DE102006052972A1

DE102006052972A1 - Abgaskühler

Info

Publication number: DE102006052972A1
Application number: DE102006052972A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hentschel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2008-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaskühler einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors, mit mindestens zwei der Abgaskühlung dienenden, von Abgas parallel durchströmbaren Wärmeübertragungskanälen mit jeweils einem Kanalquerschnitt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionssicherheit des gattungsgemäßen Abgaskühlers zu verbessern. Die Aufgabe wird durch ein Stellelement (16) gelöst, mittels dem der Kanalquerschnitt (11) mindestens eines Wärmeübertragungskanals (9) verschließbar/regelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaskühler einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors, mit mindestens zwei der Abgaskühlung dienenden, von Abgas parallel durchströmbaren Wärmeübertragungskanälen mit jeweils einem Kanalquerschnitt.
Derartige Abgaskühler werden in Abgasrückführ-Systemen (AGR-Systemen) eingesetzt, die ein Teil der Verbrennungsabgase dem Verbrennungsmotor wiederholt zuführen, um die Emissionswerte an beispielsweise Stickoxide zu vermindern. Das betrifft insbesondere Dieselverbrennungsmotoren. Hierbei wird der rückgeführte Teil der Verbrennungsabgase im Abgaskühler gekühlt und dann über das Saugrohr dem Verbrennungsraum des Motors zugeführt. Diese Maßnahme setzt die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum herab und vermindert somit die schädliche NOx-Produktion. Zur Kühlung der Abgase werden diese durch mehrere parallel vom Abgas durchströmte Wärmeübertragungskanäle geleitet. Vorzugsweise sind die Wärmeübertragungskanäle Bestandteil einer Wärmeübertragereinheit, wobei die Wärmeübertragungskanäle von Wärmeübertragungsflächen umschlossen sind. Die Wärmeübertragungsflächen stehen in Wärmekontakt mit einem wärmeübertragenden Medium. Beispielsweise wird als wärmeübertragendes Medium in Rohrbündel geführtes Motorkühlwasser verwendet, wobei das Motorkühlwasser die Wärmeübertragereinheit permanent durchströmt.
Sofern die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors nicht erreicht ist, z.B. in der Startphase des Motors, ist die Kühlung des Abgases nicht erwünscht. Im Gegenteil sorgen die hoch temperierten Abgase für ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors und der Schmiermittel, bei der energetische Verluste durch Reibung und der Motorverschleiß auf ein Minimum reduziert sind. In diesen Fällen muss der Abgasstrom zeitweilig an den Wärmeübertragungskanälen vorbeigeleitet werden, was mit einer steuerbaren Bypassfunktion aus Bypasskanal mit Bypassstellelement realisiert wird. Als Bypassstellelement wird üblicherweise eine pneumatisch oder elektrisch betätigte Bypassklappe verwendet.
Aus der DE 103 55 649 A1 ist ein gattungsgemäßer Abgaskühler beschrieben, der über einen Wärmeübertragungsbereich und einen in den Wärmeübertragungsbereich wärmeisoliert integrierten Bypasskanal mit einem Stellelement verfügt. Der Wärmeübertragungsbereich umfasst mehrere vom Kühlmittel, beispielsweise Motorkühlwasser, um flossene, parallel verlaufende Rohre, die gleichmäßig und parallel vom Abgas durchströmt werden. Ein Stellelement, mit dem der Bypasskanal verschließbar ist, dient zur wahlweisen Führung des Abgasstromes durch den Wärmeübertragungsbereich oder den Bypasskanal. Verschließt das Stellelement in einer Schließstellung den Bypasskanal, strömt der Abgasstrom ausschließlich und gleichmäßig durch die Rohre des Wärmeübertragungsbereichs. Befindet sich das Stellelement in einer Öffnungsstellung, strömt der Abgasstrom vorzugsweise durch den Bypasskanal, weil der Bypasskanal einen geringeren Strömungswiderstand gegenüber den Rohren des Wärmeübertragungsbereiches aufweist. Die Durchströmungsöffnungen im Abgasseintrittbereich zu den Rohren des Wärmeübertragungsbereiches bleiben indes in jeder Betriebsstellung des Bypasskanals unverschlossen.
Umweltförderliche Bestrebungen die schädlichen NOx-Werte der Abgas-Emissionen weiter zu senken, erfordern höhere rückgeführte Abgasmengen und/oder niedrigere Abgastemperaturen der rückgeführten Abgasmengen und damit Abgaskühler mit größeren Kühlleistungen. In bestimmten Betriebssituationen der Verbrennungsmotoren sind diese rückgeführten Abgasmengen jedoch zu drosseln, z.B. in hohen Laststufen des Verbrennungsmotors, bei denen hohe Anteile an Ladeluft anstelle Abgas in den Verbrennungsraum gefördert werden. Die für hohe Abgasmengen mit großer Kühlleistung konzipierten Abgaskühler sind für die Betriebszustände mit geringen Abgasmengen überdimensioniert. Die reduzierte Abgasmenge strömt mit geringer Strömungsgeschwindigkeit durch die Rohre der Wärmeübertragungseinheit, wobei die große Kühlleistung der Wärmeübertragungseinheit das Abgas unter die Taupunkttemperatur abkühlt. Durch die Kondensatbildung und die geringe Strömungsgeschwindigkeit können erhebliche Ablagerungen in den Rohren entstehen, die auch in den Auslastungsphasen des Abgaskühlers nicht mehr mitgerissen werden. Die Rohre sedimentieren unter allmählich geringer werdenden Strömungsquerschnitten zu, bis sie nicht mehr ausreichend durchströmt und funktionsunfähig sind. Mit einer Bypassfunktion mit Bypassstellelement kann zwar die über die Rohre strömende Abgasmenge variiert werden, womit die Abgastemperatur der den Abgaskühler verlassenen Abgasmenge durch Mischung der gekühlten und ungekühlten Abgasmenge in begrenzten Bereichen regulierbar ist. Jedoch ist auch hiermit die Untertemperierung der über die Rohre des Wärmeübertragungsbereiches geführten Abgasmenge infolge zu großer Kühlleistung des Abgaskühlers nicht vermeidbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionssicherheit eines gattungsgemäßen Abgaskühlers zu verbessern. Insbesondere soll ein Abgaskühler geschaffen werden, bei dem die Kühlleistung des Abgaskühlers an unterschiedliche Abgasmengen angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Formulierung „von Abgas parallel durchströmbaren Wärmeübertragungskanälen" in Anspruch 1 bedeutet nicht, dass die Kanäle parallel verlaufen müssen (jedoch können), sondern dass eine gleichzeitige Durchströmung in bestimmten Betriebssituationen möglich ist.
Erfindungsgemäß ist der Kanalquerschnitt mindestens eines Wärmeübertragungskanals mittels eines Stellelementes verschließbar/regelbar. Damit kann der hydraulisch wirksame Strömungsquerschnitt der Wärmeübertragungskanäle in Summe variiert werden und an den jeweiligen Abgasstrom angepasst werden. Wird beispielsweise ein Kanalquerschnitt verschlossen, wird dieser nicht mehr durchströmt, und es erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes durch die offen gebliebenen Kanalquerschnitte, weil sich der Abgasstrom auf die übrigen Wärmeübertragungskanäle aufteilt. Eine zu niedrige Strömungsgeschwindigkeit eines vorgegebenen geringen Abgasstromes, die eine zu starke Abkühlung des Abgasstromes bis zur Kondensationsgefahr zur Folge hätte, wird somit vermieden. Gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Variation der aktiv an der Abgaskühlung beteiligten Wärmeübertragungskanäle eine Geometrieänderung hinsichtlich der wärmeübertragenden Oberflächen der Wärmeübertragungskanäle vorgenommen. Mit dem Verschluss des Wärmeübertragungskanals vorzugsweise direkt an der Abgasseintrittsöffnung in den Wärmeübertragungskanal, sind die in Strömungsrichtung nachfolgenden Wärmeübertragungsflächen des Wärmeübertragungskanals nicht mehr aktiv an der Wärmeübertragung beteiligt. Die Verringerung der wirksamen Wärmeübertragungsflächen führt zur Reduzierung der Kühlleistung des Abgaskühlers. Sind mehrere Wärmeübertragungskanäle auf diese Weise verschließbar, kann der in Summe zur Verfügung stehende wirksame Strömungsquerschnitt der Wärmeübertragereinheit und der Umfang der wirksamen Wärmeübertragungsflächen in mehreren Abstufungen variiert werden und damit die Abgastemperatur und die Kühlleistung an die verschiedenen Motorenapplikation angepasst werden.
Vorzugsweise, weil sehr platzsparend, ist das Stellelement von einer drehbar gelagerten Klappe gebildet, die im Kanalquerschnitt des Wärmeübertragungskanals angeordnet ist.
In einer energetisch und konstruktiv bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmeübertragungskanäle von vorzugsweise Wasser- oder luftgekühlten Wärmeübertragungsflächen einer Wärmeübertragereinheit umschlossen. Diese kompakte Ausführung ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung durch eine konzentrierte Umströmung der Wärmeübertragungskanäle mit Kühlmedium entlang der Wärmeübertragungsflächen beispielsweise im Kreuzstrom oder Gegenstrom zur Abgasströmung.
Sind die Wärmeübertragungskanäle parallel zueinander angeordnet, wobei der erste/die ersten Wärmeübertragungskanal/(-kanäle) vorzugsweise mittels eines bogenförmigen Formstückes mit den weiteren Wärmeübertragungskanälen verbunden ist, ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Abgaskühlers. Hiermit wird die Strömungsrichtung des Abgasstromes in dem bogenförmigen Formstück um etwa 90° umgelenkt, was insbesondere die Baulänge des Abgaskühlers verkürzt. Ein Abgasleitelement sorgt bei der Umlenkung der Strömungsrichtung im bogenförmigen Formstück für eine gleichmäßige Verteilung und Anströmung des Abgases auf die nachfolgenden Wärmeübertragungskanäle.
Neben der erfindungsgemäßen Regelfunktion für den Abgasstrom durch das Stellelementes ist eine Bypassregelfunktion mit Bypasskanal und Bypassstellelement zur wahlweisen Führung des Abgases durch den Bypasskanal und/oder durch die Wärmeübertragungskanäle vorteilhaft. Der Bypasskanal ermöglicht eine teilweise oder vollständige Umgehung der Wärmeübertragungskanäle und erhöht so die Variabilität der über Wärmeübertragungskanäle strömenden Abgasmenge. Die Abgastemperatur des aus dem Abgaskühler austretenden Abgases und die Kühlleistung des Abgaskühlers sind hiermit zusätzlich regelbar.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgaskühlers wird im folgenden anhand der Zeichnung in 1 erläutert, die in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch einen kompakten Abgaskühler wiedergibt.
Der erfindungsgemäße Abgaskühler 1 einer nicht näher dargestellten Abgasrückführ-Anlage zur Abgasrückführung in einen Verbrennungsmotor verfügt über eine Wärmeübertragereinheit 2 und einen Bypasskanal 3 mit Bypassklappe 4. Der Abgasstrom tritt an einem Gaseintrittsstutzen 5 in den Abgaskühler 1 ein und verlässt den Abgaskühler 1 am Gasaustrittsstutzen 6 zur Zuführung an ein Saugrohr des nicht dargestellten Verbrennungsmotors. Mittels der Bypassklappe 4 wird der Durchgang des Abgasstromes wahlweise und stufenlos durch die Wärmeübertragereinheit 2 oder durch den Bypasska nal 3 gesteuert. Dabei kann der Abgasstrom, der den Weg durch die Wärmeübertragereinheit 2 bzw. durch den Bypasskanal 3 nimmt, zwischen 0 und 100% geregelt werden. Im Ausführungsbeispiel befindet sich die Bypassklappe 3 in einer Stellung, in der der Abgasstrom zu 100% durch die Wärmeübertragereinheit 2 geführt wird. Die Wärmeübertragungskanäle 9 und 10 verfügen über je einen Kanalquerschnitt 11, 12, wobei beide von dem sich aufteilenden Abgasstrom parallel durchströmt werden. Der Wärmeübertragungskanal 7 und die Wärmeübertragungskanäle 9, 10 sind parallel nebeneinander angeordnet und über ein bogenförmiges Formstück 13 verbunden. In dem bogenförmigen Formstück 13 wird die Strömungsrichtung 8 des Abgasstromes um etwa 90° umgelenkt, so dass der Abgasstrom unter einem u-förmigen Verlauf der Strömungsrichtung 8 nacheinander durch den Wärmeübertragungskanal 7, das bogenförmige Formstück 13 und die Wärmeübertragungskanäle 9, 10 geführt wird. Ein Abgasleitelement 18 sorgt bei der Umlenkung der Strömungsrichtung 8 im bogenförmigen Formstück 13 für eine gleichmäßige Verteilung und Anströmung des Abgases auf die nachfolgenden Wärmeübertragungskanäle 9, 10.
Nach einer Abgasaustrittsöffnung 14 der Wärmeübertragungskanäle 9, 10 der Wärmeübertragungseinheit 2 wird der Abgasstrom wieder gesammelt, um den Abgaskühler 1 über den Gasaustrittsstutzen 6 zu verlassen. Die Wärmeübertragungskanäle 7, 9, 10 sind jeweils von Wärmeübertragungsflächen 15 umschlossen, die wassergekühlt sind. Dazu stehen die Wärmeübertragungsflächen 15 mit hier nicht näher dargestellten kühlwasserführenden Rohbündeln in einem wärmeleitenden Kontakt. Mit der Abgasdurchströmung der Wärmeübertragungskanäle 7, 9, 10 entlang der kühlmittelumströmten Wärmeübertragungsflächen 15 wird die Kühlleistung an den Abgasstrom vermittelt.
Einer der Wärmeübertragungskanäle 9, 10, nämlich Wärmeübertragungskanal 9, verfügt über ein Stellelement in Form einer drehbar gelagerten Regelklappe 16, die an einer Abgaseintrittsöffnung 17 des Wärmeübertragungskanals 9 in Kanalquerschnitt 11 angeordnet ist. Bei einem geringen Abgasstrom, der vorbestimmt von einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und der Stellung der Bypassklappe 3 durch die Wärmeübertragereinheit zu leiten ist, wird die Regelklappe 16 elektrisch oder pneumatisch in Stellung I gestellt, bei der die Regelklappe 16 den Kanalquerschnitt 11 des Wärmeübertragungskanals 9 verschließt, so dass nur der Kanalquerschnitt 12 des Wärmeübertragungskanals 10 vom Abgasstrom durchströmt wird. In diesem Fall erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes durch den Kanalquerschnitt 12 des Wärmeübertragungskanals 10 gegenüber einer parallelen und verteilten Abgasströmung durch beide Wärmeübertragungskanäle 9, 10. Gleichzeitig wird die Wärmeübertragungsfläche 15 des Wärmeübertragungskanals 9 für die Übertragung der Kühlleistung unwirksam. Im Ergebnis ist die Wärmeübertragungseinheit 2 an den geringeren Abgasstrom und Kühlleistungsbedarf angepasst. Umgekehrt kann bei anfallenden maximalen Abgasstrom durch die Wärmeübertragereinheit 2, verbunden mit einem höherem Kühlleistungsbedarf, der Wärmeübertragungskanal 9 über die geöffnete Regelklappe 16 zugeschaltet werden (Stellung II). Die Größe der Kanalquerschnitte 11, 12, die Anzahl der Wärmeübertragungskanäle 9, 10 und die Anzahl der durch Regelklappen 16 verschließbaren Wärmeübertragungskanäle 9 sind entsprechend der motorischen Anforderungen und Motorapplikationen wählbar. Die Regelklappe 16 ist stufenlos in Zwischenstellungen zwischen den Stellungen I und II stellbar, so dass bedarfsgerechte Zwischenwerte der Kühlleistung eingestellt werden können.

1: Abgaskühler
2: Wärmeübertragereinheit
3: Bypasskanal
4: Bypassstellelement, Bypassklappe
5: Gaseintrittsstutzen
6: Gasaustrittsstutzen
7: Wärmeübertragungskanal
8: Strömungsrichtung des Abgasstromes
9: Wärmeübertragungskanal
10: Wärmeübertragungskanal
11: Kanalquerschnitt des Wärmeübertragungskanals
12: Kanalquerschnitt des Wärmeübertragungskanals
13: bogenförmiges Formstück
14: Abgasaustrittsöffnung des Wärmeübertragungskanals
15: Wärmeübertragungsfläche
16: Stellelement, Regelklappe
17: Abgaseintrittsöffnung des Wärmeübertragungskanals
18: Abgasleitelement

Claims

Abgaskühler einer Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors, mit mindestens zwei der Abgaskühlung dienenden, von Abgas parallel durchströmbaren Wärmeübertragungskanälen mit jeweils einem Kanalquerschnitt, gekennzeichnet durch ein Stellelement (16), mittels dem der Kanalquerschnitt (11) mindestens eines Wärmeübertragungskanals (9) verschließbar/regelbar ist.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalquerschnitt (11) des Wärmeübertragungskanals (9) in Stufen oder stetig verschließbar ist.
Abgaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) an einer Abgaseintrittsöffnung (17) des Wärmeübertragungskanals (9) angeordnet ist.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) von einer drehbar gelagerten Regelklappe (16) gebildet ist, die im Kanalquerschnitt (11) angeordnet ist.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (16) pneumatisch oder elektrisch stellbar ist.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungskanäle (7, 9, 10) von Wärmeübertragungsflächen (15) einer Wärmeübertragereinheit (2) umschlossen sind.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsflächen (15) luft- oder wassergekühlt sind.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungskanäle (7, 9, 10) einen gleichgroßen oder unterschiedlich großen Kanalquerschnitt (11, 12) aufweisen.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungskanäle (7, 9, 10) parallel zu einander angeordnet und vorzugsweise mittels eines bogenförmigen Formstückes (13) miteinander verbunden sind.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem bogenförmigen Formstück (13) ein Abgasleitelement (18) angeordnet ist, welches das Abgas auf die Wärmeübertragungskanäle (9, 10) verteilt.
Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Bypasskanal (3) mit einem Bypassstellelement (4) zur wahlweisen Führung des Abgases durch den Bypasskanal (3) und/oder durch die Wärmeübertragungskanäle (9, 10).