DE10153033B4

DE10153033B4 - Abgas-Rückführ-Wärmetauscher für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10153033B4
Application number: DE10153033.1A
Authority: DE
Inventors: Gernot Tschaler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: DE10153033A1

Abstract

Abgas-Rückführ-Wärmetauscher für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Abgasrückführsystem, der zumindest zwei Abgasöffnungen und zwei Kühlmittelöffnungen, denen im Zylinderkopf jeweils eine korrespondierende Öffnung zugeordnet ist, aufweist, wobei zumindest eine Kühlmittelöffnung oder Abgasöffnung mit einem Flansch an die korrespondierende Öffnung montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede weitere Abgas- (2, 2') und/oder Kühlmittelöffnung (3, 3') mit der korrespondierenden Öffnung über ein zylinderkopfseitig und Abgas-Rückführ-wärmetauscherseitig kraftschlüssig einsteckbares Rohr (5, 5') flüssigkeits- und gasdicht verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Rückführ-Wärmetauscher für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die EP 0 930 429 A2 hingewiesen. Aus dieser ist eine Vorrichtung zur Kühlung von rückgeführtem Abgas einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bekannt, wobei das Abgas von der Kühlflüssigkeit im Gegenstromprinzip gekühlt wird. Für das Kühlmittel sind ferner ein Zuführstutzen und ein Abführstutzen vorgesehen.
Weiter ist aus der US 2,963,012 ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Ventilstößelstange in einem Ölrücklaufrohr angeordnet ist. Das Ölrücklaufrohr ist gegenüber dem Zylinderkopf und gegenüber dem Kurbelgehäuse öldicht abgedichtet.
Auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 57 379 A1 und der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 153 690 A1 ist jeweils ein Abgasrückführkühler mit, einer Kühlmittelkühlung bekannt, bei denen für die Kühlmittelzufuhr und die Kühlmittelabfuhr jeweils ein Stutzen vorgesehen ist. Die Stutzen sind jeweils knochenförmig ausgeführt und können bei einer wiederholten Temperaturänderung zu einer Undichtigkeit neigen.
Die Erfindung geht aus von der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 101 19 484 . In dieser ist eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem mit einem AGR-Wärmetauscher (Abgas-Rückführ-Wärmetauscher) mit einer Abgaszuführöffnung und einer Abgasabführöffnung, einer Kühlmittelzulauföffnung und einer Kühlmittelablauföffnung beschrieben. Dieser AGR-Wärmetauscher zeichnet sich dadurch aus, dass die Abgaszuführöffnung, die Abgasabführöffnung, die Kühlmittelzulauföffnung und die Kühlmittelablauföffnung in einer Montageebene angeordnet sind. Die Dichtheit der somit relativ grollen Montagefläche wird durch die Verwendung von mehreren Montageschrauben erreicht. Durch die Ausgestaltung dieses AGR-Wärmetauschers werden zusätzliche Kühlmittel- und Abgasleitungen sowie deren Verbindungselemente eingespart.
Bei Betrieb der Brennkraftmaschine nehmen jedoch die Bauteilbereiche um die Abgasöffnungen und die Kühlmittelöffnungen aufgrund der unterschiedlichen Medientemperaturen ebenfalls unterschiedliche Temperaturen an. Dies kann, ebenso wie die Verwendung verschiedener Bauteilmaterialien, zu Bauteilverzügen führen, die sich in Bezug auf die Langzeitdichtheit negativ auswirken könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Langzeitdichtheit eines gattungsgemäßen Abgas-Rückführ-Wärmetauschers zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden Bauteilverspannungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen, die entweder aufgrund der unterschiedlichen Medientemperaturen, oder durch die Verwendung unterschiedlicher Bauteilmaterialien, wie z. B. Aluminium für den Zylinderkopf und Edelstahl für den Abgasrückführkühler entstehen, ausgeglichen. Außerdem wird die Anzahl der notwendigen Schraubverbindungen reduziert, da für die verhältnismäßig kleinen Flansche geringere Flächenanpresskräfte aufzubringen und die Rohre nur einzustecken sind. Durch diese Maßnahme wird nicht nur die Dichtung weniger belastet, sondern es werden auch die Fertigungskosten gesenkt. Da die Rohre erst bei der Montage an der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, ist die Zugänglichkeit zu eventuellen Schweißstellen (z. B.: zwischen Diffusor und Kühlkörper) in vorteilhafter Weise während der Fertigung gegeben.
Die Ausgestaltung nach den Ansprüchen 2 bis 5 gewährleistet die vollständige Aufnahme von Wärmeverzügen in jeder Richtung. Die Rohre sind spannungsfrei, da der Abgas-Rückführ-Kühler selbst über zumindest einen Abgasflansch am Zylinderkopf befestigt ist. Eine statische Überbestimmung wird somit vermieden.
Eine Materialauswahl gemäß Anspruch 7 erlaubt für jeden Temperaturbereich die Auswahl des idealen Werkstoffes.
In vorteilhafter Weise werden bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 8 die Flanschverbindungen mit einer temperaturbeständigen Blechsickendichtung abgedichtet, während ausschließlich die thermisch weniger belasteten Kühlmittelübertritte mit Rohren verbunden sind. Somit nimmt der Abgas-Rückführ-Wärmetauscher bei Betrieb eine konstante Temperatur an, während die kraftschlüssige Steckverbindung mit elastischen Dichtelementen jeglichen Bauteilverzug ausgleicht. Neben einer einfachen Wartung ist eine lebenslange Dichtheit für diesen Abgas-Rückführ-Wärmetauscher zu erwarten.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Abgas-Rückführ-Wärmetauscher;
2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rohrverbindung.
1 zeigt die Aufsicht auf einen dreidimensional dargestellten Abgas-Rückführ-Wärmetauscher 1, bestehend aus einem weitestgehend rechteckigen Gehäuse 9, an dessen Stirnseiten jeweils ein Abgaskrümmer 10, 10' befestigt ist, mit jeweils einem Flansch 4, 4'. In jedem Flansch 4, 4' sind zwei Montagebohrungen 11, 11', in denen jeweils eine Befestigungsschraube 13, 13' eingesteckt ist. Das Gehäuse 9 verfügt darüber hinaus über zwei Stutzen 12, 12', die in die gleiche Richtung wie die Abgaskrümmer 10, 10' ausgerichtet sind. In jedem Stutzen 12, 12' ist ein Rohr 5, 5' eingesteckt. An dem freien Ende des Rohres 5, 5' ist ein Dichtelement 8, 8', hier ein O-Ring, erkennbar. Die Öffnung in den Stutzen 12, 12' bilden die Kühlmittelöffnungen 3, 3'. Im Flansch 4, 4' ist zwischen den Montagebohrungen 11, 11' je eine Abgasöffnung 2, 2' ersichtlich. An dem Flansch 4 sind die Montagebohrungen 11, 11' als Langlöcher gefertigt, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Je eine Kühlmittelöffnung 3, 3' und je eine Abgasöffnung 2, 2' dient als Kühlmittel- bzw. Abgaseinlass, während die zweite Kühlmittelöffnung 3, 3' bzw. Abgasöffnung 2, 2' als Kühlmittelauslass- bzw. Abgasauslassöffnung dient.
In 2, in der für dieselben Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in 1 gelten, ist ein Schnitt durch den AGR-Wärmetauscher 1 sowie das Rohr 5 dargestellt. Zur übersichtlicheren Darstellung wurden die Wärmetauscher-Strukturen im Gehäuse 9 nicht näher dargestellt.
Deutlich erkennbar ist der rechteckige Querschnitt des Gehäuses 9, mit dem daran angeformten Stutzen 12. Der Querschnitt des Stutzens 12 ist an seinem freien Ende vergrößert. In diesem vergrößerten Querschnitt ist das Rohr 5 eingesteckt. Das eine Ende des Rohrs 5, welches in den Stutzen 12 hineinragt, stellt einen Einsteckbereich 6 und das gegenüber liegende Ende, das in einen Kühlmittelkanal 14 von einem angedeuteten Zylinderkopf 15 eingesteckt ist, stellt einen Einsteckbereich 6 dar. Ein weiteres Merkmal des Einsteckbereichs 6, 6' ist eine Vertiefung 7, 7'. Diese Vertiefung 7, 7' ist eine radial um die Rohre 5, 5' umlaufende Vertiefung, hier eine Nut. In dieser Vertiefung 7, 7' befindet sich das Dichtelement 8, 8'. Der hinter dem Rohr 5 in dieser Darstellung normalerweise sichtbare Flansch 4' mit dem Abgaskrümmer 10' ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Bei der Montage des Abgas-Rückführ-Wärmetauschers 1 an dem Zylinderkopf 15 werden zuerst die Rohre 5, 5' in die Stutzen 12, 12' eingesteckt. Anschließend werden die freien Enden der Rohre 5, 5' in die korrespondierenden Kühlmittelöffnungen am Zylinderkopf 15 eingesteckt. Als Anschlag dienen die Flansche 4, 4'. Wenn diese auf der nicht dargestellten Flachdichtung, hier eine Blechsickendichtung, plan aufliegen, werden die Flansche mit den Befestigungsschrauben 13, 13' fest am Zylinderkopf verschraubt.
Bei der Montage der Rohre 5, 5' bildet sich im Einsteckbereich 6, 6' zwischen den Dichtelementen 8, 8' und dem Stutzen 12, 12' bzw. den korrespondierenden Kühlmittelöffnungen im Zylinderkopf 15 zunächst ein Kraftschluss aus. Durch diesen Kraftschluss wird das weiche Dichtelement 8, 8' leicht deformiert, was schließlich zu einem Formschluss führt. Dieser Formschluss ist sowohl gas- als auch flüssigkeitsdicht. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine erwärmen sich die abgasführenden Bauteile auf mehrere 100°C, während sich die kühlmittelführenden Bauteile auf max. 100 bis 150°C erwärmen. Die durch diese Temperaturdifferenzen entstehenden Bauteilverzüge werden problemlos von den weichen Dichtelementen 8, 8' aufgenommen und ausgeglichen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abgas-Rückführ-Wärmetauscherankoppelung an den Zylinderkopf 15, ist einerseits eine einfache problemlose Montage möglich, sowie eine ausgesprochen lange Systemdichtheit erreicht, sowohl abgasseitig als auch kühlmittelseitig.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle Bauteile aus dem selben Material, Edelstahl. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Abgaskrümmer 10, 10' mit den Flanschen 4, 4' auch aus einer Leichtmetall-Legierung aufgebaut sein. Die Rohre 5, 5' sind ebenfalls aus Edelstahl, können jedoch auch aus hochtemperaturfesten, z. B. faserverstärkten Kunststoffen, gefertigt werden. Die Dichtelemente 8, 8' sind handelsübliche O-Ringe aus Perbunan, es können jedoch auch andere Materialien, wie Viton bzw. Silikone zum Einsatz kommen. Die Vertiefungen 7, 7' können wie im vorliegenden Fall Abtragungen aus dem Rohrmaterial sein, alternativ können sie auch durch Umformen spanlos gefertigt werden. Anstelle der Blechsickendichungen können auch andere, im Kfz-Bau übliche, hochtemperaturfeste Dichtungen zum Einsatz kommen.
Bezugszeichenliste

1: AGR-Wärmetauscher
2, 2': Abgasöffnung
3, 3': Kühlmittelöffnung
4, 4': Flansch
5, 5': Rohr
6, 6': Einsteckbereich
7, 7': Vertiefung
8, 8': Dichtelement
9: Gehäuse
10, 10': Abgaskrümmer
11, 11': Montagebohrung
12, 12': Stutzen
13, 13': Befestigungsschraube
14: Kühlmittelkanal
15: Zylinderkopf

Claims

Abgas-Rückführ-Wärmetauscher für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Abgasrückführsystem, der zumindest zwei Abgasöffnungen und zwei Kühlmittelöffnungen, denen im Zylinderkopf jeweils eine korrespondierende Öffnung zugeordnet ist, aufweist, wobei zumindest eine Kühlmittelöffnung oder Abgasöffnung mit einem Flansch an die korrespondierende Öffnung montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede weitere Abgas- (2, 2') und/oder Kühlmittelöffnung (3, 3') mit der korrespondierenden Öffnung über ein zylinderkopfseitig und Abgas-Rückführ-wärmetauscherseitig kraftschlüssig einsteckbares Rohr (5, 5') flüssigkeits- und gasdicht verbindbar ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5, 5') an beiden Enden über einen Einsteckbereich (6, 6') verfügt.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang jedes Einsteckbereichs (6, 6') eine radiale Vertiefung (7, 7') vorgesehen ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jeden Einsteckbereich (6, 6') radial auf der Außenfläche ein Dichtelement (8, 8') angeordnet ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (8, 8') ein O-Ring ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (8, 8') von der radialen Vertiefung (7, 7') gehalten ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5, 5') aus einem metallischen Werkstoff oder aus Kunststoff ist.
Abgas-Rückführ-Wärmetauscher nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasöffnungen (2, 2') über jeweils einen Flansch (4, 4') und die Kühlmittelöffnungen (3, 3') über jeweils ein Rohr mit den korrespondierenden Öffnungen verbunden sind.