-
Die
Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmetauscher sowie eine Abgasrückführeinheit
nach den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche.
-
Bei
Kühleinrichtungen
für Abgase
in Fahrzeugen, beispielsweise bei einer Abgasrückführungseinrichtung, können am
Wärmetauscher
Schäden
durch örtlich
auftretende Dampfblasenbildung des Kühlwassers mit daraus resultierender
Bauteilüberhitzung
auftreten. Durch die üblicherweise
hohe Wärmeleistung
des Wärmetauschers
treten große kühlmedienseitige
Temperaturunterschiede auf, die zu unterschiedlicher thermischer
Belastung des Wärmetauscherkörpers und
an manchen hoch belasteten Stellen des Wärmetauschers zur Dampfblasenbildung
führen.
Die Zufuhr größerer Wassermengen ist üblicherweise
wegen des mit der Wassermenge stark ansteigenden Druckverlusts des
Wärmetauschers
praktisch nicht zu realisieren.
-
Es
ist bekannt, bei Abgaskühlern
in Fahrzeugen Kreuzstrom-Wärmetauscher
einzusetzen, bei denen ein Kühlmedium
senkrecht zu dem zu kühlenden
Abgas geführt
wird. Ein solcher Kreuzstrom-Wärmetauscher
ist beispielsweise aus der WO 03/044342 A1 bekannt. Dort wird das
Abgas mäanderförmig zwischen
aufeinander gestapelten Platten geführt, wobei die Platten und
Abgas führenden
Bereiche mit zur Abgasströmungsrichtung
senkrecht verlaufenden Kühlrohren
durchsetzt sind, in denen das Kühlmedium
fließt.
Bei höherem
Kühlmediendurchsatz
steigt der Druckverlust über
den Kühlrohren
an.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzstrom-Wärmetauscher anzugeben, der
einen möglichst
geringen Druckverlust aufweist und einen hohen Kühlmediendurchsatz erlaubt.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen Kreuzstrom-Wärmetauscher,
insbesondere zur Abgaskühlung
in einem Fahrzeug, sind zur Bildung der Abgaskanäle und der Kühlmedienkanäle durchströmbare Räume bildende
Trennwände
in Plattenbauweise angeordnet. Vorteilhaft ergeben sich dadurch
eine große
Kontaktfläche
zur Wärmeabfuhr
aus dem Abgas sowie eine hohe Leistungsdichte des Kreuzstromwärmetauschers.
Weiterhin weist die Anordnung einen geringen Strömungswiderstand auf. Thermische Spannungen
im Wärmetauscherkörper können verringert
werden. Die Trennwände
können
auch als Begrenzungswände
von hohlen Wärmetauscherplatten vorgesehen
sein, wobei die Wärmetauscherplatten aufeinander
gestapelt sind und die Hohlräume
zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten
von einem der Medien, beispielsweise von dem Kühlmedium, durchströmbar sind,
während
das andere Medium, beispielsweise das Abgas, durch die hohlen Wärmetauscherplatten
selbst strömt.
Selbstverständlich
kann auch das Kühlmedium
durch die Wärmetauscherplatten
strömen
und das Abgas im Hohlraum zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten.
-
Günstige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
-
Eine
besonders vorteilhafte Wärmeabfuhr
ist möglich,
wenn der jeweilige Eingang der einzelnen Kühlmedienkanäle eine Breite aufweist, die
im Wesentlichen einer Länge
der die Abgaskanäle
und Kühlmedienkanäle bildenden
Trennwände
in Strömungsrichtung
des Abgases entspricht. Das Abgas ist entlang seiner Lauflänge im Wärmetauscher
mit kaltem Kühlmedium
in Kontakt. Das Abgas durchströmt
seine Abgaskanäle
vorzugsweise geradlinig. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Abgas
mäanderförmig oder
in anderer geeigneter, nichtgeradliniger Weise durch die Abgaskanäle geleitet
wird, um den Kontakt mit dem Kühlmedium
zu verbessern. Der Strömungswiderstand
ist gering und der Druckverlust auch bei hohem Kühlmediendurchsatz vorteilhaft niedrig.
Die Gefahr einer Dampfblasenbildung und daraus resultierende Schäden am Wärmetauscher sind
vermindert. Die Eintrittsquerschnitte der Kühlmedienkanäle können günstig auf die Eintrittsquerschnitte
der Abgaskanäle
abgestimmt werden. So kann beispielsweise der jeweilige Eintrittsquerschnitt der
einzelnen Kühlmedienkanäle größer sein
als der jeweilige Eintrittsquerschnitt der einzelnen Abgaskanäle.
-
Weisen
die Kühlmedienkanäle eine
durchströmte
Länge auf,
die kleiner ist als wenigstens die größere der Abmessungen der den
Eintrittsquerschnitt bildenden Breite und Höhe des Kühlmedienkanals, kann ein besonders
geringer Strömungswiderstand
erreicht werden bei gleichzeitig sehr hohem Kühlmediendurchsatz. Eine große Querschnittsfläche bei
gleichzeitig kurzer Umströmungsstrecke ermöglicht einen
geringen Druckverlust der Kühlmedienkanäle.
-
Weisen
die den jeweiligen Kühlmedienkanal begrenzenden
Trennwände
in den Kühlmedienkanal ragende
Strömungskörper auf,
kann eine günstige Kühlmedienverteilung
im Kühlmedienkanal
erreicht werden. Dabei kann der Strömungswiderstand des Kühlmediums
in dem Kühlmedienkanal
entlang der Lauflänge
des Abgases im Abgaskanal vorzugsweise so variiert werden, dass
eine möglichst
gute Wärmeabfuhr
bei möglichst
homogener thermischer Belastung des Wärmetauscherkörpers möglich ist.
Eine gewünschte
Strömungsführung kann
auch durch die geometrische Form der Strömungskörper erreicht werden. Vorzugsweise
sind derartige Strömungskörper in
jedem Kühlmedienkanal
angeordnet. Es ist jedoch auch möglich,
derartige Strömungskörper gezielt
in ausgewählten
Kühlmedienkanälen anzuordnen.
Damit kann die thermische Belastung des Wärmetauschers integral homogenisiert
werden, wenn im Außenbereich
des Wärmetauschers
beispielsweise weitere Wärmequellen
angeordnet sind, welche den Wärmetauscher
durch Abwärme
lokal aufheizen.
-
Vorzugsweise
sind die Strömungskörper so angeordnet
und/oder ausgebildet, dass eine optimierte Strömungsverteilung zur Regelung
der Bauteiltemperatur des Bauteils Kreuzstrom-Wärmetauschers
selbst und der Abgaskühlung
erzielbar ist. Der Fachmann kann die bestmögliche Strömungsverteilung durch Form
und Anordnung der Strömungskörper auswählen und
an gegebene Rahmenbedingungen anpassen. Bevorzugt erfolgt dabei
im Bereich des Ausgangs der Abgaskanäle ein geringerer Kühlmediendurchsatz
als im Bereich des Eingangs der Abgaskanäle. Damit kann eine erhöhte Wärmeabfuhr am
Eingang des Abgaskanals erreicht werden, an dem das Abgas seine
maximale Temperatur aufweist, während
am Ausgang, an dem das Abgas weitestgehend auf unkritische Temperaturen
abgekühlt ist,
weniger Wärme
abgeführt
wird.
-
Sind
die Strömungskörper im
Bereich des Ausgangs der Abgaskanäle dichter angeordnet sind als
im Bereich des Eingangs der Abgaskanäle, kann mit einer einfachen
geeigneten Verteilung der Strömungskörper ein
gewünschter
Verlauf des Druckabfalls bzw. des Strömungswiderstandsverlauf entlang der
Lauflänge
des Abgaskanals eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann
bei der Auslegung des Kreuzstrom-Wärmetauschers
auch die Form der Strömungskörper so
gewählt
werden, dass eine gezielte Beeinflussung der Durchflussmenge und/oder des
Druckabfalls sowie der Strömungsführung erfolgt.
Dies lässt
sich leicht für
verschiedene Wärmetauscherdesigns
und Leistungsanforderungen an den Kreuzstrom-Wärmetauscher anpassen.
-
In
einer sehr günstigen
Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungskörper zwischen den einen Kühlmedienkanal
begrenzenden Trennwänden ausgebildet.
Eine solche Anordnung der Strömungskörper ist
zur Verbesserung der Bauteilsteifigkeit vorteilhaft und kann zusätzlich auch
die thermische Funktion des Wärmetauschers
verbessern.
-
Erfindungsgemäß ist ein
derartiger Kreuzstromwärmetauscher
in einer Abgasrückführeinrichtung
in einem Fahrzeug eingesetzt.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale
in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten
und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
-
Dabei
zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 einen
Schnitt durch einen bevorzugten Wärmetauscher,
-
2 ein
Detail eines Kühlmedienkanals, und
-
3 eine
Draufsicht auf eine Trennwand mit in einen Kühlmedienkanal ragenden Strömungselementen.
-
In
den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen gleich bleibende Elemente
grundsätzlich
mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
-
Wie
in 1 in schematischer Darstellung gezeigt, ist ein
erfindungsgemäßer Kreuzstrom-Wärmetauscher 10 in
Stapelbauweise ausgestaltet. Ein solcher Kreuzstrom-Wärmetauscher 10 ist
beispielsweise in einer bevorzugten Abgasrückführeinrichtung in einem Fahrzeug
einsetzbar. Eine solche, nicht dargestellte Abgasrückführeinheit
ist stromab einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet
und führt
Abgas zur Brennkraftmaschine zurück,
welches betriebsabhängig
mit Verbrennungsluft vermischt dem Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine wieder
zugeführt
wird. Dabei wird das heiße
Abgas in der Abgasrückführeinheit
auf relativ niedrige Temperaturen abgekühlt.
-
Abgaskanäle 11 und
Kühlkanäle 12 werden gebildet,
indem Trennwände 13 aufeinander
gestapelt werden und abwechselnd entsprechende durchströmbare Räume in Form
dieser Abgaskanäle 11 und
Kühlkanäle 12 bilden.
Dabei wechseln sich in Stapelrichtung Abgaskanäle 11 und Kühlkanäle 12 ab.
Die Abgaskanäle 11 sind
quer, insbesondere senkrecht, zu den Kühlmedienkanälen 12 geführt. Die
Abgaskanäle 11 weisen
einen Eingang 21 mit einem Eintrittsquerschnitt 16 und
einen Ausgang 22 mit einem Austrittsquerschnitt 17 auf;
die Kühlmedienkanäle 12 weisen
einen Eingang 23 mit einem Eintrittsquerschnitt 18 und
einen Ausgang 24 mit einem nicht erkennbaren und nicht
näher bezeichneten
Austrittsquerschnitt auf (2). Der Übersichtlichkeit
wegen ist jeweils nur einer der Mehrzahl von Eingängen 21, 23 und
Ausgängen 22 sowie
der Eintrittsquerschnitte 16, 18 und Austrittsquerschnitte 17 des
Stapels von Trennwänden 13 mit
Bezugszeichen beziffert. Nach außen ist der Kreuzstrom-Wärmetauscher 10 mit
geeigneten, nicht dargestellten Außenwänden und Anschlüssen für die die
Kühlmedienkanäle 12 und
die Abgaskanäle 11 beaufschlagenden
Medien versehen.
-
Heißes Abgas,
gekennzeichnet durch Pfeile 14, strömt durch die Eingänge 21 in
den Kreuzstrom-Wärmetauscher 10,
und abgekühltes
Abgas, gekennzeichnet durch Pfeile 15, tritt durch die
Ausgänge 22 aus.
Kaltes Kühlmedium,
insbesondere Kühlwasser,
tritt durch den jeweiligen Eintrittsquerschnitt 18 der
Eingänge 23 in
die einzelnen Kühlmedienkanäle 12.
Die Strömungsrichtung
des Abgases ist parallel zu der Zeichenebene, die Strömungsrichtung
des Kühlmediums
ist senkrecht zur Zeichenebene gerichtet. Vorzugsweise ist der Austrittsquerschnitt
am Ausgang 24 des Kühlmedienkanals 12 gleich
groß wie
der Eintrittsquerschnitt 18 und der Austrittsquerschnitt 17 am
Ausgang 22 des Abgaskanals 11 gleich groß wie der
Eintrittsquerschnitt 16.
-
Der
jeweilige Eingang 23 der einzelnen Kühlmedienkanäle 12 weist eine Breite
W auf, die im Wesentlichen einer Länge der die Abgaskanäle 11 und Kühlmedienkanäle 12 bildenden
Trennwände 13 entspricht.
Die Kühlmedienkanäle 12 weisen
dagegen eine durchströmte
Länge L
auf, die sehr viel kleiner ist als die Breite W des Eingangs 23,
insbesondere ist die Länge
L nur ein Bruchteil der Breite W. Durch die große Querschnittsfläche (Eintrittsquerschnitt 18) und
die kurze Umströmungsstrecke
(Länge
L) ist ein sehr kleiner Druckverlust in den Kühlmedienkanälen 12 erzielbar.
Die gesamte zur Verfügung
stehende Querschnittsfläche
für das
Kühlmedium
ist die Summe der einzelnen Querschnittsflächen 18.
-
Dies
ist anhand der 2 näher erläutert, bei der ein einzelner
Kühlmedienkanal 12 aus
dem Kreuzstrom-Wärmetauscher 10 perspektivisch
herausgestellt ist. Ein Kühlmedium,
das durch einen Eintrittsquerschnitt 18 in einen Eingang 23 eintritt
und durch einen Ausgang 24 austritt, ist durch einen Pfeil 19 gekennzeichnet,
wobei das Kühlmedium über die ganze
Breite W in den Kühlmedienkanal 12 eintritt. Der
Kühlmedienkanal 12 weist
eine Höhe
H und eine durchströmte
Länge L
auf. Würde
das Kühlmedium an
der Seite eintreten, würde
nur ein drastisch kleinerer Eintrittsquerschnitt mit entsprechend
höherem Druckverlust
zur Verfügung
stehen. Würden
beispielhaft für
Länge L,
Höhe H
und Breite W die Werte L = 10 mm, H = 1 mm und W = 100 mm gesetzt,
ergäbe sich
für den
Eintrittsquerschnitt 18 mit W·H ein Wert von 100 mm2, während
den seitlichen Eintrittsquerschnitt mit L·H nur 10 mm2 ergäbe.
-
Für einen
gegebenen Volumenstrom V ergibt sich für einen seitlichen Eintrittsquerschnitt
ein deutlich größerer Druckverlust.
Dabei ist in beiden Fällen dieselbe
Oberfläche
für die
Wärmeübertragung
verfügbar.
-
Wie
aus der 3 in Draufsicht auf eine Trennwand 13 eines
Kühlmedienkanals 12 ersichtlich,
weist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Oberfläche 25 der
Trennwand 13 als Noppen ausgebildete Strömungskörper 20 auf,
die die Steifigkeit des Kreuzstrom-Wärmetauschers 10 verbessern. Die
Noppen sind vorzugsweise als Lötnoppen
ausgebildet, welche bei der Herstellung bzw. beim Fügen, insbesondere
Stanzen und Pressen, der Trennwände 13 vorteilhaft
herstellungsbedingt vorgesehen sind. Die Strömungskörper können auch jede andere geometrische
Form aufweisen, die für
eine funktionsgerechte Strömungsführung notwendig
sind.
-
Gleichzeitig
beeinflussen die Strömungskörper 20 durch
ihre Gestalt, Größe und Verteilung
den Strömungswiderstand
eines durch einen Eingang eintretenden Kühlmediums, das durch einen
Pfeil 19 angedeutet ist, und/oder den Druckabfall über einer Lauflänge des
Kühlmedienkanals 12.
Während
heißes
Abgas (Pfeile 14) durch einen Eintrittsquerschnitt 16 eines
Eingangs 21 in den Kreuzstrom-Wärmetauscher 10 eintritt
und diesen durch einen Austrittsquerschnitt 17 eines Ausgangs 16 verlässt (Pfeile 15), strömt das Kühlmedium
senkrecht dazu durch einen Eingang 23 in den Kühlmedienkanal 12 und
verlässt diesen
durch einen Ausgang 24.
-
Die
Strömungskörper 20 sind
so angeordnet, dass kühlmedienkanalseitig
im Bereich des Ausgangs 22 des Abgaskanals 11 ein
geringerer Kühlmediendurchsatz
vorliegt als im kühlmedienkanalseitigen
Bereich des Eingangs 21 des Abgaskanals 11. Dabei
sind die Strömungskörper 20 im
Bereich des Ausgangs 22 dichter angeordnet sind als im
Bereich des Eingangs 21. Oberhalb des Kühlmedienkanals ist in einer
Teilfigur modellhaft eine Mengenverteilung 26 des Kühlmediums,
welches den Kühlmedienkanal 12 verlässt, als
Funktion der Breite W des Kühlmedienkanals 12 angegeben
sowie einen Druckverlustverlauf 27 über der Breite W des Kühlmedienkanals 12.
Die Mengenverteilung steigt vom Ausgang 22 zum Eingang 21 an,
der Druckverlustverlauf 27 fällt vom Ausgang 22 zum
Eingang 21 hin ab. Die Breite W des Kühlmedienkanals 12 entspricht
vorzugsweise der Länge
des Kreuzstrom-Wärmetauschers 10 für das Abgas.
-
Im
kühlmedienkanalseitigen
Bereich des Eingangs 21 des Abgaskanals 11, der
die höchsten Temperaturen
durch das frische Abgas aufweist, tritt die größte Menge des Kühlmediums
durch den Kühlmedienkanal 12 und
der Druckverlust ist dort niedrig. Im kühlmedienkanalseitigen Bereich
des Ausgangs 22 mit abgekühltem Abgas tritt eine deutlich
geringere Kühlmedienmenge
durch den Kühlmedienkanal 12.
Der Durchsatz des Kühlmediums
durch den Kühlmedienkanal 12 weist
also entlang wenigstens einer Dimension des Kühlmedienkanals 12 einen
Gradienten so auf, dass der Kühlmediendurchsatz
von einem maximalen Wert homogen auf einen minimalen Wert abfällt. Entsprechend
steigt der Druckverlust in wenigstens einer Dimension des Kühlmedienkanals 12 von
einem minimalen Wert im kühlmedienkanalseitigen
Bereich des Eingangs 21 des Abgaskanals 11 auf
einen maximalen Wert im kühlmedienkanalseitigen
Bereich des Ausgangs 22 des Abgaskanals 11.
-
- 10
- Kreuzstrom-Wärmetauscher
- 11
- Abgaskanal
- 12
- Kühlmedienkanal
- 13
- Trennwand
- 14
- heißes Abgas
- 15
- kaltes
Abgas
- 16
- Eintrittsquerschnitt
- 17
- Austrittsquerschnitt
- 18
- Eintrittsquerschnitt
- 19
- Kühlmedium
- 20
- Strömungselement
- 21
- Eingang
- 22
- Ausgang
- 23
- Eingang
- 24
- Ausgang
- 25
- Oberfläche
- 26
- Mengenverteilung
- 27
- Druckverlustverlauf
- W
- Breite
- L
- Länge
- H
- Höhe