DE102009000263B4

DE102009000263B4 - Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit verbessertem Temperaturausgleich im Kühlmittel

Info

Publication number: DE102009000263B4
Application number: DE102009000263.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Capelle; Oliver Fischer; Jürgen Nothbaum; Andrej Repa
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009000263A1; DE202009018892U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Bündel separat ausgebildeter, strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführender Tauscherrohre (20), die in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40) angeordnet sind, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird. Die Tauscherrohre (20) weisen jeweils einen einlassseitigen und einen aus-lassseitigen Schenkel auf, wobei die Strömungsrichtung im einlassseitigen Schenkel der Strömungsrichtung im auslassseitigen Schenkel im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Die einlassseitigen Schenkel sind als Einlassgruppe räumlich aneinander angrenzend angeordnet und die auslassseitigen Schenkel als Auslassgruppe räumlich aneinander angrenzend angeordnet. Zwischen der Einlassgruppe und der Auslassgruppe ein Leitblech (36) für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse (40) angeordnet ist, welches sich im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Einlassgruppe und/oder der Auslassgruppe erstreckt und vom Kühlmittel auf seinem Weg von einem an den Kühlmitteleinlass angrenzenden Einlassbereich zu einem an den Kühlmittelauslass angrenzenden Auslassbereich entlang eines ersten Strömungspfads umströmt wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Aufgrund der stetig verschärften gesetzlichen Vorschriften in Bezug auf die Abgasimmission von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Bezug auf die Immission von Stickoxyden, ist im Bereich der Verbrennungskraftmaschine eine Rückführung von Verbrennungsabgasen auf die Einlassseite der Verbrennungskraftmaschine Stand der Technik. Die Verbrennungsgase nehmen selbst nicht noch einmal an dem Verbrennungsvorgang im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine teil und stellen so einen Inertgas dar, welches das Gemisch aus Verbrennungsluft und Kraftstoff im Brennraum verdünnt und für eine innigere Vermischung sorgt. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten sogenannter Hot-Spots während des Verbrennungsvorgangs zu minimieren, die sich durch lokal extrem hohe Verbrennungstemperaturen auszeichnen. Solche sehr hohen Verbrennungstemperaturen begünstigen die Bildung von Stickoxyden und müssen daher unbedingt vermieden werden.
Da der Wirkungsgrad einer Verbrennungsmaschine typisch von der Temperatur der dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft abhängig ist, können die Verbrennungsgase nach ihrem Austritt aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine nicht unmittelbar wieder der Ansaugseite zugeführt werden. Vielmehr ist eine deutliche Absenkung der Verbrennungsgastemperatur erforderlich. Typische Austrittstemperaturen der Verbrennungsgase aus dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine liegen im Bereich von 900°C und darüber, die Temperatur der eingangsseitig dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft sollte hingegen nicht über 150° betragen, vorzugsweise deutlich darunter liegen. Zur Abkühlung der rückgeführten Verbrennungsgase ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogenannte Abgasrückführkühler einzusetzen. Aus dem Stand der Technik sind die verschiedensten Konstruktionen bekannt, bei denen in der Regel die zu kühlenden Verbrennungsgase durch Tauscherrohre geführt werden, die außenseitig von einem Kühlmittel umströmt werden, wobei es sich bei dem Kühlmittel in der Regel um das Kühlwasser des Kraftfahrzeugs handelt. Zur Erhöhung der Effizienz wird im Stand der Technik vorgeschlagen, die zu kühlenden Verbrennungsgase durch ein Bündel von strömungstechnisch parallel geschalteten Tauschrohren zu leiten, die insgesamt vom Kühlmittel umspült werden.
Aus der DE 10 2004 019 554 A1 ist ein Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, welches einen Abgaswärmetauscher umfasst, der als zweiteiliges Gussteil ausgeführt ist. Da die sehr heißen Verbrennungsgase aufgrund der niemals 100%igen Verbrennung des Kraftstoffs reaktiv sind, stellt sich hier das Problem, dass es technisch schwierig bis unmöglich ist, Oberflächen eines metallischen Gussteils als inerte Oberflächen vergleichbar einer Edelstahloberfläche auszugestalten.
Aus der DE 10 2005 055 482 A1 ist ein Abgaswärmetauscher für einen Verbrennungsmotor bekannt, der die vorgenannten Probleme vermeidet, indem diejenigen Oberflächen, welche mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung kommen, als korrosionsbeständige Stahloberflächen ausgeführt sind. Die Wärmetauscherrohre und das Gehäuse, in dem die Wärmetauscherrohre angeordnet sind, als separate Teile ausgebildet, die im Rahmen des Herstellungsprozesses zusammengefügt werden.
Bei dem aus der DE 10 2006 009 948 A1 bekannten Abgaswärmetauscher sind die das heiße Gas führenden Kanäle und das Gehäuse, in dem das die Abgaskanäle umströmende Kühlmittel strömt, integral in Form eines Plattenwärmetauschers ausgebildet. Sowohl die Strömungswege für die heißen Verbrennungsgase als auch die Strömungswege für das Kühlmittel bilden sich erst bei der Zusammenführung einzelner beispielsweise tiefgezogener Platten zu einem Plattenwärmetauscher. Ein ähnliches Konzept wird auch in der DE 10 2006 049 106 A1 verfolgt.
Allgemeine Informationen zur Technik der Abgasrückführung bei Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen können beispielsweise der DE 100 119 54 A1 entnommen werden.
Aus der WO 2007/104580 A2 sind verschiedene Konstruktionen von Abgaswärmetauschern bekannt, die auf einer Mehrzahl U-förmig ausgebildeter Tauscherrohre basieren. Als nachteilig an den hier offenbarten Konstruktionen hat sich deren Neigung zu einer stark inhomogenen Temperaturverteilung im Kühlmittel herausgestellt, die unter ungünstigen Umständen zu einer lokalen Überhitzung des Kühlmittels über den Siedepunkt hinaus, sogenanntem „Microboiling”, führen kann.
Eine Abgasrückführkühlervorrichtung bestehend aus mehreren Kühlplatten und mehreren U-förmigen Gasdurchgängen durch die Kühlplatten ist aus DE 10 2007 043 231 A1 bekannt. Zur Verteilung eines Kühlmittelstroms wird ggf. die mittlere Kühlmittelplatte als laterale Trennwand innerhalb des Behälters verwendet.
Die DE 10 2005 054 731 A1 offenbart einen U-förmigen Abgaswärmetauscher mit Flachrohren, der für den Gegenstrombetrieb konzipiert wurde. Ein U-förmiger Strömungsfluss des Kühlmittels wird durch ein Trennblech zwischen den Fischrohren realisiert und zusätzlich soll durch eine Verwirbelung des eintretenden Kühlwasserstroms ein optimierter Wärmeaustausch realisiert werden.
Schließlich ist aus der JP 11-241891 A ein Abgaswärmetauscher bekannt, bei dem eine Mehrzahl gerader, abgasdurchströmter und strömungstechnisch parallel geschalteter Wärmetauscherrohre in einem Kühlmitteidurchströmten Gehäuse angeordnet ist. Durch eine spezielle Anordnung von Kühlmitteleinlass und -auslass sowie einem oder mehreren im Gehäuse zwischen den Wärmetauscherrohren angeordneten Leitblechen, die zugleich eine mechanische Abstützung für die Wärmetauscherrohre bei der Fertigung des Wärmetauschers bereitstellen, wird im Gehäuse eine U-förmige oder Z-förmige Kühlmittelströmung erzeugt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welcher einen verbesserten Temperaturausgleich im Kühlmittel aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Er weist ein Bündel separat ausgebildeter Strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführende Tauscherrohre auf. Diese sind in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse angeordnet, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird. Das Kühlmittel umströmt die Tauscherrohre außenseitig. Dabei tritt es über einen Kühlmitteleinlass in das Gehäuse ein, umströmt dort die Tauscherrohre außenseitig und tritt über einen Kühlmittelauslass aus dem Gehäuse aus. Die Tauscherrohre weisen jeweils einen einlassseitigen und einen auslassseitigen Schenkel auf, wobei die Strömungsrichtung im einlassseitigen Schenkel der Strömungsrichtung im auslassseitigen Schenkel im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
Die einlassseitigen Schenkel sind als „Einlassgruppe” räumlich aneinander angrenzend angeordnet, ebenso so die auslassseitigen Schenkel, die als „Auslassgruppe” räumlich aneinander angrenzend angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist nun zwischen der Einlassgruppe und der Auslassgruppe ein Leitblech für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse angeordnet, welches sich im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Einlassgruppe und/oder der Auslassgruppe erstreckt. Das Leitblech kann beispielsweise aus einem Korrosionsbeständigen Werkstoff wie Edelstahl, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, aber auch aus einem Kunststoff bestehen. Bevorzugt ist es plan ausgebildet.
Aufgrund der Anordnung des Leitblechs im Innenraum des Gehäuses des Wärmetauschers zwischen den Gruppen von Schenkeln der Tauscherrohre umströmt das Kühlmittel auf seinem Weg von einem an den Kühlmitteleinlass angrenzenden Einlassbereich zu einem an den Kühlmittelauslass angrenzenden Auslassbereich das Leitblech entlang eines ersten Strömungspfads.
Daneben ist im Leitblech zumindest eine Überströmöffnung vorgesehen, die einen zweiten Strömungspfad für das Kühlmittel bereitstellt, der sich zwischen Einlassbereich und Auslassbereich erstreckt. Auf diese Weise wird ein direktes überströmen von kaltem Kühlmittel in den Bereich, in dem das Kühlmittel sich aufgrund einer starken Wärmeübernahme aus dem Abgasstrom stark aufgeheizt hat, ermöglicht.
Bevorzugt wird dabei die thermische Wechselwirkungslänge, d. h. die Länge, auf der Wärme zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel ausgetauscht werden kann, in der konkreten Ausführung des Wärmetauschers so realisiert sein sein, dass sie entlang des zweiten Strömungspfads kleiner ist als entlang des ersten Strömungspfads. Der durch die Überströmöffnung strömende zweite, i. A. kleinere Teilstrom kalten Kühlmittels wird damit deutlich weniger stark aufgeheizt als der um das Leitblech entlang des ersten Strömungspfads herum strömende erste, i. A. größere Teilstrom. Beide Teilströme vermischen sich bevorzugt in einem Gehäusebereich, der an den Kühlmittelauslass angrenzt, wodurch sich eine lokale Temperaturverminderung im Kühlmittel ergibt.
Durch geeignete Dimensionierung und räumliche Anordnung des zweiten Teilstroms relativ zum ersten Teilstrom kann die Temperaturverteilung im Kühlmittel gezielt beeinflusst werden. Dies kann insbesondere durch Anpassung von Anzahl und Dimensionierung der Überströmöffnungen sowie deren genaue Anordnung auf dem Leitblech, insbesondere zur Anordnung von Kühlmitteleinlass und -auslass am Gehäuse des Wärmetauschers, erfolgen.
So umfasst eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers eine Mehrzahl von Überströmöffnungen. Insbesondere kann deren Dichte auf dem Leitblech räumlich variieren. So kann die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech in den Bereichen des Leitblechs am höchsten sein, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die höchsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten. Alternativ oder ergänzend kann die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech in den Bereichen des Leitblechs am niedrigsten gewählt werden, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die niedrigsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten.
In der praktischen Erprobung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech in den Bereichen des Leitblechs am höchsten gewählt, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmittelauslass angrenzen. Daneben hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech in den Bereichen des Leitblechs am niedrigsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmitteleinlass angrenzen.
Anstelle einer Variation der Dichte der Überströmöffnungen kann auch deren Größe und/oder Formgebung entsprechend der gewünschten lokalen Stärke des zweiten Teilstroms lokal variiert werden. Auch eine gleichzeitige Variation aller drei Parameter Dichte, Größe und Formgebung der Überströmöffnungen ist möglich und ggf. sinnvoll.
Aus Gründen einer effizienten Raumnutzung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Tauscherrohre im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig ausgebildet sind. Das erfinderische Konzept ist aber nicht auf solche Ausgestaltungen beschränkt, vielmehr kann es stets dann zum Einsatz kommen, wenn durch Anordnung eines irgendwie geformten Leitblechs im Innenraum des Wärmetauschergehäuses der Strömungspfad des Kühlmittelstroms im Gehäuse verlängert wird. Durch gezielte Einbringung von Überströmöffnungen im Leitblech kann dann ein zweiter Teilstrom mit verringerter thermischer Austauschlänge erzeugt. Vermischt man diesen zweiten Teilstrom mit dem heißeren ersten Teilstrom, so kann dort gezielt eine lokale Temperaturabsenkung im Kühlmittel verwirklicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech beispielsweise in dem Bereich des Leitblechs am niedrigsten ist, der an den Umlenkbereich der Tauscherrohre angrenzt, wobei die Tauscherrohre einen Umlenkwinkel zwischen 45° und 135° einschließen, bevorzugt U-förmig oder halbkreisförmig ausgebildet sind.
Vorteile in Bezug auf das NVH-Verhalten (NVH = noise, vibration, harshness) eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, insbesondere eines solchen Wärmetauschers, bei dem die Tauscherrohre einen Umlenkbereich aufweisen, an dem die Tauscherrohre einen Umlenkwinkel zwischen 45° und 135° einschließen, besonders bevorzugt U-förmig oder halbkreisförmig ausgebildet sind, ergeben sich, wenn eine Mehrzahl von Tauscherrohren mechanisch mit dem Leitblech verbunden ist. Hierdurch können Eigenschwingungen der Tauscherrohre im Wärmetauschergehäuse deutlich vermindert werden.
In einer besonders bevorzugten Konstruktion umfasst das Gehäuse des Wärmetauschers ein Mantelteil, welches durch einen separat ausgebildeten Gehäusedeckel verschlossen wird. Dabei sind die einlassseitigen Schenkel und/oder die auslassseitigen Schenkel der Tauscherrohre durch den Gehäusedeckel hindurchgeführt und mechanisch mit diesem verbunden, insbesondere abgedichtet durch diesen hindurchgeführt. Darüber hinaus kann auch das Leitblech mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel verbunden sein. Das Leitblech kann sowohl separat vom Gehäusedeckel ausgebildet sein, z. B. in Form eines gestanzten Blechteils, welches auf geeignete Weise mit dem Gehäusedeckel verbunden ist, z. B. mittels Verlöten oder Verschweißen. Es kann aber auch einstückig mit dem Gehäusedeckel ausgebildet sein.
Bevorzugt sind die Tauscherrohre zwischen ihren Einlässen und ihren Auslässen einstückig ausgebildet, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zwischen dem einlassseitigen und dem auslassseitigen Schenkel eines U-förmigen Tauscherrohrs einen separat ausgebildeten Umlenkbereich vorzusehen, in dem sich insbesondere auch die Strömungspfade der verschiedenen Tauscherrohre berühren bzw. vereinigen können. Die Tauscherrohre bestehen in allen Ausgestaltungen bevorzugt aus einem korrosionsbeständigen und hitzefesten Werkstoff wie Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Dabei können sie insbesondere als separat ausgebildete einstückige Rohre, als eine Mehrzahl von Platten oder als ein oder mehrere stranggezogene Profile ausgebildet sein.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In dieser Zeigen:
1: eine Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
2: eine Aufsicht auf die Montageschnittstelle F eines Abgaswärmetauschers gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
3: eine Aufsicht auf ein Bündel von Tauscherrohren eines Abgaswärmetauschers gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels,
4: eine perspektivische Darstellung der grundsätzlichen Strömungspfade von Kühlmittel und Abgas im Abgaswärmetauscher gemäß eines dem ersten Ausführungsbeispiel ähnlichen vierten Ausführungsbeispiels,
5: eine Aufsicht auf den Gehäusedeckel des Abgaswärmetauschers gemäß des vierten Ausführungsbeispiels, in der die Risikogebiete für eine lokale Überhitzung des Kühlmittels schematisch angedeutet sind,
6: einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach 4 entlang der Ebene A-A, und
7: eine perspektivische Darstellung des ersten und des zweiten Strömungspfads im geöffneten Gehäuse des Wärmetauschers gemäß des vierten Ausführungsbeispiels.
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels. Der Wärmetauscher 1 umfasst ein Gehäuse 40, welches aus einem Mantelteil 50 besteht, welches mittels eines Gehäusedeckels 60 verschlossen wird. Das Mantelteil 50 ist als Gussteil ausgebildet und kann insbesondere aus Aluminiumdruckguss bestehen. Alternativ ist eine Herstellung des Mantelteils 50 im gezeigten Ausführungsbeispiel aus jedem Werkstoff möglich, welcher einerseits im Gussverfahren verarbeitet werden kann und andererseits eine ausreichende thermische Stabilität aufweist. Da aber das Mantelteil 50 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 nur mit dem Kühlmittel in Berührung kommt, welches in der Regel aus dem Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs stammt, ist eine Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen bis 150°C für die meisten Anwendungsfälle ausreichend. Als weitere Materialien für das Mantelteil haben sich Magnesium bzw. Magnesiumlegierungen, Grauguss oder auch hitzebeständige und spritzgussfähige Kunststoffe erwiesen.
Vorderseitig bildet das Mantelteil einen Flansch 59 für eine Verbindung mit einem Gehäusedeckel 60 aus. Der Gehäusedeckel 60 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer gestanzten Edelstahlplatte mit einer Stärke von wenigen Millimetern, bevorzugt von etwa 2 mm. Das Mantelteil 50 wird mit dem Gehäuseteil 60 flüssigkeits- und gasdicht verbunden unter Zwischenfügung einer Dichtung 52, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel als Metalldickendichtung ausgebildet ist. Der Gehäusedeckel 60 wird dabei mit dem Flansch 59 des Mantelteils 50 mittels Schrauben 54 verschraubt, hierzu bildet das Mantelteil 50 eine Mehrzahl von großen Gewindebohrungen 55 aus. Der Gehäusedeckel 60 weist an den korrespondierenden Positionen Durchgangsbohrungen 65 mit großem Durchmesser auf, durch die passend dimensionierte Schrauben 54 hindurchgeführt und in die Gewindebohrungen 55 eingeführt werden, so dass der Gehäusedeckel 60 mit dem Mantelteil 50 verschraubt werden kann.
Das Mantelteil 50 bildet einen Innenraum 42 aus, der dazu vorgesehen ist, ein Bündel von U-förmig gebogenen Tauscherrohren 20 in sich aufzunehmen. Dabei sind die Tauscherrohre 20 von ihren Rohrdimensionen wie Innen- und Außendurchmesser identisch, jedoch variiert die Öffnungsweite W des U-förmigen Profils. Die Formgebung des Innenraums 42 und damit auch des Mantelteils 50 ist aber insgesamt an die Formgebung des Bündels von Tauscherrohren 20 angepasst, so dass sich eine möglichst effektive Raumnutzung des Innenraums 42 durch das Bündel der Tauscherrohre 20 ergibt.
Die Tauscherrohre 20 bilden an ihren jeweiligen Enden jeweils einen Einlass 22 und einen Auslass 24 aus. Die Enden der Tauscherrohre 20 sind dabei in korrespondierende Bohrungen im Gehäusedeckel 60 hindurchgeführt, die Durchführungspunkte 66, 68 für die Einlässe bzw. die Auslässe der Tauscherrohre 20 ausbilden. Die Ein- und Auslässe 22, 24 der Tauscherrohre 20 sind dabei durch die im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Bohrungen hindurchgeführt, die Tauscherrohre 20 sind an den Durchführungspunkten 66, 68 gas- und flüssigkeitsdicht mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Hierdurch ergibt sich eine mechanische Abstützung der Tauscherrohre 20 am Gehäusedeckel 60.
In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Tauscherrohre 20 aus dünnwandigen Edelstahlrohren, dabei sind die Tauscherrohre 20 mit einer geprägten Struktur versehen, so dass sich von der Innenoberfläche der Tauscherrohre 20 eine Spiralstruktur 26 erhebt. Das Bündel der Tauscherrohre 20 ist dabei so angeordnet, dass alle Einlässe 22 und alle Auslässe 24 jeweils in einer zusammenhängenden Gruppe angeordnet sind, so dass ein Anschluss des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 an das Abgassystem des Kraftfahrzeugs auf einfache Weise möglich ist. Hierzu bildet die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 eine Montageschnittstelle S aus, die aufgrund der planen Ausführung des Gehäusedeckels 60 im Wesentlichen flanschartig ausgestaltet ist. Zur Montage des Wärmetauschers 1 am Kraftfahrzeug sind im Mantelteil 50 weitere Gewindebohrungen 53 ausgebildet, die einen gegenüber den Gewindebohrungen 55 verringerten Innendurchmesser aufweisen. In der Metallsickendichtung 52 sowie in dem Gehäusedeckel 60 sind korrespondierende Durchgangsbohrungen 63 ausgebildet. Hierüber kann der Wärmetauscher 1 über eine Mehrzahl von in 1 nicht dargestellten Schrauben mit dem Abgas- und Kühlmittelsystem des Kraftfahrzeugs verbunden werden.
Das Mantelteil 50 bildet neben dem Innenraum 42, in dem das Bündel der Tauscherrohre 20 nicht angeordnet ist, einen Einlasskanal 56 und Auslasskanal 58 für ein Kühlmittel aus, bei dem es sich beispielsweise um Kühlflüssigkeit des Kraftfahrzeugs handeln kann. Der Einlasskanal 56 und Auslasskanal 58 sind dabei so angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers 1 ein von oben nach unten (in 1) erstreckender Strömungspfad durch den Innenraum 42 des Mantelteils 50 ergibt, so dass das Bündel der Tauscherrohre intensiv vom Kühlmittel umspült wird. Um eine möglichst intensive Wechselwirkung des Kühlmittels mit der Oberfläche der abgasführenden Tauscherrohre 20 zu verwirklichen, ist innerhalb der Schenkel der U-förmig gestalteten Tauscherrohre 20 weiterhin ein Leitblech 36 angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum bevorzugt aus Edelstahl besteht und stumpf mit dem ebenfalls aus Edelstahl bestehenden Gehäusedeckels 60 verschweißt oder verlötet ist. Das Leitblech 36 verlängert den Strömungspfad des Kühlmittels im Innenraum 42 des Gehäuses 40 und sorgt somit für einen intensiveren thermischen Austausch zwischen dem in den Tauscherrohre 20 strömenden Abgas und dem in Innenraum 42 strömenden Abgas.
Erfindungsgemäß ist im Leitblech 36 eine Mehrzahl von Überströmöffnungen vorgesehen, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Für Einzelheiten wird auf die nachfolgende Beschreibung des vierten Ausführungsbeispiels verwiesen, die im ersten Ausführungsbeispiel im Leitblech 36 vorgesehenen Überströmöffnungen sind in äquivalenter Weise ausgebildet und angeordnet.
Der im Mantelteil 50 ausgebildeter Einlasskanal 56 sowie der Auslasskanal 58 enden ebenfalls im vom Mantelteil 50 ausgebildeten Flansch 59, wobei an den Enden der Kanäle 56 und 58 Stege 57 ausgebildet sind, welche eine mechanische Abstützung für die auf dem. Flansch 59 aufliegende Metallsickendichtung 52 ausbilden. Diese bildet ebenfalls Durchlässe für das den Wärmetauscher 1 durchströmende Kühlmittel aus, welche mit den im Gehäusedeckel 60 ausgebildeten Kühlmitteleinlass 62 und Kühlmittelauslass 64 korrespondieren. Im zusammengefügten Wärmetauscher 1 kann daher über die Vorderseite des Gehäusedeckels 60 sowohl Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass 62 zugeführt als auch über den Kühlmittelauslass 64 abgeführt werden als auch das zu kühlende Verbrennungsabgas über die Einlässe 22 der Tauscherrohre 20 zugeführt und über die Auslässe 24 abgeführt werden. In der dargestellten Konstruktion ist dies über eine einzige gemeinsame Montageschnittstelle S möglich.
Dies wird insbesondere auch aus der Darstellung gemäß 2 deutlich, welche eine Aufsicht auf eine Montageschnittstelle des Wärmetauschers 1 in einer geringfügig abgewandelten Ausführungsform zeigt. Deutlich zu erkennen sind die im Gehäusedeckel 60 ausgebildete Kühlmitteleinlass 62 sowie der Kühlmittelauslass 64. Die Mehrzahl der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 der Tauscherrohre 20 ist hingegen der Darstellung gemäß 2 durch Gitterstrukturen 23 abgedeckt, die Anordnung der Einlässe 22 sowie Auslässe 24 im Gehäusedeckel 60 entspricht aber im Wesentlichen der in 1 dargestellten Konfiguration. Ansonsten unterscheidet sich der Wärmetauscher gemäß der Darstellung von 2 im Wesentlichen durch die veränderte Anordnung von Befestigungspunkten 51 am Mantelteil 50, wobei diese Befestigungspunkte 51 einer Befestigung des Wärmetauschers 1 an Montagestrukturen des Kraftfahrzeugs dienen.
Aus 1 wird weiterhin sichtbar, wie mittels technischer Maßnahmen unerwünschte Schwingungen des Bündels von Tauscherrohren 20 im Innenraum 42 des Gehäuses 40 verhindert werden. So ist einerseits das Leitblech 36, welches mechanisch starr mit dem Gehäusedeckel 60 verbunden ist und welches innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 angeordnet ist, an seiner umgebogenen Spitze mechanisch fest mit den benachbart angeordneten Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verlöten oder Verschweißen. Das Leitblech 36 stellt damit eine mechanische Versteifung für die innenliegenden Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar und dämpft damit deren Schwingungen.
Als weitere schwingungsreduzierende Maßnahme ist eine Bandage 30 vorgesehen, welche aus einem gestanzten Edelstahlblech geringer Wandstärke besteht. Diese Bandage umgreift das Bündel der Tauscherrohre 20 vollständig und ist an den Berührungspunkten mit den benachbarten Tauscherrohren 20 mechanisch fest verbunden, beispielsweise mittels verlöten oder verschweißen. Durch die das Tauscherrohrbündel umgreifende Anordnung verhindert die Bandage 30 Relativschwingungen der außenliegenden Tauscherrohre 20 zueinander. Darüber hinaus bildet die Bandage 30 integral ausgebildete Abstützungen 32 aus, welche aus abgewinkelten Vorsprüngen bestehen. Diese Abstützungen 32 stellen eine federnde Abstützung des gesamten Tauscherrohrbündels gegenüber der Innenwandung des Gehäuses 40 dar.
Schließlich sind innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 20 Versteifungselemente 34 angeordnet, welche ebenfalls aus gestanzten Edelstahlblechstreifen bestehen. Diese Versteifungselemente 34 stellen eine mechanisch starre Abstützung der Tauscherrohre 20 des Tauscherrohrbündels dar, sie sind hierzu mechanisch fest mit den Tauscherrohren 20 verbunden, beispielsweise mittels Verschweißen oder Verlöten.
Es sei darauf hingewiesen, dass auf die mechanisch feste Verbindung der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 mit den einzelnen Tauscherrohren 20 in Einzelfällen verzichtet werden kann, ggf. kann der bloße Formschluss zwischen Tauscherrohrbündel und Bandage 30 bzw. Versteifungselement 34 bereits für eine ausreichende Abstützung des Tauscherrohrbündels und für ein ausreichend festen Sitz der Bandage 30 bzw. der Versteifungselemente 34 am Tauscherrohrbündel sorgen.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Bündels von Tauscherrohren 20 eines Wärmetauschers 1 in einer dritten Ausgestaltung. Gegenüber dem Wärmetauscher 1 gemäß 1 unterscheidet sich das hier gezeigte Bündel von Tauscherrohren 20 im Wesentlichen dadurch, dass es sich bei den Tauscherrohren 20 um glatte, vorzugsweise, aber nicht notwendig nahtlos gezogene dünnwandige Edelstahlrohre handelt, die keine Spiralstruktur 26 aufweisen, wie sie in 1 dargestellt ist. Darüber hinaus sind die Tauscherrohre 20 so angeordnet, dass sie sich jeweils paarweise überkreuzen, was an den Umkehrpunkten der Uförmig ausgebildeten Tauscherrohre 20 in 3 sichtbar wird. Ein im gebrauchsfertigen Wärmetauscher 1 ebenfalls zwischen den einlassseitigen und auslassseitigen Schenkeln der Tauscherrohre 20 vorgesehenes Leitblech ist in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
4 zeigt nun eine perspektivische Darstellung des grundsätzlichen Strömungspfads des Kühlmittels im Gehäuse eines Abgaswärmetauschers gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels, dessen Aufbau im Wesentlichen mit dem des ersten Ausführungsbeispiels übereinstimmt. Auf die diesbezüglichen Ausführungen wird hiermit Bezug genommen. Unterschiede liegen von in der konkreten Form des Gehäuses 40, der genauen Anordnung und Formgebung von Kühlmitteleinlass 62 und Kühlmittelauslass 64 sowie der Anzahl und Anordnung von Tauscherrohren 20.
5 zeigt eine Aufsicht auf die Ebene des Gehäusedeckels des Abgaswärmetauschers gemäß des vierten Ausführungsbeispiels, wobei der Gehäusedeckel 50 selbst aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Darstellung zeigt also einen Blick in den Innenraum des Gehäuses 40 mit den darin angeordneten U-förmigen Tauscherrohren 20. In der Darstellung sind die Risikogebiete für eine lokale Überhitzung des Kühlmittels schematisch angedeutet sind, die angrenzend an den Gehäusedeckel in den Bereichen liegen, in denen entweder:

• die Temperatur des zu kühlenden Abgasstrom besonders hoch ist, d. h. angrenzend an die Eintrittsöffnungen der Tauscherrohre 20, oder
• die Temperatur im kühlenden Kühlmittelstrom bereits besonders hoch ist, d. h. angrenzend an den Kühlmittelauslass 64.

In beiden Fällen sind darüber hinaus noch strömungstechnische Details zu berücksichtigen, so z. B. unterschiedlich hohe lokale Kühlmittelströme entlang des durch das Leitblech 36 erzwungenen ersten Strömungspfads aufgrund von „Verschattungseffekten”
6 zeigt endlich einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach 4 entlang der in 4 angedeuteten Ebene A-A, in der sich auch das ebene Leitblech 36 erstreckt. Deutlich zu erkennen ist eine Mehrzahl von Überströmöffnungen 70, die im Leitblech 36 ausgebildet sind. Dabei variiert die Dichte der Überströmöffnungen 70 auf dem Leitblech 36 lokal. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech 36 in den Bereichen des Leitblechs am höchsten, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die höchsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten.
Darüber hinaus ist die Dichte der Überströmöffnungen 70 auf dem Leitblech 36 in den Bereichen des Leitblechs 36 am niedrigsten, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die niedrigsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten. Wie durch Simulationen sowie praktische Erprobungen festgestellt wurde, bedeutet dies, dass die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech 36 in denjenigen Bereichen des Leitblechs 36 am höchsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmittelauslass 64 angrenzen. Darüber hinaus ist die Dichte der Überströmöffnungen auf dem Leitblech 36 in den Bereichen des Leitblechs 36 am niedrigsten, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmitteleinlass 62 angrenzen.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen ersten und des zweiten Strömungspfads im geöffneten Gehäuse 40 des Wärmetauschers 1 gemäß des vierten Ausführungsbeispiels. Die großen Pfeile deuten dabei den ersten Strömungspfad an, der sich im Wesentlichen entlang der Tauscherrohre 20 um das Leitblech 36 herum erstreckt, wobei das Kühlmittel jedoch im Gegenstrom zum Abgasstrom geführt wird. Der zweite Strömungspfad, auf dem der Kühlmittelstrom in seiner Stärke lokal variiert und insgesamt unter realistischen Betriebsbedingungen des Abgaswärmetauschers 1 wesentlich kleiner ist als der Kühlmittelstrom entlang des ersten Strömungspfads, insbesondere weniger als 30%, bevorzugt weniger als 20% oder darunter des Kühlmittelstroms entlang des ersten Strömungspfads beträgt, wird durch die kleinen Pfeile symbolisiert, die sich durch die Überströmöffnungen 70 im Leitblech 36 hindurch erstrecken.

Claims

Wärmetauscher (1) für den Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Bündel separat ausgebildeter, strömungstechnisch parallel geschalteter abgasführender Tauscherrohre (20), die in einem separat ausgebildeten geschlossenen Gehäuse (40) angeordnet sind, welches von einem Kühlmittel durchströmt wird, das über einen Kühlmitteleinlass in das Gehäuse eintritt, dort die Tauscherrohre (20) außenseitig umströmt und über einen Kühlmittelauslass aus dem Gehäuse (40) austritt, wobei a. die Tauscherrohre (20) jeweils einen einlassseitigen und einen auslassseitigen Schenkel aufweisen, wobei die Strömungsrichtung im einlassseitigen Schenkel der Strömungsrichtung im auslassseitigen Schenkel im wesentlichen entgegengesetzt ist, b. die einlassseitigen Schenkel als Einlassgruppe räumlich aneinander angrenzend angeordnet sind und die auslassseitigen Schenkel als Auslassgruppe räumlich aneinander angrenzend angeordnet sind, und c. zwischen der Einlassgruppe und der Auslassgruppe ein Leitblech (36) für die Strömungsführung des Kühlmittels im Gehäuse (40) angeordnet ist, welches sich im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der einlassseitigen und/oder auslassseitigen Schenkel zwischen der Einlassgruppe und der Auslassgruppe erstreckt und von einem ersten Teilstrom des Kühlmittels auf seinem Weg von einem an den Kühlmitteleinlass angrenzenden Einlassbereich zu einem an den Kühlmittelauslass angrenzenden Auslassbereich entlang eines ersten, im Wesentlichen U-förmigen Strömungspfads umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d. im Leitblech (36) zumindest eine Überströmöffnung (70) vorgesehen ist, die einen zweiten Strömungspfad für einen zweiten Teilstrom des Kühlmittels bereitstellt, der sich zwischen Einlassbereich und Auslassbereich erstreckt, wobei die thermische Wechselwirkungslänge, auf der Wärme zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel ausgetauscht werden kann, entlang des zweiten Strömungspfads kleiner ist als entlang des ersten Strömungspfads.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Überströmöffnungen (70) vorgesehen ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) räumlich variiert.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) in den Bereichen des Leitblechs am höchsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die höchsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) in den Bereichen des Leitblechs am niedrigsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, in denen im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers die niedrigsten Temperaturen im Kühlmittel auftreten.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) in den Bereichen des Leitblechs (36) am höchsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmittelauslass (64) angrenzen.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) in den Bereichen des Leitblechs (36) am niedrigsten ist, die an diejenigen Bereiche des Gehäuseinnenraums angrenzen, die an den Kühlmitteleinlass (62) angrenzen.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) im Wesentlichen U-förmig oder halbkreisförmig ausgebildet sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Überströmöffnungen (70) auf dem Leitblech (36) in dem Bereich des Leitblechs (36) am niedrigsten ist, der an den Umlenkbereich der Tauscherrohre (20) angrenzt.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Tauscherrohren (20) mechanisch mit dem Leitblech (36) verbunden ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Mantelteil (50) umfasst, welches durch einen separat ausgebildeten Gehäusedeckel (60) verschlossen wird, wobei die einlassseitigen Schenkel und/oder die auslassseitigen Schenkel der Tauscherrohre (20) durch den Gehäusedeckel (60) hindurchgeführt sind.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (36) mechanisch fest mit dem Gehäusedeckel (60) verbunden ist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (36) separat vom Gehäusedeckel (60) ausgebildet ist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (36) einstückig mit dem Gehäusedeckel (60) ausgebildet ist.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) zwischen ihren Einlässen (22) und Auslässen (24) einstückig ausgebildet sind.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) aus einem korrosionsbeständigen und hitzefesten Werkstoff wie Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
Wärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (20) aus separat ausgebildeten einstückigen Rohren, aus einer Mehrzahl von Platten oder aus einem oder mehreren stranggezogenen Profilen bestehen.