DE102010007124B4 - Wärmeübertragungsvorrichtung sowie Anordnung zur Abgasrückführung mit einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung - Google Patents

Wärmeübertragungsvorrichtung sowie Anordnung zur Abgasrückführung mit einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Wärmeübertragungsvorrichtung (10), bestehend aus mindestens zwei Gehäuseteilen (11, 15), wobei die Gehäuseteile (11, 15) derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal (16) und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmter Kanal (18) in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest einem der Gehäuseteile (11, 15) Rippen (20) in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (16) erstrecken, und wobei die Rippen (20) in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal (16) senkrecht zur Höhenerstreckungsrichtung der Rippen (20) mittels einer Platte (26) in einen ersten Kanal (22) und einen zweiten Kanal (24) geteilt ist, wobei die Platte (26) mit zu den Rippen (20) korrespondierenden Durchgangsöffnungen (28) ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die aus mindestens zwei Gehäuseteilen besteht, wobei die Gehäuseteile derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmter Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest einem der Gehäuseteile Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal erstrecken, und wobei die Rippen in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur Abgasrückführung mit einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung.
  • Wärmeübertragungsvorrichtungen werden beispielsweise als Kühler zur Kühlung von im Einlass der Brennkraftmaschine zurückzuführenden Abgasen eingesetzt, um eine Verbesserung des Verbrennungsprozesses zu gewährleisten. Es ist bekannt, Wärmeübertragungsvorrichtungen aus mehreren ineinander angeordneten Druckgussschalen herzustellen, wobei sich von den inneren Druckgussschalen Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken. Bei Kühlmittel umströmten Wärmeübertragungsvorrichtungen dient immer die Schale, von der aus sich die Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken, gleichzeitig als Trennwand zwischen dem Kühlfluid durchströmten Kanal und den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal.
  • Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung wird beispielsweise in der DE 10 2007 019 206 B4 offenbart. Die hierin offenbarte Vorrichtung weist eine Innenschale auf, von der aus sich Rippen in einen beispielsweise von Abgas durchströmten Kanal erstrecken. Die Rippen weisen eine in Hauptströmungsrichtung des Abgases längliche Form auf, sind in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet und unterbrochen ausgebildet. Hierdurch kann in den in Hauptströmungsrichtung gesehen nicht mit Rippen bestückten Bereichen ein Austausch des zu kühlenden Fluides quer zur Hauptströmungsrichtung stattfinden.
  • Jedoch werden mit einer solchen Vorrichtung auftretende Abgaspulsationen deutlich gedämpft.
  • Eine aus DE 197 36 500 A1 bekannte Vorrichtung ermöglicht eine parallele Kühlung der jeweiligen Fluidströme, welche von zwei separaten Zylinderreihen zum Saugrohr zurückgeführt werden. Die offenbarte Wärmeübertragungsvorrichtung weist eine quer zu den Kühlkanälen liegende Fluidleitung auf, wobei ein erstes Ende der Fluidleitung mit einer ersten Zylinderreihe und ein zweites Ende der Fluidleitung mit einer zweiten Zylinderreihe verbunden ist. Um eine getrennte Führung des Fluids durch die jeweiligen Kühlkanäle zu ermöglichen, weist die Abgasleitung eine Trennwand auf, die das zurückzuführende Fluid der jeweiligen Zylinderreihen zu den zugeordneten Kühlkanälen leitet. Jedoch werden bei dem beschriebenen Aufbau einer Wärmeübertragungsvorrichtung die jeweiligen Fluidströme nach erfolgter Kühlung wieder vereint, so dass die von der Brennkraftmaschine erzeugten Pulsationen der einzelnen Zylinderreihen im Fluidstrom nicht aufrechterhalten werden.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2005 058 204 B4 eine Kühlvorrichtung bekannt, welche einen doppelstöckigen Wärmetauscher beinhaltet, dessen beiden Stöcke nacheinander durchströmt werden, um die Baulänge bei gleicher Kühlwirkung zu verringern. Das Innengehäuse besteht aus einem mittleren Gehäuseteil, von dem aus sich in beide Richtungen Rippen erstrecken und welches im Innern einen Kühlmittelkanal aufweist. Die Herstellung eines solchen Kühlers ist sehr aufwendig, da eine Entformung zu mindestens drei Seiten des Innengehäuseteils erfolgen muss. Entsprechend aufwendig ist die Werkzeugherstellung. Ein Anschluss an unterschiedliche Zylinderreihen ist nicht vorgesehen.
  • Aufgabe der Erfindung demgegenüber ist es, eine Wärmeübertragungsvorrichtung sowie eine Anordnung zur Abgasrückführung mit einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung zu schaffen, die auf einfache Weise die Pulsationen eines Fluidstroms von verschiedenen Zylinderreihen möglichst bis zum nachfolgenden Ansaugtrakt, in dem gegebenenfalls ein Turbolader angeordnet ist, aufrecht erhält, so dass es möglich wird, eine größere Abgasmenge zurückzuführen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Anordnung zur Abgasrückführung gemäß Anspruch 5 gelöst.
  • Der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung ist senkrecht zur Höhenerstreckungsrichtung der Rippen mittels einer Platte in einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal geteilt, wobei die Platte mit zu den Rippen korrespondierenden Durchgangsöffnungen ausgebildet ist. Eine Trennung des einen Kanals in zwei Kanäle bewirkt, dass die Pulsationen im Fluidstrom, die in den jeweiligen Zylinderreihen und zu den unterschiedlichen Zeitpunkten von der Brennkraftmaschine erzeugt werden, aufrechterhalten werden, da aufgrund der separaten Führung der Abstand zwischen den in einem Kanal auftretenden Wellen erhöht wird, wodurch Interferenzen zweier aufeinanderfolgender Wellen verringert werden, so dass die Amplituden der einzelnen Wellen erhalten bleiben. Somit verlängern sich die Zeiträume eines erhöhten Druckes in der Abgasrückführleitung. Da der Kanal der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung mittels einer Platte mit zu den Rippen korrespondierenden Durchgangsöffnungen geteilt ist, wird eine kostengünstige Lösung einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit mindestens zwei separaten Kanälen, die die Pulsationen der Fluidströme aufrechterhält, geschaffen.
  • Erfindungsgemäß ist in der Anordnung zur Abgasrückführung stromabwärts des ersten und des zweiten Kanals jeweils ein Rückschlagventil angeordnet. Durch die Rückschlagventile wird ein Rückstoß des Abgasstroms in die Wärmeübertragungsvorrichtung vermieden, so dass die Spitzen der Pulsationswellen, die zu einer ausreichend großen Druckdifferenz zur Öffnung der Ventile führen, voll genutzt werden können, ohne dass ein gegenläufiger Effekt während der Zeiträume geringen Drucks auftritt.
  • Vorzugsweise weisen die vom Gehäuseteil in Erstreckungsrichtung ausgebildeten Rippen an ihrem zum Gehäuseteil abgewandten Ende eine Querschnittsfläche auf, die kleiner ist, als die dem Gehäuseteil zugewandte Querschnittsfläche. Somit kann die Platte auf einfache Art und Weise durch die konische Form der Rippen zwischen beiden Gehäuseteilen verspannt werden.
  • Vorzugsweise ändert sich die Querschnittsfläche der Rippen in Erstreckungsrichtung stetig. Alternativ kann sich die Querschnittsfläche der Rippen in Erstreckungsrichtung auch sprunghaft ändern. Dadurch kann die Platte mit den zu den Rippen korrespondierenden Durchgangsöffnungen effektiv und kostengünstig fixiert werden, wodurch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit mindestens zwei Fluidkanälen gebildet wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung sind der erste Kanal der Wärmeübertragungsvorrichtung an eine erste Zylinderreihe und der zweite Kanal der Wärmeübertragungsvorrichtung an eine zweite Zylinderreihe angeschlossen. Stromabwärts der Wärmeübertragungsvorrichtung sind die Rückschlagventile und gegebenenfalls ein Verdichter eines Turboladers angeordnet. Bei dieser Anordnung führen die von der Wärmeübertragungsvorrichtung aufrechterhaltenen Pulsationen zu einer verbesserten Befüllung des Verdichters eines Turboladers.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung in geschnittener Darstellung.
  • 2 zeigt eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung in geschnittener Darstellung.
  • Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 gemäß der 1 besteht aus einem im Wesentlichen schalenförmigen einstückig ausgebildeten Gehäusebodenteil 11 und einem dazu passenden Gehäusedeckelteil 15. Beide Gehäuseteile 11, 15 sind derart mit einander beispielsweise durch Rührreibschweißen verbunden, dass in ihrem Inneren ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Hauptkanal 16 gebildet wird. Der Hauptkanal 16 weist an einem ersten Ende einen Einlassbereich 32 und am zweiten Ende einen Auslassbereich 34 auf, wobei die Querschnittsfläche des Einlassbereichs 32 geringfügig größer ist als die Querschnittsfläche des Auslassbereichs 34. Alternativ kann die Vorrichtung U-förmig ausgebildet sein, so dass der Einlassbereich 32 und der Auslassbereich 34 nebeneinander angeordnet sind.
  • Jedes der Gehäuseteile 11, 15 weist sich im zusammengebauten Zustand abwechselnd vom Gehäusebodenteil 11 und vom Gehäusedeckelteil 15 ins Innere des Hauptkanals 16 erstreckende Rippen 20 auf, die in ihrer Erstreckungsrichtung eine stetige Änderung der Querschnittsfläche aufweisen. Die Gehäuseteile 11, 15 sind von einem Mantelgehäuse 36 umgeben, so dass zwischen den Gehäuseteilen 11, 15 und dem Mantelgehäuse 36 ein von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanal 18 gebildet wird, der sich über die gesamte Länge der Vorrichtung 10, d. h. vom Einlassbereich 32 bis zum Auslassbereich 34 der Vorrichtung 10, erstreckt. Beide Kanäle 16, 18 sind im Wärme austauschenden Kontakt zueinander angeordnet, wobei der Wärme austauschende Kontakt über die Rippen 20 und die Trennwände 38, 39 beider Gehäuseteile 11, 15 erfolgt.
  • Der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Hauptkanal 16 ist durch eine Platte 26 in einen ersten Kanal 22 und einen zweiten parallel hierzu angeordneten zweiten Kanal 24 geteilt, wobei die Platte 26 als Trennwand zwischen den beiden Kanälen 22, 24 dient. Die Platte 26 weist zu den Rippen 20 korrespondierende Durchgangsöffnungen 28 auf, so dass die Platte 26 auf einfache Art und Weise durch die konische Form der Rippen 20 verspannt werden kann. Das Verspannen wird dadurch erreicht, dass der Umfang der Durchgangsöffnungen 28 dem Umfang der Rippen 20 gleicht. Bei der Montage der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 wird die Platte 26 über die Rippen 20 des Gehäuseteils 11 gesteckt. Sobald der Umfang der Durchgangsöffnungen 28 dem Umfang der Rippen 20 entspricht, liegt die Platte 26 in einer definierten Stellung auf den Rippen 20 auf. Das Gehäuseteil 11 mit der Platte 26 wird anschließend mit dem zweiten Gehäuseteil 15 zusammen gesteckt. Der Querschnitt der Durchgangsöffnungen 28 sollte dabei in genau der Position dem Querschnitt der Rippen 20 des Gehäuseteils 15 entsprechen, in dem die Gehäuseteile 11, 15 sich in der Stellung befinden, in der sie miteinander verschweißt werden können. Hierdurch wird erreicht, dass eine Bewegung der Platte 26 entlang der Rippen 20 in einer Richtung durch die Rippen 20 des Gehäusebodenteils 11 und in der entgegengesetzten Richtung durch die Rippen 20 des Gehäusedeckelteils verhindert wird. Die Rippen 20 der Gehäuseteile 11, 15 können alternativ auch eine absatzförmige Änderung der Querschnittsfläche in ihrer Erstreckungsrichtung aufweisen, so dass die Platte 26 auf den Absätzen der Rippen 20 beider Gehäuseteile 11, 15 bei der Montage aufgesetzt und somit fixiert wird, wenn die Platte 26 zwischen beiden Gehäuseteilen 11, 15 angeordnet wird. Weitere dem Fachmann bekannte Methoden zur Fixierung der Platte 26, wie beispielsweise eine Fixierung mittels Schweißen, sind ebenfalls denkbar.
  • Die Vorrichtung 10 ist ein Teil einer Anordnung eines Abgasrückführungssystems. Das von der Brennkraftmaschine erzeugte zu kühlende Fluid wird aus den unterschiedlichen Zylinderreihen durch den Einlassbereich 32 in den jeweiligen Kanal 22, 24 geführt und gekühlt. Dabei werden die Pulsationen der jeweiligen Fluidströme in den Kanälen 22, 24 der Vorrichtung 10 aufrechterhalten, da die Fluidströme der einen Zylinderreihe getrennt von den Fluidströmen der anderen Zylinderreihe durch die Vorrichtung 10 geführt werden. Hierdurch sind die Abstände zwischen den Abgaspulsen in jedem der beiden Kanäle 22, 24 deutlich größer, wodurch ein Druckausgleich durch Interferenzen im Kanal weitestgehend verhindert wird. Dies führt zu einer Aufrechterhaltung der Pulsationsspitzen. Am Auslassbereich 34 des ersten und des zweiten Kanals 22, 24 sind Rückschlagventile angeordnet, die jeweils den Eingang des Fluidstroms zum Ansaugkanal, insbesondere zu einem Verdichter des Turboladers steuern und bei in korrekter Richtung anliegender Druckdifferenz öffnen. Durch Aufrechterhalten der Pulsationen wird diese Druckdifferenz häufiger erreicht, als bei einem sich einstellenden Mitteldruck, der bei einer Vermischung der Abgasströme entsteht.
  • Alternative Ausführungen wie beispielsweise eine Anordnung zu einer Hochdruckabgasrückführung sind ebenfalls denkbar. Des Weiteren sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel eines Druckgusskühlers beschränkt ist, sondern weitere Ausführungen der Wärmeübertragungsvorrichtung denkbar sind.

Claims (7)

  1. Wärmeübertragungsvorrichtung (10), bestehend aus mindestens zwei Gehäuseteilen (11, 15), wobei die Gehäuseteile (11, 15) derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal (16) und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmter Kanal (18) in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest einem der Gehäuseteile (11, 15) Rippen (20) in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (16) erstrecken, und wobei die Rippen (20) in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal (16) senkrecht zur Höhenerstreckungsrichtung der Rippen (20) mittels einer Platte (26) in einen ersten Kanal (22) und einen zweiten Kanal (24) geteilt ist, wobei die Platte (26) mit zu den Rippen (20) korrespondierenden Durchgangsöffnungen (28) ausgebildet ist.
  2. Wärmeübertragungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich vom Gehäuseteil (11, 15) erstreckenden Rippen (20) an ihrem zum Gehäuseteil (11, 15) abgewandten Ende eine Querschnittsfläche aufweisen, die kleiner ist, als die dem Gehäuseteil (11, 15) zugewandte Querschnittsfläche.
  3. Wärmeübertragungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Rippen (20) sich in Erstreckungsrichtung stetig ändert.
  4. Wärmeübertragungsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Rippen (20) sich in Erstreckungsrichtung absatzförmig ändert.
  5. Anordnung zur Abgasrückführung mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten und zweiten Kanals (22, 24) jeweils ein Rückschlagventil angeordnet ist.
  6. Anordnung zur Abgasrückführung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Rückschlagventile ein Verdichter eines Turboladers angeordnet ist.
  7. Anordnung zur Abgasrückführung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (22) der Wärmeübertragungsvorrichtung (10) an eine erste Zylinderreihe und der zweite Kanal (24) der Wärmeübertragungsvorrichtung (10) an eine zweite Zylinderreihe angeschlossen ist.
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