DE10038795A1

DE10038795A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10038795A1
Application number: DE2000138795
Authority: DE
Inventors: Dietmar Froese
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: DE10038795B4; DE20001342U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (10) für Kfz-Abgasanlagen. Er besteht aus zwei konzentrischen Rohren (11, 12), die endseitig gasdicht miteinander verbunden sind. Das innere Rohr (11) besitzt eingangsseitig und ausgangsseitig Öffnungen (14, 15) zum Zwischenraum (16) zwischen den beiden Rohren (11, 12). Im Innenrohr (11) befindet sich zwischen den Öffnungen (14, 15) ein Drosselorgan (17), beispielsweise eine Venturidüse.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, wie sie beispielsweise in Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren mit Benzin-Direkteinspritzung (GDI-Motoren) verwendet werden.

Der Wirkungsgrad einfacher Wärmetauscher ist durch die Konstruktion vorgegeben. Wesentliche Parameter sind die Größe der wärmeübertragenden Fläche, der Wärmeleitfaktor der verwendeten Werkstoffe und der Strömungstyp der Wärmemedien. Besteht die Notwendigkeit, den Wärmeübergang zu steuern, werden Klappen, Ventile und dergleichen verwendet. Zur Steuerung der Klappen und Ventile werden Sensoren, Regler und Antriebe benötigt, was einen hohen Mehraufwand zur Folge hat.

Ein Beispiel für die Anwendung von Wärmetauschern mit veränderbarem Wärmeübertragungsfaktor sind Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge mit GDI-Motoren. GDI-Motoren werden soweit möglich mit einem großen Luftüberschuss betrieben. In dieser Betriebsart entsteht NO_x, das durch den üblichen Dreiwege-Katalysator nicht beseitigt werden kann. Aus diesem Grund sind den GDI-Motoren zur Abgasnachbehandlung spezielle Speicherkatalysatoren nachgeschaltet. Diese haben die Eigenschaft, das im Magerbetrieb gebildete NO_x für eine gewisse Zeitspanne, typisch 1 Minute, zu speichern. Anschließend muss der Katalysator regeneriert werden. Während dieser Zeitspanne, typisch 1 bis 3 Sekunden, schaltet die Motorelektronik den Motor in den fetten Motorbetrieb.

Speicherung und Regeneration der handelsüblichen Speicherkatalysatoren funktionieren nur in einem Temperaturfenster zwischen 250°C und 450°C. Bei Temperaturen oberhalb 800°C wird die katalytische Beschichtung deaktiviert. Ein GDI- Motor erzeugt jedoch je nach Betriebszustand Abgastemperaturen bis zu 950°C. Aus diesem Grund muss das Abgas zwischen Motor und Speicherkatalysator bei hohen Lasten und Drehzahlen als Temperaturschutz unter 800°C und bei Magerbetrieb für die Speicherfunktion auf Temperaturen zwischen 250°C und 450°C abgekühlt werden. Hierzu werden dem Speicherkatalysator Abgaskühler vorgeschaltet.

Gleichzeitig muss jedoch sichergestellt werden, dass auch bei geringen Lasten und Drehzahlen, beispielsweise im Leerlauf oder im arktischen Winter, die Temperatur des Speicherkatalysators im aktiven Temperaturfenster verbleibt. In diesem Fall darf das Abgas nicht abgekühlt werden.

Um diese Betriebsbedingungen einzuhalten, muss die Abgaskühlung variabel sein. Dies bedingt jedoch wie oben erwähnt einen erheblichen Mehraufwand bezüglich Platzbedarf, Gewicht und Kosten. Tatsächlich werden aus diesem Grund überwiegend nicht-steuerbare Wärmetauscher eingesetzt. Dies ist unbefriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion anzugeben, mit der Wärmetauscher mit variabler Wirkung hergestellt werden können, ohne dass Klappen, Ventile, Steuergeräte usw. benötigt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, das wärmeabgebende Medium bei kleinen Durchflussmengen durch ein Rohr, vorzugsweise mit einer kleinen wärmeübertragenden Oberfläche zu leiten und bei großen Durchflüssen auf zwei Rohre aufzuteilen, wobei das zweite Rohr vorzugsweise eine große wärmeübertragende Oberfläche besitzt. Die Aufteilung erfolgt selbständig durch das Drosselorgan, welches einen derartigen Druckabfall erzeugt, dass mit zunehmender Durchflussmenge eine größere Menge des wärmeabgebenden Mediums durch das zweite Rohr gelenkt wird.

Bei dem die Verteilung der Medienströmung auf das erste und das zweite Rohr bewirkenden Drosselorgan handelt es sich vorzugsweise um eine Blende oder eine Düse. Der Druckabfall an einem solchen Drosselorgan ist proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch wird mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und -menge ein stark zunehmender Anteil des wärmeabgebenden Mediums durch das zweite Rohr geleitet, wodurch sich die wärmeübertragende Oberfläche und damit der Kühleffekt erhöhen. Bei kleinen Durchflussmengen dagegen strömt das wärmeabgebende Medium praktisch nur durch das erste Rohr, so dass nur ein geringer Kühleffekt auftritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite Rohr über das erste Rohr geschoben. Dadurch wirkt bei kleinen Strömungsmengen und -geschwindigkeiten der Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr als Luftspaltisolierung, so dass in diesem Betriebszustand eine zusätzliche Reduzierung der Wärmeabgabe erreicht wird.

Vorteilhafterweise ist das Drosselorgan eine Blende oder eine Düse.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine der Öffnungen zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr als Perforationsfeld realisiert. Diese Anordnung bietet bei der Verwendung in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass sie auch den Abgaslärm dämpft.

Um die Wärmeabgabe des weiten, größeren Rohrs weiter zu verbessern, können an seiner Innen- und/oder Außenseite strömungslenkende und/oder den Wärmeübergang verbessernde Einrichtungen angebracht sein, beispielsweise Rippen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Figur zeigt rein schematisch einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher 10. Er besteht aus zwei konzentrischen Rohren 11, 12, zwischen denen ein Zwischenraum 16 gebildet ist. Ein Ende 13 des Außenrohrs ist mit dem Innenrohr 11 dicht verbunden; das andere Ende ist als Schiebesitz für den thermisch bedingten Längenausgleich ausgebildet. Das Innenrohr 11 besitzt eingangs- und ausgangsseitig Öffnungen 14, 15 in Form von Perforationsfeldern. Zwischen den Öffnungen 14, 15 ist im Innenrohr 11 eine Drosselstelle 17 in Form einer Düse angeordnet.

Das wärmeabgebende Medium, beispielsweise die Abgase eines GDI-Motors, symbolisiert durch den Pfeil 1, strömt von links in die Rohrkonstruktion 10 ein. Bei kleinen Strömungsmengen und -geschwindigkeiten strömt es durch das Innenrohr 11 und die Drosselstelle 17, was durch die Pfeile 2 symbolisiert ist. Dabei wirkt der Zwischenraum 16 als Luftspaltisolierung; die Strömung 2 wird nur wenig abgekühlt.

Mit zunehmenden Strömungsmengen und daraus resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten steigt der Druckabfall an der Drosselstelle 17 proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit an. Dadurch wird eine zunehmende Menge des strömenden Mediums 1 durch die Öffnung 14 in den Zwischenraum 16 zwischen Innenrohr 11 und Außenrohr 12 gedrückt, was durch die Pfeile 3 symbolisiert wird. Ausgangsseitig erreicht die Strömung 3 durch die ausgangsseitigen Öffnungen 15 wieder das Innenrohr 11.

Da das Außenrohr 12 eine wesentlich größere wärmeabgebende Oberfläche besitzt, wird das durch den Zwischenraum 16 strömende Medium 3 stark abgekühlt. Dieser Effekt kann durch strömungslenkende und die wärmeabgebende Oberfläche vergrößernde Rippen 18 noch verstärkt werden. Am Ausgang verlassen die wenig abgekühlte Strömung 2 und die stark abgekühlte Strömung 3 gemeinsam die Rohrkonstruktion 10, was durch den Pfeil 1' symbolisiert ist.

Claims

1. Wärmetauscher (10), gekennzeichnet durch die Merkmale:

- es sind ein erstes Rohr (11) und ein zweites Rohr (12) vorgesehen,
- ein Ende (13) des zweiten Rohrs (12) ist mit dem ersten Rohr (11) dicht verbunden,
- das erste Rohr (11) besitzt eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils eine Öffnung (14, 15) zum zweiten Rohr (12),
- im ersten Rohr (11) befindet sich zwischen den Öffnungen (14, 15) ein Drosselorgan (17).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das zweite Rohr (12) besitzt eine größere Oberfläche als das erste Rohr (11).

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das zweite Rohr (12) ist über das erste Rohr (11) geschoben.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Drosselorgan (17) ist eine Blende.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Drosselorgan (17) ist eine Düse.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- wenigstens eine der Öffnungen (14, 15) ist als Perforationsfeld realisiert.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das zweite Rohr (12) besitzt an seiner Innen- und/oder Außenseite strömungslenkende und/oder den Wärmeübergang verbessernde Einrichtungen (18), z. B. Rippen.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das zweite Ende des zweiten Rohrs (12) ist als Schiebesitz ausgebildet.