnitte (10) aufgesetzt ist.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement als leiterartiger Einsatz ausgebildet ist und Sprossen (11) aufweist, die sich zwischen benachbarten Mündungsabschnitten (10) erstrecken.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement integral mit der Kammerwandung (4) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung derart ausgebildet ist, dass diese einen gerundeten Übergang zwischen den benachbarten Mündungsabschnitten (10) herbeiführt.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung derart ausgebildet ist, dass diese einen Leitschaufel-kopfartigen Übergang zwischen den benachbarten Mündungsabschnitten (10) herbeiführt.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Erhebungen (7) ein trichterartig in den (Zustrom-) Mündungsabschnitt (10) abfallender Zustrombereich gebildet ist.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Erhebungen (7) ein sich diffusorartig aufweitender Ausströmbereich gebildet ist.
Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (3a, 3b, 3c) einen Flachquerschnitt aufweisen.