DE102010033125A1

DE102010033125A1 - Wärmetauschereinrichtung

Info

Publication number: DE102010033125A1
Application number: DE102010033125A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Vogt Heiko
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinrichtung (1) mit einem in einem Gehäuse (3) angeordneten Einströmbereich (3), einem Ausströmbereich (4) und einem Wärmetauscherbereich (5). Erfindungswesentlich ist dabei, dass im Einströmbereich (3) oder Ausströmbereich (4) ein Bypassventil (6) vorgesehen ist, das mit einem den Wärmetauscherbereich (5) umgehenden und in den Ausströmbereich (4) mündenden Bypasskanal (7) verbunden ist, wobei das Bypassventil (6) und der Bypasskanal (7) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind. Hierdurch kann insbesondere eine bauraumoptimierte Anordnung erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Einströmbereich, einem Ausströmbereich und einem Wärmetauscherbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer derartigen Wärmetauschereinrichtung ausgestattete Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2007 001 553 A1 ist eine gattungsgemäße Wärmetauschereinrichtung in der Art eines Ladeluftkühlers bekannt. Der Ladeluftkühler ist dabei schalt- und steuerbar und unterstützt ein Verfahren zur Reduzierung von Rußpartikeln einer Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2004 047 901 A1 ist ein Ladeluftkühler eines Kraftfahrzeuges bekannt, der aus einem Wärmeübertragungsblock mit von Ladeluft durchströmbaren Rohren und aus mit den Rohren verbundenen Luftkästen besteht, die einen Ladelufteinlass und einen Ladeluftauslass aufweisen. Ein Teil der Rohre ist dabei verschließbar ausgebildet, vorzugsweise mittels eines im Luftkasten angeordneten Absperrorgans, wodurch insbesondere eine Kaltstartphase des Kraftfahrzeugs verkürzt werden kann.
Schließlich ist aus der DE 10 2008 056 337 A1 eine Brennkraftmaschine mit einer Frischluftanlage bekannt, in der ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Der Ladeluftkühler besitzt einen diesen umgehenden Ladeluftkühlerbypass, wodurch ein verbesserter Betrieb der Brennkraftmaschine erreicht werden soll.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Wärmetauschereinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch konstruktive Vorteile und einen geringen Bauraumbedarf auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in eine an sich bekannte Wärmetauschereinrichtung mit einem in einem Gehäuse angeordneten Einströmbereich, einem Ausströmbereich und einem Wärmetauscherbereich zugleich ein Bypassventil und einen Bypasskanal in das Gehäuse zu integrieren. Im Ein- oder Ausströmbereich ist dabei das erfindungsgemäße Bypassventil vorgesehen, das mit dem den Wärmetauschbereich umgehenden und in den Ausströmbereich mündenden Bypasskanal verbunden ist, wobei das Bypassventil und der Bypasskanal vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet und dadurch bauraumoptimiert untergebracht sind. Wahlweise kann das Bypassventil auch im Ausströmbereich angeordnet sein. Zugleich können externe Leitungen wie beispielsweise externe Bypasskanäle, vermieden werden, wodurch eine aufwändige externe Leitungsführung verhindert werden kann. Durch die Integration des Bypassventils und des Bypasskanals in das Gehäuse der Wärmetauschereinrichtung sind einerseits keine externen Bauteile erforderlich und andererseits kann ein Montageaufwand reduziert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Wärmetauschereinrichtung als Ladeluftkühler oder als Ölkühler an einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Ist die Wärmetauschereinrichtung beispielsweise als Ölkühler ausgebildet, kann es bei kaltem Öl zu erheblichen Druckverlusten kommen. Um den Ölkühler dabei vor zu hohen Drücken zu schützen und gleichzeitig Strömungsverluste zu vermeiden, öffnet das erfindungsgemäße Bypassventil, wodurch das Öl über den Bypasskanal drucklos am eigentlichen Kühler, das heißt am eigentlichen Wärmetauscherbereich, vorbeiströmt. In ähnlicher Weise verhält es sich bei einer Ausbildung der Wärmetauschereinrichtung als Ladeluftkühler, wobei in diesem Fall die nicht zu kühlende Ladeluft drucklos über den Bypasskanal den Wärmetauscherbereich des Ladeluftkühlers umgeht. Beide Ausbildungsformen reduzieren dabei die Länge einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine und tragen somit zu einer Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Stickoxidemissionen bei.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist der Bypasskanal durch Wandabschnitte des Gehäuses gebildet. Das Gehäuse der Wärmetauschereinrichtung kann beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Blech, oder aber aus Kunststoff ausgebildet sein, wobei der Einströmbereich, der Ausströmbereich und der Bypasskanal Wandabschnitte des Gehäuses sind. Hierdurch lassen sich die einzelnen Bereiche und der Bypasskanal zusammen mit dem Gehäuse, vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsschritt, herstellen und darüber hinaus sind keine weiteren Bauteile, die beispielsweise zusätzlich aufwändig montiert werden müssten zur Ausgestaltung des Bypasskanals bzw. der einzelnen Bereiche erforderlich.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung mit einem geschlossenen Bypassventil,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit geöffnetem Bypassventil.
Entsprechend der 2, weist eine erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung 1 einen in einem Gehäuse 2 angeordneten Einströmbereich 3, einen Ausströmbereich 4 sowie einen Wärmetauscherbereich 5 auf. Im Einströmbereich 3 ist dabei ein Bypassventil 6 vorgesehen, das mit einem den Wärmetauscherbereich 5 umgehenden und in den Ausströmbereich 4 mündenden Bypasskanal 7 verbunden ist, wobei sowohl das Bypassventil 6 als auch der Bypasskanal 7 vollständig innerhalb des Gehäuses 2 und damit platzsparend und bauraumoptimiert angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung 1 kann beispielsweise als Ladeluftkühler oder als Ölkühler an einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Bei einer Ausbildung der Wärmetauschereinrichtung 1 als Ladeluftkühler kann diese beispielsweise auch für eine Mehrwegeabgasrückführung bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Hierdurch kann insbesondere eine Versottung der als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauschereinrichtung 1 aufgrund einer Unterkühlung eines Frischluft-Abgasgemisches unter den Taupunkt vermieden werden, da, wenn diese Gefahr besteht, das Bypassventil 5 angesteuert wird, so dass das Frischluft-Abgasgemisch nicht mehr durch den Ladeluftkühler strömt, sondern durch den Bypasskanal 7 am Ladeluftkühler, das heißt am Wärmetauscherbereich 5 des Ladeluftkühlers vorbeigeführt wird. Insbesondere bei geringen Abgastemperaturen und/oder einer geringen Aufladung des Frischluft-Abgasgemisches durch einen Verdichter eines Abgasturboladers ist eine Temperatur des Frischluft-Abgasgemisches relativ gering, so dass die Gefahr des Erreichens des Taupunktes besteht. Eine Minimaltemperatur, bei welcher das Bypassventil 6 öffnet, ist beispielsweise aus der Temperatur des Taupunktes sowie einer Kühlleistung des Ladeluftkühlers, das heißt der Wärmetauschereinrichtung 1, ermittelbar. Mittels eines vor dem Wärmetauscherbereich 5 angeordneten, in den Figuren jedoch nicht dargestellten, Temperatursensor kann eine Temperatur des Frischluft-Abgasgemisches überwacht werden, so dass bei Erreichen oder Unterschreiten der zulässigen Minimaltemperatur das Bypassventil 6 angesteuert und damit der Bypasskanal 7 geöffnet werden kann. Hierdurch kann insbesondere das Erreichen oder sogar Unterschreiten der Taupunkttemperatur zuverlässig vermieden werden, wodurch keine Kondensation und damit auch keine Versottung eintreten. Das Bypassventil 6 kann dabei selbstverständlich nicht nur zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung verstellt werden, sondern kann zur exakten Steuerung der Temperatur des Frischluft-Abgasgemisches auch beliebige Zwischenstellungen einnehmen. Die Stellung des Bypassventils 6 kann dabei vom Temperatursensor beeinflusst werden, wodurch stets eine optimale Temperatur des Frischluft-Abgasgemisches für eine optimale Verbrennung erreicht werden kann.
Betrachtet man die 1 und 2, so kann erkennen, dass im Wärmetauscherbereich 5 der Wärmetauschereinrichtung 1 kühlbare Lamellen 8, insbesondere Kühlluftlamellen, das heißt durch Luft gekühlte Lamellen, angeordnet sind. Zwischen den Lamellen 8 verlaufen dabei Fluidkanäle 9, beispielsweise Flüssigkeitskanäle, so dass eine vergleichsweise große Wärme austauschende Oberfläche erreicht werden kann. Die Fluidkanäle 9 verlaufen dabei im Wesentlichen parallel zueinander und zugleich parallel zum Bypasskanal 7, wobei selbstverständlich auch andere Ausbildungen, insbesondere eine Mäanderform, denkbar sind. Der Bypasskanal 7 gemäß den 1 und 2 umgeht dabei den Wärmetauscherbereich 5 U-förmig.
Wie eingangs erwähnt, kann das Bypassventil 6 temperaturgesteuert sein, beispielsweise mittels des nicht gezeigten Temperatursensors, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass das Bypassventil 6 druckgesteuert ist. Von besonderem Vorteil jedoch dürfte es sein, dass sämtliche Bereiche 3, 4 und 5 der Wärmetauschereinrichtung 1 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und zudem der Bypasskanal 7 durch Wandabschnitte des Gehäuses 2 gebildet ist. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass der Bypasskanal 7 extern der Wärmetauschereinrichtung 1 geführt und dadurch aufwändig separat montiert werden muss, womit zusätzliche Montagekosten verbunden wären. Zugleich lässt sich mit der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinrichtung 1 eine bauraumoptimierte Lösung erreichen, was bei einem stetig knapper werdenden Bauraumangebot innerhalb moderner Motorräume in Kraftfahrzeugen von ebenfalls wesentlichem Vorteil ist.
Die Bildung des Bypasskanals 7 durch Wandabschnitte des Gehäuses 1 kann beispielsweise derart erfolgen, dass das Gehäuse 2 aus Kunststoff, beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil, ausgebildet ist und sich aus zwei Halbschalen zusammensetzt, so dass nach dem Einbau des Bypassventils 6 und der kühlbaren Lamellen 8 durch ein einfaches Verbinden der beiden Halbschalen zugleich der Einströmbereich 3, der Ausströmbereich 4, der Wärmetauscherbereich 5 sowie der Bypasskanal 7 gebildet werden. Generell können dabei der Einströmbereich 3 und der Ausströmbereich 4 als Kühlerkasten und der Wärmetauscherbereich 5 als Kühlerblock ausgebildet sein. Wie den 1 und 2 weiter zu entnehmen ist, kann das Bypassventil 6 als einfaches federbeaufschlagtes Kugelventil ausgebildet sein, welches in diesem Fall lediglich druckabhängig gesteuert werden kann. Eine temperaturabhängige Steuerung kann selbstverständlich durch ein Bypassventil 6 anderer Bauart, beispielsweise ein elektrisch gesteuertes, erreicht werden. Dabei ist das Bypassventil 6 mit einer Fail-Save-Funktion ausgestattet, so dass das Bypassventil 6 in kritischen Situationen geschlossen bleibt, beispielsweise mittels einer Federkraft, und dadurch den Fluidstrom vollständig durch den Wärmetauscherbereich 5 leitet, so dass Überhitzungsschäden zuverlässig ausgeschlossen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007001553 A1 [0002]
DE 102004047901 A1 [0003]
DE 102008056337 A1 [0004]

Claims

Wärmetauschereinrichtung (1) mit einem in einem Gehäuse (3) angeordneten Einströmbereich (3), einem Ausströmbereich (4) und einem Wärmetauscherbereich (5), dadurch gekennzeichnet, dass im Einströmbereich (3) oder im Ausströmbereich (4) ein Bypassventil (6) vorgesehen ist, das mit einem den Wärmetauscherbereich (5) umgehenden und in den Ausströmbereich (4) mündenden Bypasskanal (7) verbunden ist, wobei das Bypassventil (6) und der Bypasskanal (7) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet sind.
Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (1) als Ladeluftkühler oder als Ölkühler an einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmetauscherbereich (5) kühlbare Lamellen (8), insbesondere Kühlluftlamellen, angeordnet sind.
Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lamellen (8) Fluidkanäle (9), insbesondere Flüssigkeitskanäle, verlaufen.
Wärmetauschereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (7) durch Wandabschnitte des Gehäuses (2) gebildet ist.
Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkanäle (9) und der Bypasskanal (7) im Wesentlichen parallel verlaufen.
Wärmetauschereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (7) den Wärmetauscherbereich (5) U-förmig umgeht.
Wärmetauschereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil (6) druck- und/oder temperaturgesteuert ist.
Wärmetauschereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassventil eine fail-safe-Einrichtung, beispielsweise eine Feder, besitzt, die das Bypassventil (6) schließt.
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmetauschereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.