-
Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
für ein
Abgasrückführsystem
einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein von einem Kühlmittel
durchströmbarer
Kühlkanal
angeordnet ist, der zumindest an einem Ende eine Öffnung an
einer Außenseite
des Gehäuses
aufweist. Der Wärmeübertrager
beinhaltet ferner einen Kühlerkern,
welcher zumindest eine von Abgas durchströmbare Kühlleitung umfasst, wobei der
Kühlerkern
in den Kühlkanal
einsetzbar ist und wobei der Kühlerkern
in einem eingesetzten Zustand von dem Kühlmittel im Kühlkanal
umströmt
ist, so dass eine Wärmeübertragung
vom Abgas zum Kühlmittel
und/oder umgekehrt ermöglicht
ist.
-
Aus
der
EP 0 930 429 B1 ist
eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine
mit einer Abgasrückführeinrichtung
und einer Vorrichtung zur Kühlung des
rückgeführten Abgases
mit einem Wärmetauscher
bekannt. Der Wärmetauscher
ist seitlich neben einem Zylinderkopf angeordnet und umfasst ein
von Kühlflüssigkeit
durchströmbares
Kühlflüssigkeitsrücklaufrohr
und einen von Abgas durchströmbaren Kühleinsatz,
welcher in das Kühlflüssigkeitsrücklaufrohr
eingebaut ist. Das Kühlflüssigkeitsrücklaufrohr ist
dabei in einen Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine eingebunden. Der Erfindung liegt der Gedanke
zugrunde, zur Kühlung
des rückgeführten Abgases
ein oh nehin an der Brennkraftmaschine vorhandenes, kühlflüssigkeitsführendes
Bauteil heranzuziehen.
-
Aus
der
DE 102 04 107
A1 ist ein Abgaswärmeübertrager
für Kraftfahrzeuge
bekannt, bei dem ein von einem gasförmigen Medium durchströmtes Rohrbündel in
einem Gehäusemantel
angeordnet ist. Die Rohrenden der Rohre in dem Rohrbündel sind stoffschlüssig mit
einem Rohrboden verbunden, welcher wiederum stoffschlüssig mit
dem Gehäusemantel
verbunden ist. Der Gehäusemantel
weist mindestens eine umlaufende Dehnungssicke auf. Die Dehnungssicke
ermöglicht
eine elastische Dehnung des Gehäusemantels
in Längsrichtung
der Rohre und damit eine Kompensation temperaturbedingter Spannungen
im Gehäusemantel.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager der genannten Art
weiterzuentwickeln und insbesondere im Hinblick auf einen erforderlichen
Wartungsaufwand zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Wärmeübertrager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei umfasst der Kühlerkern
ein verformbares und/oder bewegliches Ausgleichselement, welches
an einem ersten Ende mit der Kühlleitung
verbunden ist und in einem eingesetzten Zustand des Kühlerkerns
an einem zweiten Ende mit dem Gehäuse insbesondere direkt oder über ein Dichtmittel
in Kontakt steht, wobei das Ausgleichselement mit Hilfe eines lösbaren Befestigungsmittels an
dem Gehäuse
fixierbar ist und wobei das Ausgleichselement einen Ausgleich von
Längenänderungen
des Kühlerkerns
insbesondere infolge von Wärmedehnungen
ermöglicht.
-
Der
Kühlerkern
kann bei einer Montage des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers insbesondere durch
die Öffnung
an der Außenseite
des Gehäuses
in den Kühlkanal
eingesetzt werden. Der Kühlerkern
beinhaltet mindestens eine Kühlleitung, über deren
Oberfläche
eine Wärmeübertragung
vom Abgas zum Kühlmittel
oder umgekehrt ermöglicht
ist. Der Kühlerkern
umfasst ferner ein von Abgas durchströmbares Ausgleichselement, das
an einem ersten Ende mit Hilfe einer formschlüssigen, kraftschlüssigen und/oder
reibschlüssigen
Verbindung mit der Kühlleitung
lösbar
oder unlösbar
verbunden ist. An einem zweiten Ende ist das Ausgleichselement mit Hilfe
eines lösbaren
Befestigungsmittels an dem Gehäuse
befestigt. Das Ausgleichselement umfasst zumindest einen elastisch
verformbar und/oder mechanisch beweglich ausgestalteten Abschnitt,
welcher eine reversible Gestaltsänderung
des Ausgleichselements zulässt.
Dadurch ist es insbesondere möglich, eine
durch Wärmedehnung
bedingte Längenänderung
und/oder Querschnittsänderung
der in dem Kühlkanal
angeordneten Kühlleitung
zu kompensieren.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgleichselement rohrförmig ausgestaltet
und weist eine in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise umlaufende
Sicke auf. Unter einer Sicke ist dabei eine rinnenförmige Vertiefung
in einer Oberfläche des
Ausgleichselements zu verstehen. Ohne den Rahmen der Erfindung zu
verlassen, kann die Sicke dabei auch in Längsrichtung des Ausgleichselements ausgerichtete
Abschnitte aufweisen. Die Sicke ermöglicht insbesondere eine Kompensation
einer durch Wärmedehnung
bedingten Längenänderung und/oder
Querschnittsänderung
der Kühlleitung.
Sie zeichnet sich ferner durch eine besonders einfache Herstellbarkeit
aus.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgleichselement
als elastisch deformierbarer Faltenbalg ausgestaltet. Unter einem
Faltenbalg ist dabei ein schlauchartiges Element aus Gummi, Kunststoff,
Metall oder einem anderen Material zu verstehen, welches sich insbesondere
ziehharmoni kaartig zusammenfalten lässt und/oder elastisch dehnbar
ausgeführt
ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kühlerkern
einen Diffusor, der an einem ersten Ende mit einer Kühlleitung
oder mit mehreren Kühlleitungen
verbunden ist und der an einem zweiten Ende mit dem Ausgleichselement
verbunden ist, wobei der Diffusor an dem zweiten Ende eine von dem
ersten Ende unterschiedliche Querschnittsfläche aufweist. Der Diffusor
ermöglicht
insbesondere eine Anpassung eines Austrittsquerschnitts der Kühlleitungen
an einen Eintrittsquerschnitt des Ausgleichselements. Durch die
Querschnittsänderung
bewirkt der Diffusor ferner eine Änderung einer Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases. Mit Hilfe des Diffusors ist es somit auch möglich, eine
Strömungsgeschwindigkeit
an einem Eintrittsquerschnitt des Ausgleichselements einzustellen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Ausgleichselement
an einem austrittseitigen Ende des Kühlerkerns angeordnet. Dadurch
ist das Ausgleichselement in einem Bereich niedrigerer Temperatur
angeordnet, wodurch die thermische Belastung des Ausgleichselements
verringert ist.
-
Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen sind den Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen beschrieben sind.
-
Dabei
zeigen:
-
1 in
einer perspektivischen Ansicht einen an einem Nockenwellenrahmen
angeordneten erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
mit einem abschnittsweise eingesetzten Kühlerkern,
-
2 einen
horizontalen Schnitt durch den Wärmeübertrager
und den Nockenwellenrahmen gemäß 1,
-
3 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ausgleichselements
in einer Schnittzeichnung und
-
4 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ausgleichselements
in einer Schnittzeichnung.
-
Ein
erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 30 für ein Abgasrückführsystem
einer Brennkraftmaschine ist einstückig mit einem Nockenwellenrahmen 1 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind dazu ein Gehäuse 31 des
Wärmeübertragers 30 und der
Nockenwellenrahmen 1 als ein gemeinsames Gussbauteil ausgestaltet.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
kann der Wärmeübertrager auch
als getrenntes Bauteil ausgeführt
sein, welches über
eine kraftschlüssige,
stoffschlüssige
oder reibschlüssige
Verbindung mit einer oder mehreren Baugruppen der Brennkraftmaschine
verbunden sein kann, beispielsweise mit einem Zylinderkopf oder
einem Kurbelgehäuse.
-
Der
Nockenwellenrahmen 1 und das Gehäuse 31 sind in 1 und 2 in
perspektivischen Ansichten dargestellt. In einem montierten Zustand sind
sie oberhalb eines nicht dargestellten Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine
angeordnet und über Schraubverbindungen
mit dem Zylinderkopf und gegebenenfalls mit einem Kurbelgehäuse verbunden. In
dem Nockenwellenrahmen 1 sind eine oder mehrere Nockenwellen 7 gelagert,
die über
nicht dargestellte Zahnräder,
Ketten oder Zahnriemen von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine
angetrieben sind.
-
Im
Gehäuse 31 des
Wärmeübertragers 30 ist ein
Kühlkanal 8 angeordnet
(2), welcher an einem ersten Ende eine erste Öffnung 9 an
einer Außenseite
des Gehäuses 31 aufweist.
In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Kühlkanal 8 an
einem zweiten Ende eine zweite Öffnung 10.
Aus 2 ist ersicht lich, dass der Kühlkanal 8 mit einem
im Nockenwellenrahmen 1 verlaufenden Zuleitungskanal 11 verbunden
ist. An einem eintrittseitigen Ende 12 ist der Zuleitungskanal 11 in
grundsätzlich
bekannter Weise mit einer nicht dargestellten Kühlmittelleitung verbunden. Über den
Zuleitungskanal 11 ist dem Kühlkanal 8 ein Kühlmittel
zuführbar,
beispielsweise in Form von mit Kühlerschutzmittel
versetztem destilliertem Wasser. Von dem Kühlkanal 8 zweigt ein
Ableitungskanal 13 ab, von dem in 2 lediglich
eine Eintrittsöffnung
sichtbar ist. Über
den Ableitungskanal 13 ist das Kühlmittel aus dem Kühlkanal 8 ausleitbar.
-
In
den Kühlkanal 8 ist
ein Kühlerkern 4 einsetzbar.
Der Kühlerkern 4 ist
als Bestandteil eines nicht näher
dargestellten Abgasrückführsystems ausgeführt und
von Abgas durchströmt.
Der Kühlerkern 4 umfasst
mehrere Kühlleitungen 5,
die parallel zueinander und voneinander beabstandet angeordnet sind.
In den 1 und 2 sind dabei im Bereich der
Kühlleitungen 5 nur
die Umrisse des Kühlerkerns 4 dargestellt,
die einzelnen Kühlleitungen 5 sind
aus diesen Figuren nicht ersichtlich. Der Kühlerkern 4 lässt sich über die
erste Öffnung 9 in
den Kühlkanal 8 einschieben. 1 zeigt
den Kühlerkern 4 zur
Verdeutlichung in einem halb eingeschobenen Zustand.
-
Der
Kühlerkern 4 ist
im Betrieb in Richtung der Pfeile A (2) von Abgas
durchströmt.
Eintrittseitig ist der Kühlerkern 4 mit
einer in den Figuren nicht gezeigten Abgaszuleitung des Abgasrückführsystems
verbunden. Eine Anbindung des Kühlerkerns 4 an
die Abgaszuleitung erfolgt in grundsätzlich bekannter Weise, also
beispielsweise über
eine Schraub-, Steck- oder Klemmverbindung. Austrittseitig ist der
Kühlerkern 4 in
nachfolgend noch beschriebener Weise über ein Ausgleichselement 37, 37' mit einer Abgasableitung 32 (3 und 4)
des Abgasrückführsystems
verbunden. In einem modifi zierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst der Kühlerkern 4 nur
eine Kühlleitung
oder eine geringe Anzahl von Kühlleitungen,
die zur Vergrößerung einer
Wärmeübergangsfläche Ausbuchtungen,
Taschen oder Rippen an einer Oberfläche aufweisen können. Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann die Kühlleitung
beispielsweise mit einem blumenförmigen
Querschnitt ausgestaltet sein und/oder separate, in axialer Richtung
oder in Umfangsrichtung angeordnete Kühlrippen aufweisen.
-
Der
Kühlerkern 4 beinhaltet
an einer Eintrittsseite ein Anschlusselement 15, welches
einen in Umfangsrichtung des Kühlerkerns 4 verlaufenden Flansch 34 umfasst.
Der Flansch 34 steht im eingesetzten Zustand des Kühlerkerns 4 mit
einer Anschlussfläche 17 an
der ersten Öffnung 9 des
Kühlkanals 8 in
Kontakt, wobei in der Kontaktfläche
ein Dichtmittel auf der Seite des Flansches 34 und/oder auf
der Seite der Anschlussfläche 17 angeordnet
sein kann. Als Dichtmittel können
beispielsweise ein O-Ring, ein Gummielement oder auch eine Dichtpaste
vorgesehen sein.
-
An
einer Austrittsseite umfasst der Kühlerkern 4 einen Diffusor 36 und
ein Ausgleichselement 37, 37'. Bevorzugte Ausführungsformen
dieser Bauteile sind in 3 und 4 dargestellt. Über den Diffusor 36 sind
die Kühlleitungen 5 des
Kühlerkerns 4 mit
dem Ausgleichselement 37, 37' verbunden, wobei in 3 und 4 von
den Kühlleitungen 5 jeweils
nur Austrittsquerschnitte 46 dargestellt sind. Das Ausgleichselement 37, 37' wiederum ist
mit Hilfe eines lösbaren
Befestigungsmittels in Form einer Schraubverbindung 38, 38' an einem dem
Gehäuse 31 des
Wärmeübertragers 30 zugeordneten
Gehäusebodens 39 befestigt
ist. An den Gehäuseboden 39 ist
eine Abgasableitung 32 angeschlossen, über die das Abgas zu weiteren
Baugruppen des Abgasrückführsystems
transferierbar ist, beispielsweise zu einer Zumischvorrichtung zur
Einbringung des Abgases in eine Frischgasströmung im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine.
-
Durch
den Kontakt des Flansches 34 an der Eintrittsseite des
Kühlkanals
und des Ausgleichselements 37, 37' an der Austrittseite des Kühlkanals 8 mit
dem Gehäuse 31 beziehungsweise
dem Gehäuseboden 39 ist
ein Hohlraum im Inneren des Kühlkanals 8 gebildet,
in welchem der Kühlerkern 4 angeordnet
ist. Über
den Zuleitungskanal 11 und den Ableitungskanal 13 ist
dem Hohlraum ein Kühlmittel
zu- beziehungsweise abführbar,
so dass im Betrieb der Kühlerkern 4 von
dem Kühlmittel
umströmt
ist. Dadurch ist eine Wärmeübertragung
vom Abgas zum Kühlmittel
ermöglicht.
-
In 3 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ausgleichselements 37 dargestellt.
Das Ausgleichselement 37 ist dabei als Anschlussblech 41 mit
einer umlaufenden Sicke 42 ausgestaltet. An einem ersten
Ende ist das Anschlussblech 41 bevorzugt unlösbar mit
dem Diffusor 36 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise als
Schweißverbindung
oder Klebverbindung ausgestaltet sein. An einem zweiten Ende steht
das Anschlussblech 41 über
ein Dichtmittel in Form eines Gummielements 43 mit einer
Anschlussfläche 44 des Gehäusebodens 39 in
Kontakt. Durch das Gummielement 43 ist sichergestellt,
dass ein Kühlmittelstrom im
Kühlkanal 8 und
ein Abgasstrom im Kühlerkern 4 weitgehend
getrennt voneinander geführt
sind. Über die
Sicke 42 lassen sich insbesondere Längenänderungen des Kühlerkerns 4 infolge
von Wärmedehnungen
kompensieren. Das Anschlussblech 37 ist ferner über eine
Schraubverbindung 38 mit dem Gehäuseboden 39 verschraubt.
Bei gelöster
Schraubverbindung 38 lässt
sich der Kühlerkern 4 mit
dem Anschlusselement 15, dem Diffusor 36 und dem
Ausgleichs element 37, 37' als Ganzes in einfacher Weise aus
dem Kühlkanal 8 entfernen.
-
In 4 ist
eine zweite, bevorzugte Ausführungsform
des Ausgleichselement 37' dargestellt. Hierbei
ist das Ausgleichselement 37' als
Faltenbalg 45 ausgebildet, welcher an einem ersten Ende
mit dem Diffusor 36 bevorzugt unlösbar verbunden ist. An einem
zweiten Ende ist der Faltenbalg 45 in analoger Weise zu
der oben beschriebenen Ausführungsform über eine
Schraubverbindung 38' mit
dem Gehäuseboden 39 des
Gehäuses 31 verbunden. Über den
Faltenbalg 45 lassen sich insbesondere Längenänderungen,
aber auch Querschnittsänderungen
des Kühlerkerns 4 infolge
einer Wärmedehnung
kompensieren.
-
Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher 30 zeichnet
sich durch eine geringe Belastung im Betrieb und eine besondere
Wartungsfreundlichkeit aus. Wärmedehnungen
des Kühlerkerns 4 werden weitgehend
von dem Ausgleichselement 37, 37' kompensiert, woraus im Betrieb
ein insgesamt verringertes Spannungsniveau insbesondere im Gehäuse 31 des
Wärmetauschers 30 resultiert.
Die geringere Belastung des Gehäuses 31 kann
sich in einem verlängerten
Wartungsintervall niederschlagen. Darüber hinaus lassen sich bei
dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 30 auch
der Kühlerkern 4 in
besonders einfacher Weise kontrollieren und gegebenenfalls austauschen,
da sich der Kühlerkern 4 durch
Lösen der
Schraubverbindungen 38, 38' leicht und ohne Beschädigungen
an einem Bauteil aus dem Kühlkanal 8 entfernen
lässt.