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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Wärmeübertrager, insbesondere Abgaswärmeübertrager, werden für verschiedene technische Anwendungen zur Übertragung von Wärme von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid genutzt. Dabei durchströmt sowohl das erste als auch das zweite Fluid den Wärmeübertrager und die Wärme wird dabei von dem ersten auf das zweite Fluid oder umgekehrt übertragen. In einem Abgaswärmeübertrager wird Abgas als erstes Fluid durch eine Vielzahl von als Flachrohren ausgebildeten Rohren durchgeleitet. Um die Flachrohre herum wird dabei Kühlflüssigkeit als zweites Fluid geleitet. Damit wird von dem heißen Abgas Wärme auf die Kühlflüssigkeit übertragen und somit das Abgas gekühlt.
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Abgaswärmeübertrager weisen im Allgemeinen ein Gehäuse, zwei Böden mit Öffnungen sowie eine Vielzahl von Rohren auf, deren Enden in den Böden angeordnet sind. Die Rohre mit den beiden Böden sind dabei innerhalb des Gehäuses angeordnet, so dass sich ein erster Strömungskanal in den Rohren für das Abgas und ein zweiter Strömungsraum bzw. Strömungskanal zwischen den Rohren für die Kühlflüssigkeit in dem Wärmeübertrager bildet. Die Komponenten des Wärmeübertragers bestehen dabei im Allgemeinen aus Metall, insbesondere Aluminium, und sind vorzugsweise stoffschlüssig mittels Löten miteinander verbunden. Innerhalb des zweiten Strömungsraumes ist eine bestimmte Strömung der Kühlflüssigkeit gewünscht, um einen guten Wärmeübergang von dem Abgas auf die Kühlflüssigkeit zu erreichen. Dabei können sich zwischen den Flachrohren Zwischenräume ausbilden, welche einen nicht gewünschten Strömungsraum für die Kühlflüssigkeit darstellen.
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Die
DE 10 2007 010 474 A1 zeigt einen Wärmetauscher zur Abgaskühlung mit einem Gehäuse, einem ersten Strömungskanal für ein erstes Medium, einem zweiten Strömungskanal für ein zweites Medium, mindestens einem Boden, der mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei der Boden mindestens ein Dehnungselement zum Ausgleich von Längsdehnungen aufweist.
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Aus der
WO 03/091650 A1 ist ein Abgaswärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Abgasrückführung, bekannt. Der Abgaswärmeübertrager umfasst einen Gehäusemantel für ein Kühlmittel und ein von Abgas durchströmtes Rohrbündel, das von dem Kühlmittel umströmt wird. Das Rohrbündel ist von Rohrböden im Gehäuse aufgenommen, wobei Rohrbündel, Rohrböden und Gehäuse einen in sich geschlossenen Kraftschluss bilden und im Kraftfluss ein Schiebesitz angeordnet ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Wärmeübertrager und eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, das einen guten Wärmeübergang von dem ersten auf das zweite Fluid oder umgekehrt bei geringen Herstellungskosten aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager, insbesondere Abgas- oder Ladeluftwärmeübertrager, umfassend ein Gehäuse, vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Boden mit Öffnungen, Rohre als erster Strömungskanal zum Durchleiten eines ersten Fluides, insbesondere Abgas, deren Enden vorzugsweise in den Öffnungen des ersten und zweiten Bodens angeordnet sind, wobei die Rohre und vorzugsweise der erste und/oder zweite Boden innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, so dass sich zwischen dem Gehäuse und den Rohren ein zweiter Strömungsraum zum Durchleiten eines zweiten Fluides, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, ausbildet, wobei in dem zweiten Strömungsraum in einem Zwischenraum zwischen wenigstens zwei Rohren wenigstens eine Strömungssperre ausgebildet ist. Der Zwischenraum zwischen den wenigstens zwei Rohren kann damit versperrt werden, so dass dadurch aufgrund der Versperrung oder der Abdichtung das zweite Fluid, insbesondere die Kühlflüssigkeit, nicht durch den Zwischenraum strömen kann und dadurch in anderen Bereichen des zweiten Strömungsraumes strömen muss. Dadurch kann der Wärmeübergang von dem ersten Fluid, insbesondere Abgas, auf das zweite Fluid, insbesondere die Kühlflüssigkeit, verbessert werden, weil die beabsichtigte Strömung der Kühlflüssigkeit dadurch besser erreicht werden kann.
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Insbesondere versperrt die wenigstens eine Strömungssperre den Zwischenraum vollständig. Der Zwischenraum zwischen wenigstens zwei Rohren wird damit vollständig versperrt oder abgedichtet, so dass dadurch kein zweites Fluid durch den Zwischenraum zwischen den wenigstens beiden Rohren strömen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die wenigstens eine Strömungssperre mit den wenigstens zwei Rohren, zwischen denen die wenigstens eine Strömungssperre ausgebildet ist, stoffschlüssig, insbesondere mittels Löten, verbunden und/oder wenigstens 30%, 50%, 80% oder 90% der Rohre sind mit der wenigstens einen Strömungssperre verbunden. Sind beispielsweise wenigstens 50% der Rohre mit der wenigstens einen Strömungssperre verbunden, handelt es sich bei der Strömungssperre nicht nur um eine lokale Strömungssperre, sondern um eine Strömungssperre die einen größeren Bereich des zweiten Strömungsraumes abschließt.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist die wenigstens eine Strömungssperre als ein Vollprofil oder ein Hohlprofil ausgebildet. Die wenigstens eine Strömungssperre weist als Vollprofil damit in einem Quer- und/oder Längsschnitt keinen Hohlraum auf und als Hohlprofil in dem Quer- und/oder Längsschnitt einen Hohlraum auf.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Strömungssperre in einem Querschnitt im Wesentlichen kreis-, ellipsen-, rechteckförmig ausgebildet.
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In einer Variante ist die wenigstens eine Strömungssperre als ein Draht oder Stab ausgebildet.
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Zweckmäßig weist der Draht oder der Stab wenigstens eine, vorzugsweise mehrere, Biegungen auf. Der Draht oder der Stab als Strömungssperre ist in der Herstellung besonders einfach und preiswert und kann durch Biegung auf einfache und preiswerte Weise leicht in die gewünschte Geometrie zur Ausbildung der wenigstens einen Strömungssperre gebracht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die Biegungen einen Winkel zwischen 80° und 200°, vorzugsweise zwischen 90° und 180°, insbesondere im Wesentlichen 180°, auf. Im Wesentlichen 180° bedeutet dabei einen Winkel von 180° mit einer Abweichung von weniger als 10° oder 5°.
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Insbesondere besteht die wenigstens eine Strömungssperre wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus dem gleichen Material wie das Gehäuse und/oder die Rohre und/oder der erste und/oder der zweite Boden und/oder die wenigstens eine Strömungssperre besteht aus Metall, insbesondere Aluminium oder Stahl, wenigstens teilweise, insbesondere vollständig und vorzugsweise ist die wenigstens eine Strömungssperre mit einem Lot plattiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht die wenigstens eine Strömungssperre und/oder das Gehäuse und/oder der Gehäusemantel und/oder die Gehäusedeckwandung und/oder der erste und/oder zweite Boden und/oder die Rohre aus Metall, insbesondere Aluminium, Stahl oder Edelstahl.
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In einer zusätzlichen Ausgestaltung besteht das Gehäuse und/oder der Gehäusemantel und/oder die Gehäusedeckwandung wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff.
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In einer Variante sind Komponenten des Wärmeübertragers, insbesondere das Gehäuse und/oder der Gehäusemantel und/oder die Gehäusedeckwandung und/oder die wenigstens eine Strömungssperre und/oder der erste und/oder der zweite Boden und/oder die Rohre, stoffschlüssig mittels Löten miteinander verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist innerhalb Gehäuse und zwischen Rohren, d. h. in dem zweiten Strömungsraum, ein Strömungsrichter angeordnet. Der Strömungsrichter dient dazu, die Strömung des zweiten Fluides, d. h. insbesondere Kühlflüssigkeit, entsprechend zu steuern. Mittels des Strömungsrichters wird das zweite Fluid möglichst gleichmäßig durch den zweiten Strömungskanal verteilt mit einer möglichst hohen Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch soll ein möglichst guter Wärmeübergang von dem ersten auf das zweite Fluid oder umgekehrt gewährleistet werden. Vorzugsweise wird von dem Strömungsrichter ein Raum zwischen wenigstens zwei Rohren nur teilweise versperrt bzw. abgedichtet.
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In einer ergänzenden Ausführungsform endet die wenigstens eine Strömungssperre an einem Strömungsrichter und/oder einer Turbulenzeinlage.
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Erfindungsgemäße Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Diesel- oder Ottomotors, umfassend eine Abgasleitung, vorzugsweise mit einer Abgasturbine, eine Ladeluftleitung mit einem, vorzugsweise von der Abgasturbine antreibbaren, Ladeluftverdichter, eine Abgasrückführleitung zur Leitung von Abgas von der Abgasleitung zu der Ladeluftleitung, einen Abgaswärmeübertrager zur Kühlung von Abgas in der Abgasrückführleitung und/oder einen Ladeluftwärmeübertrager zur Kühlung von Ladeluft in der Ladeluftleitung in Strömungsrichtung der Luft nach dem Ladeluftverdichter, vorzugsweise ein Abgassteuerorgan zur Steuerung und/oder Regelung der durch die Abgasrückführleitung leitbaren Menge an Abgas pro Zeiteinheit und/oder vorzugsweise ein Ladeluftsteuerorgan zur Steuerung und/oder Regelung der durch die Ladeluftleitung leitbaren Menge an Ladeluft pro Zeiteinheit, wobei der Abgaswärmeübertrager und/oder der Ladeluftwärmeübertrager als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Wärmeübertrager ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind innerhalb der Rohre, insbesondere Flachrohre, Turbulenzeinlagen angeordnet. Die Turbulenzeinlagen, beispielsweise Leitbleche, dienen dazu, für die Strömung des ersten Fluides durch die Rohre eine turbulente Strömung zu erzeugen, zur Erhöhung der Wärmeübertragung von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid oder umgekehrt.
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In einer weiteren Ausgestaltung dienen Strömungsrichterrippen zur Steuerung des Flusses oder der Strömung des zweiten Fluides als Strömungsrichter.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind zwischen den Rohren Rippen oder Turbulenzeinlagen, d. h. innerhalb des zweiten Strömungskanales, insbesondere für die Kühlflüssigkeit, angeordnet. Dadurch soll möglichst eine turbulente Strömung beim Umströmen der Rohre mittels des zweiten Fluides, insbesondere der Kühlflüssigkeit, erzielt werden.
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt eines Wärmeübertragers und
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2 einen Längsschnitt A-A gemäß 1 des Wärmeübertragers.
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Ein als Abgaswärmeübertrager 2 ausgebildeter Wärmeübertrager 1 dient zur Kühlung von Abgas mittels Kühlflüssigkeit. Der Abgaswärmeübertrager 2 weist dabei einen ersten Strömungskanal 19 zum Durchleiten eines ersten Fluides, nämlich Abgas, auf. Ein zweiter Strömungskanal 20 bzw. zweiter Strömungsraum 20 zum Durchleiten eines zweiten Fluides, nämlich Kühlflüssigkeit, dient dazu, von dem Abgas Wärme auf die Kühlflüssigkeit zu übertragen und dadurch das Abgas zu kühlen (1 und 2). Der Abgaswärmeübertrager 2 wird dabei in einer nicht dargestellten Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt, um mittels Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine das Abgas aus der Brennkraftmaschine zu kühlen und anschließend wieder nach dem Abkühlen in dem Abgaswärmeübertrager 2 einer nicht dargestellten Ladeluftleitung zuzuführen zur weiteren Verbrennung in einem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine.
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Der Abgaswärmeübertrager 2 weist ein Gehäuse 3 mit einem Gehäusemantel 4 und zwei Gehäusedeckwandung 5 auf. Die beiden Gehäusedeckwandungen 5 bilden dabei einen ersten Diffusor 12 und einen zweiten Diffusor 13. Am ersten Diffusor 12 ist eine Einlassöffnung 21 für Abgas und am zweiten Diffusor 13 ist eine Auslassöffnung 22 für Abgas ausgebildet. Innerhalb des Gehäusemantels 4 ist an den beiden Endbereichen des Gehäusemantels 4 senkrecht zu der Zeichenebene von 1 und 2 ein erster Boden 14 und ein zweiter Boden 15 angeordnet. Der erste und zweite Boden 14, 15 weist dabei Öffnungen 16 auf. Die Öffnungen 16 sind dabei rechteckförmig ausgebildet und in den Öffnungen 16 sind als Flachrohre 18 ausgebildete Rohre 17 angeordnet. Aufgrund der Anordnung der im Querschnitt rechteckförmigen Flachrohre 18 in den Öffnungen 16 des ersten und zweiten Bodens 14, 15 werden die Flachrohre 18 innerhalb des Gehäuses 3 gehalten. Die Flachrohre 18 weisen aufgrund der geometrischen Ausbildung in einem Querschnitt Schmalseitenwandungen 27 und Breitseitenwandung 28 auf.
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In der Darstellung in 1 sind zwei Flachrohre 18 dahingehend geschnitten, dass die jeweils beiden Schmalseitenwandungen 27 der beiden Flachrohre 18 sichtbar sind. Das durch den Wärmeübertrager 1 als erstes Fluid zu leitende Abgas strömt dabei durch die Einlassöffnung 21 an dem ersten Diffusor 12 ein, innerhalb des ersten Diffusors 12 bildet sich somit der erste Strömungskanal 19 für das Abgas aus. Die Enden der Flachrohre 18, welche im Bereich des ersten Diffusors 12 enden, sind dabei außerhalb der Flachrohre 18 von dem ersten Boden 14 vollständig abgedichtet, so dass das Abgas von dem ersten Strömungskanal 19 innerhalb des ersten Diffusor 12 ausschließlich in die Flachrohre 18 einströmen kann, so dass sich innerhalb der Flachrohre 18 ebenfalls der erste Strömungskanal 19 für das Abgas ausbildet. Nach dem Durchströmen der Flachrohre 18 in einer Strömungsrichtung gemäß dem Schnitt in 1 von links nach rechts strömt das Abgas aus den Flachrohren 18 wieder aus und aufgrund der identischen Abdichtung der Enden der Flachrohre 18 im Bereich des zweiten Diffusors 13 strömt das Abgas aus den Flachrohren 18 in den ersten Strömungskanal 19 innerhalb des zweiten Diffusors 13 ein, wird dort anschließend gesammelt und strömt aus der Auslassöffnung 22 aus dem zweiten Diffusor 13 aus.
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Senkrecht zu der Zeichenebene von 1 sind innerhalb des Gehäusemantels 4 des Gehäuses 3 eine Vielzahl von Flachrohren 18 übereinander angeordnet. Aufgrund der Schnittbildung in 1 sind dabei die Breitseitenwandungen 28 der Flachrohre 18 nicht sichtbar und zwischen den Flachrohren 18 bildet sich innerhalb des Gehäusemantels 4 der zweite Strömungsraum 20 für das zweite Fluid, nämlich Kühlflüssigkeit, aus. Die Kühlflüssigkeit wird dabei durch eine Einlassöffnung 23 an dem Gehäusemantel 4 eingeleitet und strömt durch eine Auslassöffnung 24 an dem Gehäusemantel 4 wieder aus. Die Ein- und Auslassöffnung 23, 24 sind dabei versetzt zueinander angeordnet, so dass die eigentliche Ein- und Auslassöffnung 23, 24 in der Schnittbildung in 1 nicht sichtbar ist und der Versatz der Ein- und Auslassöffnung 23, 24 in der strichlierten Darstellung der Ein- und Auslassöffnung 23, 24 in 2 dargestellt ist.
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Zwischen den Flachrohren 18 bildet sich ein Zwischenraum 7 aus. Die gemäß der Darstellung in 1 senkrecht zu der Zeichenebene von 1 übereinander angeordneten Flachrohre 18 bilden dabei eine erste Rohrreihe 25 und eine zweite Rohrreihe 26. Die erste Rohrreihe 25 ist dabei gemäß der Schnittbildung in 1 oberhalb des Zwischenraumes 7 ausgebildet und die zweite Rohrreihe 26 unterhalb des Zwischenraumes 7. Die Strömung der Kühlflüssigkeit ist in dem Schnitt in 1 lediglich mit strichlierten Pfeilen dargestellt, weil aufgrund der Schnittbildung in 1 der zweite Strömungsraum 20 ausschließlich oberhalb oder unterhalb der Zeichenebene von 1 angeordnet ist, so dass dadurch in 1 kein eigentlicher Schnitt durch den zweiten Strömungsraum 20 abgebildet ist, abgesehen von dem Strömungsraum 20 in dem Zwischenraum 7 links von äußersten linken Vollprofil 8 und dem Zwischenraum 7 rechts von äußersten rechten Vollprofil 8 gemäß der Darstellung in 1.
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In dem Zwischenraum 7 zwischen der ersten Rohrreihe 25 und der zweiten Rohrreihe 26 ist eine Strömungssperre 6 aus einem Draht 9 oder einem Stab 10 angeordnet. Der Draht 9 stellt dabei ein Vollprofil 8 ohne Hohlraum dar und ist meanderförmig (2) in dem Zwischenraum 7 angeordnet. Der gerade Teil des Drahtes 9 ist dabei durch einen Teil des Drahtes 9 mit einer Biegung 11 miteinander verbunden (2). Der Draht 9 ist dabei stoffschlüssig mittels Löten jeweils an den Schmalseitenwandungen 27 der Flachrohre 18 jeweils der ersten und zweiten Rohrreihe 25, 26 verbunden.
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Die Strömungssperre 6 verhindert dabei zwischen dem Draht 9 innerhalb des Zwischenraumes 7 eine Strömung der Kühlflüssigkeit in dem Zwischenraum 7 in einer Strömungsrichtung von rechts nach links gemäß der Darstellung in 1. In 2 ist lediglich die Strömung des Abgases mit Pfeilen dargestellt und die Strömung der Kühlflüssigkeit nicht mit strichlierten Pfeilen abgebildet. In 2 sind ferner die lediglich Breitseltenwandungen 28 der Flachrohre 18 strichliert dargestellt, weil aufgrund des Schnittes in 2 durch den Wärmeübertrager 1 im Bereich des Zwischenraumes 7 die Breitseitenwandungen 28 der Flachrohre 18 nicht sichtbar sind. Die eigentlich sichtbaren Schmalseitenwandungen 27 sind in 2 nicht dargestellt.
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Aufgrund der Verhinderung der Strömung der Kühlflüssigkeit in dem Zwischenraum 7 zwischen den Stäben 9 in einer Strömungsrichtung von rechts nach links in der Schnittbildung in 1 strömt somit mehr Kühlflüssigkeit in der Strömungsrichtung von rechts nach links nicht in dem Zwischenraum 7 von rechts nach links sondern in den Räumen zwischen den Flachrohren 18 außerhalb des Zwischenraumes 7. Diese Räume zwischen den Flachrohren 18 sind dabei in dem Schnitt in 1 oberhalb und unterhalb der Zeichenebene von 1 ausgebildet. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Wärmeübergang von dem Abgas auf die Kühlflüssigkeit erhöht werden, weil mehr Kühlflüssigkeit in dem für den Wärmeübergang relevanten Strömungsraum 20 außerhalb des Zwischenraumes 7 durch den Strömungsraum 20 strömt.
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Die Komponenten des Abgaswärmeübertragers 2, nämlich das Gehäuse 3 mit dem Gehäusemantel 4 und den beide Gehäusedeckwandungen 5, die Strömungssperre 6 als Draht 9, die beiden Böden 14, 15 und die Flachrohre 18, bestehen dabei aus Aluminium oder Edelstrahl und sind dabei mittels Löten in einem Lötofen miteinander verbunden. Hierzu sind die Komponenten 3, 4, 5, 6, 14, 15, 17 des Abgaswärmeübertragers 2 mit einem Lot plattiert und werden vor dem Einfügen in den Lötofen zu dem Abgaswärmeübertrager 2 kassettiert.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die Strömungssperre 6 versperrt oder dichtet einen Teil des Raumes ab zwischen den Rohren 17, nämlich den Zwischenraum 7. Die Strömungssperre 6 ist in dabei in einfacher Weise aus einem gebogenen Draht 9 hergestellt, so dass diese besonders einfach und preiswert in der Herstellung ist und leicht beim Löten mit den Flachrohren 18 verbunden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Abgaswärmeübertrager
- 3
- Gehäuse
- 4
- Gehäusemantel
- 5
- Gehäusedeckwandung
- 6
- Strömungssperre
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Vollprofil
- 9
- Draht
- 10
- Stab
- 11
- Biegung
- 12
- Erster Diffusor
- 13
- Zweiter Diffusor
- 14
- Erster Boden
- 15
- Zweiter Boden
- 16
- Öffnungen in Boden
- 17
- Rohre
- 18
- Flachrohre
- 19
- Erster Strömungskanal für Abgas
- 20
- Zweiter Strömungsraum für Kühlflüssigkeit
- 21
- Einlassöffnung für Abgas
- 22
- Auslassöffnung für Abgas
- 23
- Einlassöffnung für Kühlflüssigkeit
- 24
- Auslassöffnung für Kühlflüssigkeit
- 25
- Erste Rohrreihe
- 26
- Zweite Rohrreihe
- 27
- Schmalseitenwandung
- 28
- Breitseitenwandung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010474 A1 [0004]
- WO 03/091650 A1 [0005]
