DE102009030866A1

DE102009030866A1 - Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009030866A1
Application number: DE102009030866A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Jelinek; Hans-Ulrich Kühnel
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-06-27
Also published as: DE102009030866B4

Abstract

Abgasrohre mit integrierten Kühlmittelkanälen sind bekannt. Sie weisen jedoch einen komplizierten Aufbau auf und weisen den Nachteil auf, dass häufig ein Sieden des Kühlmittels nicht verhindert werden kann oder nur eine geringe Kühlwirkung vorhanden ist. Auch thermische Dehnungen der Rohre können häufig nicht aufgenommen werden. Es wird daher ein Abgasrohr mit einem Abgaskanal (2), einem Kühlmittelkanal (6), der eine gemeinsame Trennwand (10) zu dem Abgaskanal (2) zum Wärmeaustausch aufweist, und einem Blech (12), welches den Abgaskanal (2) im Querschnitt über die Breite des Bleches (12) in einen radial innen liegenden Querschnitt (14) und einen ersten radial außen liegenden Querschnitt (16) teilt, vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß der Kühlmittelkanal (6) gegen eine Außenwand (4) des Abgaskanals (2) anliegt und die radial innen liegende Trennwand (10) des Kühlmittelkanals (6) den Querschnitt des Abgaskanals (2) über die Erstreckung der radial innen liegenden Trennwand (1) außerhalb der Breite (B) des Bleches (12) in den radial innen liegenden Querschnitt (14) und einen zweiten radial außen liegenden Querschnitt (18) teilt. Ein derartiges Abgasrohr ist unempfindlich gegen Wärmedehnungen und weist einen guten Kühlungswirkungsgrad auf, wobei ein Sieden des Kühlmittels verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgaskanal, einem Kühlmittelkanal, der eine gemeinsame Trennwand zu dem Abgaskanal zum Wärmeaustausch aufweist und einem Blech, welches den Abgaskanal im Querschnitt über die Breite des Bleches in einen radial innen liegenden Querschnitt und einen ersten radial äußeren Querschnitt teilt.
Es sind verschiedene Verwendungen gekühlter Abgasrohre bekannt. Sie dienen beispielsweise zur Vermeidung einer Überhitzung von Katalysatoren oder zur Unterstützung beziehungsweise als Ersatz von Wärmetauschern bei der Kühlung rückgeführter Abgasströme zur Reduzierung der Stickoxide oder zur Kühlung des Abgases vor dem Eintritt in eine Abgasturbine. Als Problem solcher Abgasrohre haben sich Spannungszustände infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen zwischen den Kühlmittel führenden Rohren und den Abgas führenden Rohren gezeigt. Des Weiteren treten häufig Überhitzungen des Kühlwassers auf, die zu einem Sieden des Kühlwassers führen, wodurch die Kühlwirkung deutlich abnimmt und der Kühlmittelfluss gestört wird.
Um den vorbeschriebenen Problemen entgegen zu wirken wird in der DE 20 2007 016 633 U1 für einen Rennmotor im maritimen Bereich vorgeschlagen, zwei ineinander liegende Rohre zu verwenden, wobei das radial außenliegende Kühlmittel führende Rohr einen schraubenförmigen Stahldraht zur Zwangsführung des Kühlmittels aufweist, wodurch strömungsfreie Räume vermieden werden. Die Steigung der Wicklung richtet sich dabei nach der Leistung des Motors. Zusätzlich wird das Wasser mit erhöhtem Druck in den Kanal geleitet, um den Siedepunkt zu erhöhen. Ein Sieden kann jedoch durch die große Kontaktfläche bei der Verwendung in Ottomotoren von Kraftfahrzeugen auf diese Weise nicht zuverlässig verhindert werden. Auch besteht zum Erhöhen des Druckes ein zusätzlicher Energiebedarf. Spannungen zwischen den Bauteilen werden nicht zuverlässig ausgeschlossen.
Aus der DE 40 21 326 C1 ist eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der im Gehäuse des Abgasrohres ein zusätzlicher Kühlmittelkanal ausgebildet ist, der sich schraubenförmig um den Abgaskanal erstreckt. Im Inneren des Abgaskanals ist ein gewickeltes Blech angeordnet, welches über Schrauben am außenliegenden Abgasrohr befestigt ist. Bei Erwärmung kann sich dieses Blech ausdehnen und legt sich gegen die Innenseite des Abgasrohres an, so dass Spannungen durch thermische Ausdehnung vermieden werden. Allerdings sinkt auch die Kühlwirkung, da sich zwischen dem Blech und dem Kühlmittelkanal ein Raum befindet, in dem beinahe keine Strömung vorliegt. Die Kühlwirkung des Kühlmittels baut sich vor allem in diesen Totbereichen ab und kann so nicht von der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden. In jedem Fall sind zwei Wände zwischen dem Abgasstrom und dem Kühlmittelstrom vorhanden. Nach vollständiger Erwärmung kann es passieren, dass sich das Blech vollständig gegen die Trennwand anlegt. In diesem Fall ist wiederum ein Sieden des Kühlmittels zu befürchten.
Entsprechend bestehen bei den bekannten Ausführungen die Nachteile, dass aufgrund der großen Kontaktflächen ein Sieden des Kühlmittels insbesondere bei Verwendung derartiger Abgasrohre in Ottomotoren nicht zuverlässig vermieden werden kann. Des Weiteren zeigen die bekannten Systeme einen sehr komplexen Aufbau, so dass die Montage- und Herstellkosten hoch sind.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Abgasrohr zu schaffen, welches als Abgasrückführkanal bei Ottomotoren verwendet werden kann, wobei Materialspannungen vermieden werden sollen, eine möglichst gute Kühlwirkung bei gleichzeitiger Vermeidung eines Siedens des Kühlmittels und ein möglichst einfacher und kostengünstiger Aufbau gewährleistet werden sollen. Zusätzlich soll eine Wärmestrahlung an umgebende Bauteile des Abgasrohres zuverlässig verhindert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Kühlmittelkanal gegen eine Außenwand des Abgaskanals anliegt, wobei die gemeinsame Trennwand als radial innenliegende Trennwand des Kühlmittelkanals ausgebildet ist und den Querschnitt des Abgaskanals über die Erstreckung der radial innenliegenden Trennwand außerhalb der Breite des Bleches in den radial innen liegenden Querschnitt und einen zweiten radial außen liegenden Querschnitt teilt. Durch diese Anordnung des Kühlmittelkanals im Abgaskanal wird entsprechend der Größe der Trennwand eine definierte Wärmemenge aus dem Abgaskanal aufgenommen, so dass eine Kühlung des Abgasstromes stattfinden kann, ohne dass ein Sieden des Kühlmittels auftritt. Gleichzeitig werden durch die getrennten Kanäle Materialspannungen vermieden. Im Zusammenspiel mit dem Blech im Abgaskanal wird der außenliegende Querschnitt, in dem nur eine geringe Strömung vorliegt, gekühlt, so dass eine Wärmestrahlung auf außenliegende Bauteile gleichzeitig verhindert wird. Entsprechend dient das Blech als Isolator nach außen. Dabei ist der Aufbau der einzelnen Bauteile einfach gehalten, so dass Montage- und Herstellkosten gering sind.
Vorzugsweise sind der Kühlmittelkanal und das Blech in Längsrichtung des Abgaskanals schraubenförmig ausgebildet. Hierdurch kann ein über die Länge und den Umfang des Abgasrohres gleichmäßiges Temperaturprofil erreicht werden. Materialspannungen werden vermieden, da eine Ausdehnung des Bleches ohne Kontakt zu den anderen Wänden bei erhöhter Abgastemperatur möglich ist. Durch die Spiralform hat auch der Kühlmittelkanal eine gewisse Elastizität, über die Wärmedehnungen aufgenommen werden können.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Abstand des Blechs zur Außenwand des Abgaskanals im Wesentlichen gleich dem Abstand der radial innenliegenden Trennwand des Kühlmittelkanals zur Außenwand des Abgaskanals. Somit entsteht ein zum inneren, Abgas durchströmten Kanal konzentrisch angeordnetes Außenrohr mit geringerer Temperatur. Die Wärmeübertragungsfläche wird zum größten Teil durch die innenliegende Trennwand des Kühlmittelkanals bestimmt.
Um einen gleichmäßigen Abstand des Bleches zur Außenwand sicherzustellen, sind an der radial außenliegenden Seite des Bleches Noppen ausgebildet. Somit liegt die Größe der radial außen liegenden, isolierend wirkenden Schicht fest, wodurch wiederum eine genaue Bestimmung der zu übertragenden Wärmemenge vereinfacht wird.
Zur Einleitung des Kühlmittels weist das Abgasrohr einen gegossenen Anschlussstutzen auf, an dem ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass ausgebildet sind, wobei der Kühlmittelauslass durch Schweißen mit dem Kühlmittelkanal verbunden ist. Hierdurch ergibt sich eine feste und leckagefreie Anbindung des Kühlmittelkanals an den Abgaskanal.
Vorzugsweise ist das Abgasrohr ein Abgasrückführrohr eines Ottomotors. Hier treten hohe Abgastemperaturen auf, welche durch die platzsparende Ausbildung der Kühlstrecke abgebaut werden können, ohne zusätzliche Bauteile und somit Bauraum zu benötigen.
Es wird somit ein Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine geschaffen, welches eine gute Kühlwirkung besitzt, gleichzeitig ein Sieden des Kühlmittels durch definierte Wärmeübertragungsflächen verhindert und einen einfachen Aufbau aufweist. Materialspannungen durch Wärmedehnungen werden gleichzeitig verhindert und eine Isolationswirkung nach außen erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasrohres ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Abgasrohr mit weggeschnittener Außenwand.
2 zeigt einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Abgasrohr aus 1 in schematischer Darstellung
Das erfindungsgemäße Abgasrohr besteht aus einem Abgaskanal 2, durch den Abgas aus dem Verbrennungsmotor entweder zur Abgasrückführung zurück zum Saugrohr oder in Richtung eines Katalysators strömt.
Der Abgaskanal 2 wird durch eine Außenwand 4 nach Außen begrenzt. Im Inneren des Abgaskanals 2 ist ein Kühlmittelkanal 6 angeordnet, der im Querschnitt eine im Wesentlichen flache Form aufweist und dessen radial äußere Begrenzungswand 8 gegen die Außenwand 4 des Abgaskanals 2 anliegt und dessen radial innen liegende Trennwand 10 als Wärmeübertragungsfläche zum durchströmten Abgaskanal 2 dient. Wie in 1 zu erkennen ist, erstreckt sich der Kühlmittelkanal 6 schraubenförmig entlang der Länge des Abgasrohres.
Zusätzlich ist im Abgaskanal 2 ein Blech 12 angeordnet, welches sich ebenfalls schraubenförmig im Kanal 2 erstreckt. Dieses Blech 12 bildet gemeinsam mit der Trennwand 10 des Kühlmittelkanals 6 ein zur Außenwand des Abgaskanals 2 konzentrisch innenliegendes rohrförmiges Gebilde, wobei im Querschnitt zwischen der Trennwand 10 und dem Blech 12 ein geringer Abstand vorhanden ist. Zur Außenwand 4 besteht somit im Wesentlichen ein konstanter Abstand, der durch die Anordnung von in der 2 dargestellten Noppen 13 auf der nach außen weisenden Seite des Bleches 12, die gegen die Außenwand 4 anliegen, sichergestellt wird.
Der Abgaskanal 2 wird im Querschnitt in drei Teile geteilt, wie ebenfalls aus 2 hervorgeht. Ein radial innenliegender Querschnitt 14 wird im Wesentlichen durch die Trennwand 10 und das Blech 12 nach radial außen begrenzt. Über die Breite B des Bleches 12 nach radial außen weisend und sich bis zur Außenwand 4 erstreckend, ist ein erster radial außenliegender Querschnitt 16 ausgebildet, indem sich ebenfalls Abgas befindet. Der Kühlmittelkanal 6 bildet einen zweiten radial außen liegenden Querschnitt 18 des Abgasrohres.
Aus 1 ist ersichtlich, dass am Ende des Abgaskanals 2 ein Anschlussstutzen 20 angeordnet ist, der einen Kühlmitteleinlass 22 und einen Kühlmittelauslass 24 aufweist, der eine Querschnittsform aufweist, die im Wesentlichen der Querschnittsform des Kühlmittelkanals 6 entspricht, so dass der Kühlmittelauslass 24 fluiddicht durch Schweißen mit dem Kühlmittelkanal 6 verbunden werden kann. Der Kühlmitteleinlass 22 ist als Rohrstutzen an einer radialen Außenwand 26 des Anschlussstutzens 20 angeordnet, welche im Wesentlichen die Außenwand des Abgaskanals 2 verlängert. Auch diese kann durch Schweißen am Anschlussstutzen 20 befestigt werden.
Strömt Abgas in den Abgaskanal 2 und Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass 22 in den Kühlmittelkanal 6, wird der Abgasstrom über die Lauflänge des Abgaskanals 2 durch den insbesondere an der Trennwand 10 vorhandenen Wärmeübergang zwischen dem Kühlmittel und dem Abgas gekühlt. Gleichzeitig wird der erste radial außenliegende Querschnitt 16 über die Zwischenräume zwischen dem Kühlmittelkanal 6 und dem Blech 12 mit Abgas gefüllt. Dieses weist jedoch nur eine geringe Strömung auf, da das Blech als Strömungshindernis wirkt. Die dort vorhandene Abgasschicht wird ebenfalls durch den Kontakt zum Kühlmittelkanal 6 gekühlt. Gleichfalls entsteht eine Kühlwirkung an der Außenwand 4 des Abgaskanals durch den Kontakt zum Kühlmittelkanal 6, so dass der gesamte radial außen liegende Querschnitt 14, 16 als Isolationsschicht nach außen wirkt. Hierdurch wird die Wärmestrahlung des Abgasrohres deutlich reduziert.
Des Weiteren kann durch die Schraubenform des Kühlmittelkanals 6 und des Blechs 12 deren thermische Ausdehnung bei erhöhter Abgastemperatur ausgeglichen werden, so dass Materialspannungen vermieden werden. Durch die Isolationswirkung der äußeren Schicht wird zusätzlich eine Wärmedehnung der Außenwand des Abgasrohres weitestgehend unterdrückt.
Die Größe der Wärmeübertragungsflächen sowohl der Außenwand des Kühlmittelkanals zur Außenwand des Abgaskanals als auch der Trennwand sollte entsprechend der im jeweiligen Motor abzuführenden Wärmemengen derart angepasst werden, dass bei optimierter Kühlwirkung dennoch zuverlässig ein Sieden des Kühlwassers verhindert werden kann.
Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Varianten zum Ausführungsbeispiel möglich sind, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. So kann die Schraubenform eine unterschiedliche Steigung aufweisen oder gegebenenfalls sogar wegfallen. Auch kann die Querschnittsform des Kühlmittelkanals geändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 202007016633 U1 [0003]
- DE 4021326 C1 [0004]

Claims

Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgaskanal, einem Kühlmittelkanal, der eine gemeinsame Trennwand zu dem Abgaskanal zum Wärmeaustausch aufweist und einem Blech, welches den Abgaskanal im Querschnitt über die Breite des Bleches in einen radial innen liegenden Querschnitt und einen ersten radial außen liegenden Querschnitt teilt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (6) gegen eine Außenwand (4) des Abgaskanals (2) anliegt, wobei die gemeinsame Trennwand als radial innenliegende Trennwand (1) des Kühlmittelkanals (6) ausgebildet ist und den Querschnitt des Abgaskanals (2) über die Erstreckung der radial innenliegenden Trennwand (1) außerhalb der Breite (B) des Bleches (12) in den radial innen liegenden Querschnitt (14) und einen zweiten radial außen liegenden Querschnitt (18) teilt.
Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (6) und das Blech (12) in Längsrichtung des Abgaskanals (2) schraubenförmig ausgebildet sind.
Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Blechs (12) zur Außenwand (4) des Abgaskanals (2) im Wesentlichen gleich dem Abstand der radial innenliegenden Trennwand (10) des Kühlmittelkanals (6) zur Außenwand (4) des Abgaskanals (2) ist.
Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der radial außenliegenden Seite des Bleches (12) Noppen (13) ausgebildet sind.
Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr einen gegossenen Anschlussstutzen (20) aufweist, an dem ein Kühlmitteleinlass (22) und ein Kühlmittelauslass (24) ausgebildet sind, wobei der Kühlmittelauslass (24) durch Schweißen mit dem Kühlmittelkanal (6) verbunden ist.
Abgasrohr für eine Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrohr ein Abgasrückführrohr eines Ottomotors ist.