DE10053591A1 - IC engine with exhaust gas re-circulation has exhaust gas cooler formed as heat tube heat exchanger with heat tube connected to heat sink - Google Patents
IC engine with exhaust gas re-circulation has exhaust gas cooler formed as heat tube heat exchanger with heat tube connected to heat sinkInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Einlasssystem und ei nem Auslasssystem und einer vom Auslasssystem abzweigenden und zum Ein lasssystem führenden Abgasrückführleitung, wobei in der Abgasrückführleitung ein Abgasrückführkühler angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine with an intake system and egg an outlet system and one branching off from the outlet system and to the on lasssystem leading exhaust gas recirculation line, being in the exhaust gas recirculation line an exhaust gas recirculation cooler is arranged.
Es ist bekannt, zur Absenkung der NOx-Emissionen bei Brennkraftmaschinen eine Teilstrom des Abgases aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem rück zuführen. Die Verringerung der NOx-Emissionen erfolgt dabei direkt bei der Verbrennung, einerseits durch eine Reduktion der Flammentemperatur und an dererseits durch eine Reduktion der Brenngeschwindigkeit. Obwohl also durch die Abgasrückführung die Temperatur des angesaugten Frischluft-Abgas-Gemisches erhöht wird, haben die oben genannten Mechanismen während der Verbrennung den Effekt einer Brenngastemperaturerniedrigung. Um die NOx-Emissionen wei ter zu senken, ist es vorteilhaft, beide Komponenten des angesaugten Gasgemi sches (Frischluft und rückgeführtes Abgas) zusätzlich noch soweit wie möglich abzukühlen. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist beispielsweise aus der DE 43 19 380 C1 bekannt. Der Abgasrückführkühler ist üblicherweise als einfa cher Luft/Luft- oder Luft/Wasser-Wärmetauscher ohne ein den Aggregatzustand änderndes Arbeitsmedium ausgebildet.It is known to return a partial flow of the exhaust gas from the exhaust system into the intake system to reduce the NO x emissions in internal combustion engines. The NOx emissions are reduced directly during combustion, on the one hand by reducing the flame temperature and on the other hand by reducing the burning rate. Thus, although the temperature of the intake fresh air / exhaust gas mixture is increased by the exhaust gas recirculation, the above-mentioned mechanisms have the effect of lowering the combustion gas temperature during the combustion. In order to further reduce the NO x emissions, it is advantageous to additionally cool both components of the gas mixture drawn in (fresh air and recirculated exhaust gas) as far as possible. An internal combustion engine of this type is known for example from DE 43 19 380 C1. The exhaust gas recirculation cooler is usually designed as a simple air / air or air / water heat exchanger without a working medium that changes the physical state.
Aus der US 3,962,869 A und der US 4,107,922 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Wärmerohr-Wärmetauscher im Auslasssystem bekannt, welcher dem Ab gas Wärme im Bereich eines Auslasssammlers entzieht und einem Abgasreaktor zuführt.From US 3,962,869 A and US 4,107,922 A is an internal combustion engine a heat pipe heat exchanger known in the exhaust system, the Ab gas removes heat in the area of an outlet collector and an exhaust gas reactor feeds.
Aus der RU 2 070 655 C1 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Wärme rohr-Wärmetauscher bekannt, welcher Wärme dem Abgas des Auslasssystemes entzieht, und einem Vergaser des Einlasssystemes zuführt.From RU 2 070 655 C1 there is also an internal combustion engine with a heat Pipe heat exchanger known, which heat the exhaust gas of the exhaust system withdrawn, and a carburetor of the intake system.
Wärmerohr-Wärmetauscher, welche nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, weisen eine oder mehrere geschlossene und evakuierte Röhren auf. Jede Röhre bildet einen geschlossenen Kreislauf. Der Wärmetransport erfolgt da bei durch die Zirkulation eines speziellen Arbeitsmediums in der Röhre. Durch stetiges Verdampfen und anschließendes Kondensieren des verdampfbaren Ar beitsmediums, beispielsweise Methanol, wird die an einem Ende des Rohres zu geführte Wärme am anderen Ende des Rohres durch Kondensation des Arbeits mediums an eine Wärmesenke abgegeben. Nach dem Heat-Pipe-Prinzip arbei tende Wärmerohr-Wärmetauscher erlauben hohe konstruktive Freiheiten, können sehr kompakt ausgeführt werden und arbeiten mit hohem Wirkungsgrad, insbe sondere bei größeren Temperaturdifferenzen.Heat pipe heat exchanger, which according to the so-called heat pipe principle work, have one or more closed and evacuated tubes. Each tube forms a closed circuit. The heat is transported there by the circulation of a special working medium in the tube. By continuous evaporation and subsequent condensation of the evaporable Ar beitsmediums, for example methanol, is at one end of the tube conducted heat at the other end of the tube through condensation of the work mediums to a heat sink. Work according to the heat pipe principle Heat pipe heat exchangers allow great structural freedom, can run very compact and work with high efficiency, esp especially with larger temperature differences.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Brennkraftmaschine der eingangs ge nannten Art eine konstruktiv einfache und platzsparende effiziente Kühlung des rückgeführten Abgases zu ermöglichen.The object of the invention is to ge in an internal combustion engine called a structurally simple and space-saving efficient cooling of the to enable recirculated exhaust gas.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Abgasrückführkühler als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium gefülltes Wärmerohr aufweist, dessen erstes Ende in der Abgasrückführleitung angeordnet ist und dessen zweites Ende mit einer Wärmesenke verbunden ist. Das in der Abgasrückführleitung angeord nete erste Endes jedes Wärmerohres wird vom rückgeführten Abgas umströmt. Das mit einer Wärmesenke verbundene zweite Ende wird vom gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium umströmt. Die Wärmesenke kann dabei durch den Kühl kreislauf des Motors oder den Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum gebildet sein.According to the invention this is achieved in that the exhaust gas recirculation cooler as Heat pipe heat exchanger is formed and at least one closed Evacuated and filled with a working fluid heat pipe, the first end is arranged in the exhaust gas recirculation line and its second end is connected to a heat sink. That arranged in the exhaust gas recirculation line Recirculated exhaust gas flows around the first end of each heat pipe. The second end connected to a heat sink is the gaseous or flows around the liquid cooling medium. The heat sink can be cooled circuit of the engine or the heating circuit for the vehicle interior his.
Eine besonders gute Kühlung des rückgeführten Abgases ergibt sich, wenn der Wärmerohr-Wärmetauscher mehrere Wärmerohre aufweist, welche in Gruppen von zumindest zwei, vorzugsweise drei Reihen, angeordnet sind. Die Wärme rohre sind dabei radial zur Abgasrückführleitung angeordnet, wodurch der Ab gaskühler sehr kompakt ausgeführt werden kann.A particularly good cooling of the recirculated exhaust gas results when the Heat pipe heat exchanger has several heat pipes, which in groups of at least two, preferably three rows. The warmth Pipes are arranged radially to the exhaust gas recirculation line, whereby the Ab gas cooler can be made very compact.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgese hen, dass im Abgasrückführkühler die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke unter schiedlich sind. Innerhalb ein und desselben Abgasrückführkühlers kann darüber hinaus bei zumindest zwei Wärmerohren die Art des Arbeitsmediums und/oder dessen Füllstand - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgasrückführkühlers - unterschiedlich sein.In a particularly preferred embodiment variant of the invention, it is provided that the diameter and / or the immersion depths in the exhaust gas recirculation cooler the heat pipes in the recirculated exhaust gas and / or in the heat sink below are different. Within one and the same exhaust gas recirculation cooler, this can be done with at least two heat pipes, the type of working medium and / or its fill level - according to the heat gradient of the exhaust gas recirculation cooler - be different.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it
Fig. 1 eine Schemazeichnung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 1 is a schematic drawing of the internal combustion engine according to the invention,
Fig. 2 eine Schrägansicht des Wärmerohr-Wärmetauschers ohne Oberteil in einer Ausführungsvariante, Fig. 2 is a perspective view of the heat pipe heat exchanger without the upper part in an embodiment variant,
Fig. 3 Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer Ausführungsvari ante, Fig. 3 A heat pipe heat exchanger in cross-section in a Ausführungsvari ante,
Fig. 4 den Wärmerohr-Wärmetauscher im Querschnitt in einer weiteren, luftgekühlten Ausführungsvariante, Fig. 4 shows the heat pipe heat exchanger in cross-section, in a further, air-cooled embodiment
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Wärmerohr-Wärmetau schers in einer dritten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 5 is a partially sectioned view of a heat pipe Wärmetau exchanger in a third embodiment of an internal combustion engine according to the invention,
Fig. 6 eine Draufsicht auf diesen Wärmerohr-Wärmetauscher und Fig. 6 is a plan view of this heat pipe heat exchanger and
Fig. 7 den Wärmerohr-Wärmetauscher im Schnitt gemäß der Linie VII-VII in Fig. 5. Fig. 7 shows the heat pipe heat exchanger in the section along the line VII-VII in Fig. 5.
Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszei chen versehen.Functionally identical parts have the same reference number in the design variants Chen provided.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Einlass system 2 und ein Auslasssystem 3 auf. Mit 2a ist ein Einlasssammler des Einlass systemes 2 und mit 3a ein Auslasssammler des Auslasssystemes 3 bezeichnet. Zur Rückführung von Abgas zweigt vom Auslasssystem 3 eine Abgasrückführlei tung 4 ab und mündet in das Einlasssystem 2, wobei im Bereich der Mündung eine Düse-Diffusoreinheit 5 angeordnet sein kann. Die Düse-Diffusoreinheit 5 kann gegebenenfalls über eine Bypassleitung 6, in welcher ein Steuerventil 7 vorgesehen ist, umgehbar ausgeführt sein.The internal combustion engine 1 shown schematically in FIG. 1 has an intake system 2 and an exhaust system 3 . 2 a denotes an intake manifold of the intake system 2 and 3 a denotes an exhaust manifold of the exhaust system 3 . For the return of exhaust gas branches off from the exhaust system 3, an exhaust gas recirculation device 4 and opens into the intake system 2 , it being possible for a nozzle-diffuser unit 5 to be arranged in the region of the mouth. The nozzle-diffuser unit 5 can, if appropriate, be designed to be bypassable via a bypass line 6 , in which a control valve 7 is provided.
Zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases ist in der Abgasrückführ leitung 4 ein Abgasrückführ-Steuerventil 8 angeordnet. In der Abgasrückleitung 4 ist weiters ein Abgasrückführkühler 9 vorgesehen, mit welchem die Temperatur des rückgeführten Abgases und somit die Brennraumtemperatur weiter abge senkt werden kann, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Der Abgasrückführ kühler 9 ist als Wärmerohr-Wärmetauscher 10 ausgeführt und arbeitet nach dem Prinzip von bekannten Heat-Pipe-Systemen. Der Wärmerohr-Wärmetauscher 10 weist eine Anzahl von geschlossenen Wärmerohren 11 auf, deren Innenraum evakuiert ist und ein verdampfbares Arbeitsmedium 12, beispielsweise Alkohol, Wasser, etc., beinhaltet. Das erste Ende 13 jedes Wärmerohres 11 befindet sich in der Abgasrückführleitung 4 und wird durch das durch den Pfeil 14 angedeutete rückgeführte Abgas umströmt, welches im vorliegenden Fall die Wärmequelle H1 bildet. Das zweite Ende 15 jedes Wärmerohres 11 befindet sich im Bereich einer Wärmesenke H2, welche durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Luft gebildet ist. Insbesondere bei flüssigem Kühlmedium kann sich das zweite Ende 15 in einem geschlossenen Kühlkanal 16 eines Kühlkreislaufes 17 befinden, wel cher beispielsweise ein Motorkühlkreislauf bzw. ein Heizungskreislauf für den Fahrgastinnenraum sein kann. Mit Bezugszeichen 18 ist ein Wärmetauscher zur Ableitung der Wärme des Kühlkreislaufes 17, beispielsweise der Kühler oder ein Heizungsradiator, bezeichnet. To control the amount of recirculated exhaust gas, an exhaust gas recirculation control valve 8 is arranged in the exhaust gas recirculation line 4 . In the exhaust gas recirculation line 4 , an exhaust gas recirculation cooler 9 is also provided, with which the temperature of the recirculated exhaust gas and thus the combustion chamber temperature can be further reduced in order to reduce the NOx emissions. The exhaust gas recirculation cooler 9 is designed as a heat pipe heat exchanger 10 and works on the principle of known heat pipe systems. The heat pipe heat exchanger 10 has a number of closed heat pipes 11 , the interior of which is evacuated and contains an evaporable working medium 12 , for example alcohol, water, etc. The first end 13 of each heat pipe 11 is located in the exhaust gas recirculation line 4 and is flowed around by the recirculated exhaust gas indicated by the arrow 14 , which forms the heat source H 1 in the present case. The second end 15 of each heat pipe 11 is located in the area of a heat sink H 2 , which is formed by a cooling medium, for example water or air. In particular in the case of liquid cooling medium, the second end 15 can be located in a closed cooling channel 16 of a cooling circuit 17, which can be, for example, an engine cooling circuit or a heating circuit for the passenger compartment. Reference number 18 denotes a heat exchanger for dissipating the heat of the cooling circuit 17 , for example the cooler or a heating radiator.
Fig. 4 zeigt eine analoge Ausführung zur Fig. 3, wobei das zweite Ende 15 des Wärmerohres 11 durch Luft gekühlt wird. Das zweite Ende 15 wird dabei von Kühlrippen 19 umgeben. FIG. 4 shows an embodiment analogous to FIG. 3, the second end 15 of the heat pipe 11 being cooled by air. The second end 15 is surrounded by cooling fins 19 .
Durch das in der Abgasrückführleitung 4 strömende Abgas 14 wird das erste Ende 13 des Wärmerohres 11 und somit das darin enthaltene Arbeitsmedium 12 erwärmt, wodurch das Arbeitsmedium 12 verdampft und dem Abgas 14 Wärme entzieht. Das zweite Ende 15 wird durch die durch das Kühlmedium, beispiels weise Luft oder Wasser gebildete Wärmesenke H2 gekühlt, wodurch das dampf förmige Arbeitsmedium 12 im Bereich des zweiten Endes 15 kondensiert und da bei Wärme an das Kühlmedium 20 abgibt. Das kondensierte Arbeitsmedium 12 gleitet entlang der Innenwand durch die Wirkung der Schwerkraft nach unten zum ersten Ende 13 des Wärmerohres 11 und damit zur Wärmesenke H1. Dieser "freie" Umlauf des Arbeitsmediums kann durch den Einbau eines Kapillarenkör pers 22 (Fig. 4) entlang der gesamten Länge der Wärmerohrinnenwand in eine Art "Zwangsumlauf" übergeführt werden. Der Kapillarenkörper 22, der vorzugs weise aus mehreren Lagen eines Drahtgeflechtes bzw. aus einem porösen Metall schwamm besteht, verbessert sowohl den Transport des kondensierten Arbeits mediums 12 zur Wärmequelle H1 als auch die Verdampfungsbedingungen.The exhaust gas 14 flowing in the exhaust gas recirculation line 4 heats the first end 13 of the heat pipe 11 and thus the working medium 12 contained therein, as a result of which the working medium 12 evaporates and extracts heat from the exhaust gas 14 . The second end 15 is cooled by the heat sink H 2 formed by the cooling medium, for example air or water, as a result of which the vaporous working medium 12 condenses in the region of the second end 15 and releases heat to the cooling medium 20 . The condensed working medium 12 slides along the inner wall due to the action of gravity down to the first end 13 of the heat pipe 11 and thus to the heat sink H 1 . This "free" circulation of the working medium can be converted into a kind of "forced circulation" by installing a capillary body 22 ( FIG. 4) along the entire length of the inner wall of the heat pipe. The capillary body 22 , which preferably consists of several layers of wire mesh or sponge from a porous metal, improves both the transport of the condensed working medium 12 to the heat source H 1 and the evaporation conditions.
Die Wärmerohre 11 sind vorteilhafterweise in Gruppen von einer, zwei oder drei Reihen 21 in der Abgasrückführleitung 4 angeordnet.The heat pipes 11 are advantageously arranged in groups of one, two or three rows 21 in the exhaust gas recirculation line 4 .
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei Reihen 21 von Wärmerohren 11, Fig. 3 eine Anordnung mit einer Reihe 21 von Wärmerohren 11 im Querschnitt. Der An strömwinkel α des Kühlmediums 20 im bezug auf die Längsachse 4a der Abgas rückführleitung 4 ist in weiten Bereichen frei wählbar. FIG. 2 shows an arrangement with two rows 21 of heat pipes 11 , FIG. 3 shows an arrangement with a row 21 of heat pipes 11 in cross section. At the flow angle α of the cooling medium 20 with respect to the longitudinal axis 4 a of the exhaust gas recirculation line 4 is freely selectable over a wide range.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine Ausführungsvariante eines Wärmerohr-Wärmetau schers 10 mit drei Reihen 21 von Wärmerohren 11, wobei zwei benachbarte Rei hen versetzt zueinander angeordnet sind, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Auch in die ser Ausführungsvariante können die Wärmerohre 11 durch ein Kühlmedium, bei spielsweise Luft oder Wasser, gekühlt werden. Figs. 5 to 7 show an embodiment of a heat pipe Wärmetau exchanger 10 with three rows 21 of heat pipes 11, two adjacent Rei hen offset from each other, as shown in Fig. 6 can be seen. In this water variant, the heat pipes 11 can be cooled by a cooling medium, for example air or water.
Der Wärmerohr-Wärmetauscher 10 in der Abgasrückführleitung 4 erlaubt eine einfache und effektive Kühlung des rückgeführten Abgases, wobei große kon struktive Freiheiten in der Gestaltung und Anordnung der Wärmerohre 11 in der Wahl des Kühlmediums und dessen Anströmrichtung bestehen.The heat pipe heat exchanger 10 in the exhaust gas recirculation line 4 allows simple and effective cooling of the recirculated exhaust gas, with great structural freedom in the design and arrangement of the heat pipes 11 in the choice of the cooling medium and its flow direction.
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