DE102010043750B4

DE102010043750B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102010043750B4
Application number: DE102010043750.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Capelle; Oliver Fischer; Jürgen Nothbaum; Michael Gauss
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: DE102010043750A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen kühlmittelbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) sowie ein Bypassregelventil (3) mit einem Abgaseinlasskanal (9) und einem Abgasauslasskanal (10), wobei der Abgaseinlasskanal (9) und der Abgasauslasskanal (10) innerhalb des Bypassregelventils (3) integriert ausgebildet sind und das Bypassregelventil (3) derart mit dem Wärmeübertrager (2) verbunden ist, dass der Wärmeübertrager (2) und das Bypassregelventil (3) ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse – am das Bypassregelventil (3) umschließenden Gehäusebereich eine Abgaseinlassöffnung (4) und eine Abgasauslassöffnung (5) aufweist sowie – am den Wärmeübertrager (2) umschließenden Gehäusebereich einen Kühlmittelanschluss (13a, 14a) als Kühlmitteleintritt sowie einen Kühlmittelanschluss (13b, 14b) als Kühlmittelaustritt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassregelventil (3) mit einer Trennwand (6) zum Trennen des in den Wärmeübertrager (2) einzuleitenden Abgasstromes vom aus dem Wärmeübertrager (2) austretenden Abgasstrom und einem Trennelement (7) ausgebildet ist, wobei das Trennelement (7) als Trennklappe mit einer ovalen Außenkontur in Form einer Ellipse ausgebildet ist und die Ellipse an einer Seite in Richtung der Hauptachse eine senkrecht zur Hauptachse angeordnete gerade Außenkante aufweist, welche einen Hauptscheitel der Ellipse abtrennend ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung weist einen kühlmittelbeaufschlagten Wärmeübertrager mit einem Abgaseinlasskanal und einem Abgasauslasskanal sowie ein Bypassregelventil auf.
Im Stand der Technik sind Systeme der Abgasrückführung zur Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Abgasen von mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen, und zur Minderung des Verbrauchs von mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen bekannt. Den gattungsgemäßen Systemen der Abgasrückführung ist zu eigen, dass der zum Motor angesaugten Frischluft gekühltes oder ungekühltes Abgas zugemischt wird. Dabei wird zwischen der Abgasentnahme im Hochdruckbereich oder im Niederdruckbereich des Abgasstrangs, das heißt vor oder hinter dem Abgasturbolader, unterschieden.
Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen vor allem bei der Verbrennung von mageren Gemischen, das heißt im Teillastbereich, im Motor von Kraftfahrzeugen umweltschädliche Stickoxide. Um die Emission der Stickoxide zu verringern, bedarf es eines Absenkens der hohen Temperaturspitzen und einer Verminderung des Luftüberschusses bei der Verbrennung. Durch die geringere Sauerstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches werden die Geschwindigkeit des Vorgangs der Verbrennung und damit die maximalen Verbrennungstemperaturen verringert.
Beide Effekte sind durch die Zumischung eines Teilstromes des Abgases zum vom Motor angesaugten Frischluftstrom erreichbar. Die sogenannte Abgasrückführung bewirkt bei mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen neben der Verminderung des Sauerstoffanteils und der Temperaturspitzen bei der Verbrennung auch die Verminderung der Geräuschemission. Bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen mit einem System der Abgasrückführung werden zudem die Drosselverluste vermindert.
Durch das Beimischen der rückgeführten Abgase mit hohen Temperaturen wird jedoch der Kühleffekt und damit auch der Wirkungsgrad des Motors vermindert. Um diesem Nachteil zu begegnen wird das Abgas vor der Beimischung in einem Wärmeübertrager, dem sogenannten Abgasrückführungskühler, abgekühlt. Bei mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen bewirkt die zusätzliche Kühlung des Abgases eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der dem Motor zugeführten Luft.
Aus dem Stand der Technik sind einstufige Abgaskühler im Hochtemperatur-Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs bekannt. Zunehmend strengere Gesetzgebungen bezüglich der Abgasnormen und Verbrauchsanforderungen an Kraftfahrzeuge bedingen jedoch einen erhöhten Kühlbedarf bei Abgaskühlern, die mit einem einstufig ausgeführten Abgaskühler im Hochtemperaturkreislauf nicht mehr erfüllt werden können.
Aus der DE 203 18 321 U1 geht ein Wärmeübertrager zur zweistufigen Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine innerhalb einer Abgasrückführung hervor. Der Abgaswärmeübertrager ist als Element eines Kühlsystems ausgebildet, in das zudem ein Rückkühler und die Brennkraftmaschine eingebunden sind. Das Kühlsystem weist einen Hochtemperaturzweig mit einem Kühlmittel auf hohem Temperaturniveau und einen Niedertemperaturzweig mit einem im Vergleich zum Kühlmittel im Hochtemperaturzweig niedrigem Temperaturniveau auf. Innerhalb des Hochtemperaturzweigs ist dabei ein Hochtemperaturabgaswärmeübertrager und im Niedertemperaturzweig ein Niedertemperaturabgaswärmeübertrager angeordnet, die nacheinander von rückzukühlendem Abgas durchströmt werden. Die Abgaswärmeübertrager sind als Moduleinheiten miteinander koppelbar ausgebildet. Der Niedertemperaturabgaswärmeübertrager dient der zusätzlichen Abkühlung der Abgase, wobei Abgastemperaturen unterhalb des Temperaturniveaus des Hochtemperaturzweigs erreicht werden.
Auch in der US 2005/0034712 A1 wird ein mehrstufiger Wärmeübertrager zur Konditionierung der Ansaugluft des Motors eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Der Flüssigkeit-Gas-Wärmeübertrager weist eine Hochtemperaturstufe und eine Niedertemperaturstufe auf und wird entsprechend einerseits von einer Hochtemperaturflüssigkeit und einer Niedertemperaturflüssigkeit sowie andererseits von einem Abgasstrom beaufschlagt. Der abzukühlende Abgasstrom strömt dabei nacheinander durch die Hochtemperaturstufe und die Niedertemperaturstufe des Wärmeübertragers.
In der DE 10 2007 023 186 A1 wird ein integrierter Abgasrückführungskühler mit dualen Kühlmittelkreisläufen offenbart. Der Abgasrückführungskühler umfasst einen Strömungspfad für das Abgas mit einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass sowie zwei getrennte Strömungspfade für Kühlmittel. Dabei erstrecken sich ein erster Strömungspfad zwischen einem ersten Kühlmitteleinlass und einem ersten Kühlmittelauslass sowie ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel zwischen einem zweiten Kühlmitteleinlass und einem zweiten Kühlmittelauslass, um eine erste und eine zweite Kühlmittelströmung innerhalb des Abgasrückführungskühlers in Wärme übertragender Beziehung mit dem Strömungspfad des Abgases zu verbinden.
In der DE 10 2009 001 530 A1 wird ein in einem Abgasrezirkulationssystem angeordnetes Abgasumschaltventil, aufweisend ein Gehäuse mit einer Gaseinlassöffnung und einer Gasauslassöffnung sowie eine Trennwand, welche eine Kühlereinlassöffnung und eine Kühlerauslassöffnung abteilt und sich von einer Kühlerverbindungsfläche eines Verbindungsabschnitts zu einem Bereich einer im Gehäuse gelagerten Welle erstreckt, gezeigt. An der Welle ist ein Vierwege-Schmetterlingsventil mit einer ersten und einer zweiten Ventilplatte drehbar angeordnet. Das Abgasumschaltventil ist zwischen Kühlerbetrieb, in dem das Abgas durch einen Abgaskühler strömt, und Umgehungsbetrieb, in dem das Abgas den Abgaskühler umgeht, umschaltbar.
Aus der DE 10 2008 033 823 A1 geht eine Abgasrückführung für eine Verbrennungskraftmaschine hervor, welche ein Gehäuse mit einem Abgaseinlass, einem Abgasauslass, einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass, zwei Ventile und zwei U-förmige Wärmeübertragereinheiten aufweist. Zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass ist ein Bypasskanal mit Öffnungen zu den Wärmeübertragereinheiten vorgesehen. Jeder Wärmeübertragereinheit ist ein Ventil derart zugeordnet, dass die Öffnungen zu und von den Wärmeübertragereinheiten öffnet oder verschließt und das Abgas entweder die jeweilige Wärmeübertragereinheit oder ein Bypasskanalteilstück durchströmt.
In der EP 1 363 012 A1 wird ein Schaltventil, insbesondere für schaltbare Abgaswärmeübertrager, mit einem Ventilgehäuse offenbart. Das Ventilgehäuse ist mit einem Ventileinlass zum Schaltventil und einem Ventilauslass zum Durchleiten einer Fluidströmung durch das Schaltventil ausgebildet. Im Ventilgehäuse ist ein geführt gehaltenes Tellerventil als Ventilsteller mit einem Ventilschaft und einem Ventilteller vorgesehen. Die Flächennormale des Ventiltellers und die Erstreckungsrichtung des Ventilschaftes sind in einem Winkel zueinander angeordnet. Bei Rotation des Ventilschaftes führt der schräg angestellte Ventilteller das Abgas durch einen Wärmeübertrager hindurch oder durch einen Bypass am Wärmeübertrager vorbei.
In der EP 1 985 953 A1 wird in ein Wärmeübertrager, insbesondere zur Abgaskühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Der Wärmeübertrager weist einen ersten Teilwärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal zur Durchströmung mit einem zu kühlenden Medium und einen dritten Strömungskanal zur Durchströmung mit einem ersten Kühlmedium, einen zweiten Teilwärmeübertrager mit einem zweiten Strömungskanal zur Durchströmung mit dem zu kühlenden Medium und einen vierten Strömungskanal zur Durchströmung mit einem zweiten Kühlmedium auf. Der erste und der zweite Strömungskanal stehen in Strömungsverbindung und weisen eine erste spezifische Wärmeübertragungsfläche und eine zweite spezifische Wärmeübertragungsfläche auf.
Den im Stand der Technik bekannten Systemen ist zu eigen, dass die zusätzliche Abkühlung des Abgases innerhalb der zweiten Stufe, der Niedertemperaturstufe, zu sehr geringen Auslasstemperaturen des Abgases führt. Bei bestimmten Betriebszuständen mit sehr geringen Temperaturen kommt es folglich zur Auskondensation von Flüssigkeiten aus dem Abgas. Einige der auskondensierten Flüssigkeiten weisen dabei pH-Werte von etwa 1 auf. Diese stark sauren Flüssigkeiten greifen über einen längeren Zeitraum die Komponenten des Abgasrückführungskühlers sowie weitere Elemente des Abgassystems an, was zu Leckagen und/oder zum Total-Ausfall des Abgasrückführungskühlers beziehungsweise des Abgassystems führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Abgaskühlung in Kraftfahrzeugen mit einer Abgasrückführung bereitzustellen und weiterzuentwickeln. Mit der Vorrichtung ist eine Abgaskühlung auf ein Temperaturniveau sicherzustellen, auf welchem zusätzliche Methoden und Verfahren zur Stickoxidsenkung innerhalb des Abgases verzichtbar sind. Die Auslasstemperatur des Abgases nach der Abgaskühlung soll stufenlos derart regelbar sein, dass beispielsweise die Kondensation von Säuren aus dem Abgas vermieden wird. Damit soll eine lange Haltbarkeit der aus kostengünstigen Materialien zu fertigenden Komponenten ermöglicht werden. Die Vorrichtung soll zudem eine minimale Anzahl an Komponenten mit hohem thermischen Wirkungsgrad umfassen und platzsparend ausgebildet sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen kühlmittelbeaufschlagten Wärmeübertrager sowie ein Bypassregelventil mit einem Abgaseinlasskanal und einem Abgasauslasskanal, gelöst.
Der Abgaseinlasskanal und der Abgasauslasskanal sind innerhalb des Bypassregelventils integriert ausgebildet, das heißt die Gehäusewandungen des Bypassregelventils sind so angeordnet, dass der Abgaseinlasskanal und der Abgasauslasskanal mithilfe der Gehäusewandungen ausgestaltet sind.
Das Bypassregelventil ist zudem derart mit dem Wärmeübertrager verbunden, dass der Wärmeübertrager und das Bypassregelventil ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse umfasst am das Bypassregelventil umschließenden Bereich eine Abgaseinlassöffnung und eine Abgasauslassöffnung. Die Abgaseinlassöffnung und die Abgasauslassöffnung sind dabei vorteilhaft unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet.
Das Gehäuse weist außerdem am den Wärmeübertrager umschließenden Bereich Kühlmittelanschlüsse auf, wobei ein erster Kühlmittelanschluss als Kühlmitteleintritt sowie ein zweiter Kühlmittelanschluss als Kühlmittelaustritt ausgebildet ist.
Nach der Konzeption der Erfindung umfasst das Bypassregelventil eine Trennwand zum Trennen des in den Wärmeübertrager einzuleitenden Abgasstromes vom aus dem Wärmeübertrager austretenden Abgasstrom und ein Trennelement. Das Trennelement ist bevorzugt als ebene Trennklappe mit einer ovalen Außenkontur in Form einer Ellipse ausgebildet. Die Ellipse weist an einer Seite in Richtung der Hauptachse eine senkrecht zur Hauptachse angeordnete gerade Außenkante auf, welche einen Hauptscheitel der Ellipse abtrennend, ausgebildet ist.
Des Weiteren ist das Trennelement vorteilhaft schräg zur Strömungsrichtung des durch die Abgaseinlassöffnung in das Bypassregelventil eintretenden Abgasstromes ausgerichtet, sodass die Strömungsverluste beim Durchqueren des Abgasstromes durch das Bypassregelventil minimiert werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Bypassregelventil eine Welle und einen Stellmotor aufweist. Die Welle ist an einem ersten Ende mit dem Trennelement und an einem zweiten Ende mit dem Stellmotor verbunden. Mittels der Welle und dem als Gleichstrommotor oder Schrittmotor ausgebildeten Stellmotor ist das Trennelement besonders vorteilhaft zwischen zwei Endstellungen stufenlos drehbeweglich verstellbar.
Das Trennelement ist dabei in der ersten Endstellung einen direkten Strömungspfad zwischen der Abgaseinlassöffnung und der Abgasauslassöffnung freigebend und den Abgaseinlasskanal zum Wärmeübertrager verschließend angeordnet. In der zweiten Endstellung verschließt das Trennelement den direkten Strömungspfad zwischen der Abgaseinlassöffnung und der Abgasauslassöffnung. Gleichzeitig wird der Abgaseinlasskanal zum Wärmeübertrager freigegeben.
Das Bypassregelventil weist mit dem stufenlos drehbeweglich verstellbaren Trennelement vorteilhaft einen kontinuierlich proportionalen Antrieb auf, mit welchem der Querschnitt des direkten Strömungspfades zwischen der Abgaseinlassöffnung und der Abgasauslassöffnung sowie der Querschnitt des Abgaseinlasskanals zum Wärmeübertrager anteilig einstellbar ausgebildet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager als zweistufiger Wärmeübertrager ausgebildet und weist U-förmige Wärmeübertragerrohre auf, welche mit dem Boden des Wärmeübertragers bündig abschließend angeordnet sind. Die Wärmeübertragerrohre sind von Abgas durchströmbar und auf der Außenseite mit Kühlmittel beaufschlagbar ausgebildet.
Der Wärmeübertrager weist bevorzugt ein Begrenzungssegment auf, welches, vorteilhaft als Trennblech ausgestaltet, die Wärmeübertragerstufen des zweistufigen Wärmeübertragers auf der Kühlmittelseite derart voneinander trennt, dass zwei abgeschlossene, von Kühlmitteln mit unterschiedlichen Zustandsparametern durchströmbare Kammern ausgebildet sind.
Nach einer ersten Ausgestaltung weist das Begrenzungssegment einen aus zwei Zwischenwänden ausgebildeten Spalt auf. Die Zwischenwände sind fest mit der Gehäusewandung verbunden und parallel zueinander ausgerichtet angeordnet. Der Spalt erstreckt sich dabei über die gesamte Breite des Gehäuses. Die spaltbegrenzenden Zwischenwände sind aus dem gleichen Material, wie die Gehäusewandung ausgebildet. Die Gehäusewandung und das Begrenzungssegment sind vorteilhaft aus Aluminiumguss gefertigt.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist das Begrenzungssegment als mit luftgefüllten Durchbrüchen versehenes Profil ausgebildet. Die Durchbrüche weisen die Form von Bohrungen oder Löchern auf, welche in Längsrichtung des Begrenzungssegmentes ausgerichtet sind. Die Durchbrüche werden während der Montage durch das Anlegen an Gehäusewandungen an ihren Enden verschlossen und bilden damit in sich geschlossene Hohlräume. Das Begrenzungssegment ist vorteilhaft aus Kunststoff ausgebildet und über Dichtlippen, welche bevorzugt aus Silikon oder einem anderen flexiblen Material gefertigt sind, mit der Gehäusewandung verbunden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass der Wärmeübertrager und das Bypassregelventil über einen Flansch miteinander verbindbar ausgebildet sind, wobei der Flansch eine Schraubverbindung oder eine Klemmverbindung umfasst. Die Flanschverbindung weist zudem eine Dichtung auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer vorgenannten Vorrichtung umfasst die folgenden Schritte:

a) Einströmen des Abgases in Strömungsrichtung durch eine Abgaseinlassöffnung bis hin zu einem Trennelement,
b) Aufteilen des Abgasstromes beim Überströmen des Trennelementes in einen ersten Teilstrom durch einen Abgaseinlasskanal in einen Wärmeübertrager und einen zweiten Teilstrom zu einer Abgasauslassöffnung,
c) Einströmen von Kühlmittel mit geringerer Temperatur als das Abgas durch einen Kühlmittelanschluss und
d) Abkühlen des ersten Teilstromes des Abgases durch Wärmeübertragung vom Abgas an das Kühlmittel,
e) Ausströmen des abgekühlten Abgases des ersten Teilstromes aus einem Abgasauslasskanal,
f) Vermischen des ersten Teilstromes mit dem zweiten Teilstrom des Abgases innerhalb der Abgasauslassöffnung und
g) Ausströmen des Abgases durch die Abgasauslassöffnung.

Das Verfahren weist zudem folgende Zwischenschritte auf:

b1) Einströmen des ersten Teilstroms nach dem Aufteilen beim Überströmen des Trennelementes durch einen Abgaseinlasskanal in eine erste Wärmeübertragerstufe des Wärmeübertragers,
c1) Einströmen von Hochtemperaturkühlmittel mit geringerer Temperatur als das Abgas durch einen Kühlmittelanschluss und
d1) Abkühlen des ersten Teilstromes des Abgases durch Wärmeübertragung vom Abgas an das Hochtemperaturkühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe auf eine Zwischentemperatur,
d2) Leiten des auf Zwischentemperatur abgekühlten und aus einem Abgasauslasskanal ausströmenden ersten Teilstroms des Abgases in einen Abgaseinlasskanal einer zweiten Wärmeübertragungsstufe des Wärmeübertragers,
d3) Einströmen von Niedertemperaturkühlmittel mit geringerer Temperatur als das Abgas des abgekühlten ersten Teilstromes sowie geringerer Temperatur als das Hochtemperaturkühlmittel durch einen Kühlmittelanschluss und
d4) Abkühlen des ersten Teilstromes des Abgases durch Wärmeübertragung vom Abgas an das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe auf eine Endtemperatur.

Nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trennelement zwischen zwei Endstellungen, der „Bypassstellung” und der „Kühlstellung”, stufenlos bewegt. Dabei wird durch die Stellung des Trennelementes der Abgasstrom in den ersten und den zweiten Teilstrom jeweils entsprechend zwischen 0 und 100% aufgeteilt.
In „Bypassstellung” des Trennelementes wird das Abgas nach dem Einströmen in Strömungsrichtung durch die Abgaseinlassöffnung durch das Trennelement ohne Aufteilung vollständig zur Abgasauslassöffnung geleitet und strömt aus der Abgasauslassöffnung aus. Der Abgasstrom wird zu 100% im Bypass um den Wärmeübertrager geleitet, sodass der erste Teilstrom als Bypassstrom 100% des in das Bypassregelventil eingeströmten Abgasstromes umfasst.
In „Kühlstellung” des Trennelementes wird das Abgas nach dem Einströmen in Strömungsrichtung durch die Abgaseinlassöffnung durch das Trennelement ohne Aufteilung vollständig durch den Abgasseinlasskanal zum Wärmeübertrager geleitet. Der Abgasstrom strömt zu 100% durch die Wärmeübertragerrohre. Der Bypass ist geschlossen, sodass der erste Teilstrom als Bypassstrom 0% beträgt, während der zweite Teilstrom als Teilstrom durch den Wärmeübertrager 100% des in das Bypassregelventil eingeströmten Abgasstromes umfasst.
Mittels der Stellung des Trennelementes werden die Anteile der Teilströme des Abgases eingestellt.
Von Vorteil ist, wenn das durch den Wärmeübertrager geleitete Abgas und das Hochtemperaturkühlmittel in der ersten Wärmeübertragerstufe im Gleichstrom zueinander strömen, während das Abgas und das Niedertemperaturkühlmittel in der zweiten Wärmeübertragerstufe im Gegenstrom zueinander strömen.
Der hocheffiziente, bevorzugt mehrstufige Abgaskühler, ist mit einer hohen Kühlleistung bei stufenlos regelbarer Auslasstemperatur des Abgases betreibbar. Die erfindungsgemäße Lösung weist weitere diverse Vorteile auf:

– kleinere Dimensionierung von oder gar Verzicht auf alternative Stickoxid-Reduktionsmaßnahmen bei dieselkraftstoffbetriebenen Fahrzeugen beziehungsweise Verbrauchsminderungsmaßnahmen bei mit Benzin betriebenen Fahrzeugen, damit
– Verringerung der Anzahl an Komponenten und komplexer Ausbildung der Komponenten als bei alternativen Methoden,
– Verringerung des Fahrzeuggewichtes,
– Verlängerung Haltbarkeitszeit der Komponenten,
– Verwendung kostengünstiger Materialien, wie niedrig legierte Edelstähle,
– Verwendung hocheffizienter Dichtungssysteme und damit Minimierung der gasseitigen Leckage,
– hohe thermodynamische Flexibilität infolge eines kontinuierlichen proportionalen Ventilantriebes,
– maximaler thermischer Wirkungsgrad bei minimalem Bauraum durch Gewährleistung unterschiedlicher Kühlbedingungen, das heißt maximale Kühlleistung bei minimalem Platzbedarf, außerdem
– Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und
– Vergrößerung der Reduktion der Stickoxide im Abgas.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1a: Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Abgaskühlung mit einem Wärmeübertrager und einem Bypassregelventil in Bypassstellung,
1b: Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Abgaskühlung mit einem Wärmeübertrager und einem Bypassregelventil in Kühlstellung,
2a: Wärmeübertrager zur Abgaskühlung in perspektivischer Ansicht,
2b: Wärmeübertrager mit zweistufiger Abgaskühlung in Schnittdarstellung,
2c: Wärmeübertrager mit einstufiger Abgaskühlung in Schnittdarstellung,
3: Wärmeübertrager mit Leiteinrichtung,
4: U-Rohr-Wärmeübertrager mit vertikaler Trennung der Kühlmittelzonen,
5: U-Rohr-Wärmeübertrager mit horizontaler Trennung der Kühlmittelzonen,
6: Gehäuse des Wärmeübertragers mit Begrenzungssegment mit Luftspalt in Schnittdarstellung,
7: Gehäuse des Wärmeübertragers mit Begrenzungssegment mit Profil in Schnittdarstellung,
8: Gehäuse des Wärmeübertragers mit Begrenzungssegment und angepassten Querschnittsflächen der Wärmeübertragerstufen in Schnittdarstellung,
9: U-Rohr-Wärmeübertrager in Modulbauweise mit horizontaler Anordnung und
10: U-Rohr-Wärmeübertrager in Modulbauweise mit vertikaler Anordnung.
In den 1a und 1b wird die Vorrichtung 1 zur Abgaskühlung, umfassend einen Wärmeübertrager 2 und ein Bypassregelventil 3, im Schnitt dargestellt. In 1a wird dabei das Bypassregelventil 3 in „Bypassstellung” und in 1b in „Kühlstellung” gezeigt.
Das Bypassregelventil 3 ist über einen Flansch 17 mit dem Wärmeübertrager 2 fest verbunden, wobei die Flanschverbindung beispielsweise als Schraubverbindung oder Klemmverbindung ausgebildet ist. Damit wird die Vorrichtung 1 von einem Öffnungen aufweisenden Gehäuse umschlossen und ist vollständig gekapselt. Als Gehäuse wird vorteilhaft ein kompaktes Aluminium-Gussgehäuse eingesetzt.
Das Bypassregelventil 3 weist innerhalb des Gehäuses mit der Abgaseinlassöffnung 4, der Abgasauslassöffnung 5 sowie den Öffnungen des Abgaseinlasskanals 9 und des Abgasauslasskanals 10 vier Durchlässe zum Aufnehmen und Auslassen des Abgasstromes auf. Die Öffnungen als Ende des Abgaseinlasskanals 9 und des Abgasauslasskanals 10 korrespondieren mit den Enden und damit den Öffnungen der U-förmigen Wärmeübertragerrohre 18, welche mit dem Boden des Wärmeübertragers 2 bevorzugt bündig abschließen.
Das Bypassregelventil 3 weist eine Trennwand 6 auf, welche den Abgasstrom vor der Abkühlung und damit vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager 2 vom abgekühlten Abgasstrom am Austritt des Wärmeübertragers 2 trennt. Das Abgas strömt durch die Abgaseinlassöffnung 4 in Strömungsrichtung 11 in das Bypassregelventil 3 ein und wird zu einem Trennelement 7 geleitet. Je nach Stellung des Trennelementes 7 strömt das Abgas zur Abkühlung durch den Wärmeübertrager 2 oder direkt zur Abgasauslassöffnung 5. Das Trennelement 7 weist die Form einer Klappe auf und wird folglich auch als Trennklappe 7 bezeichnet.
Wie in 1a gezeigt, verschließt die Trennklappe 7 in „Bypassstellung” den Abgaseinlasskanal 9 des Wärmeübertragers 2, sodass das Abgas unbehandelt zur Abgasauslassöffnung 5 aus dem Bypassregelventil 3 heraus geleitet wird. Das Abgas strömt dabei auf kürzestem Weg durch das Bypassregelventil 3 beziehungsweise die Vorrichtung 1 hindurch. Die Abgaseinlassöffnung 4 und die Abgasauslassöffnung 5 sind unmittelbar benachbart nebeneinander angeordnet, wobei die Öffnungen 4, 5 im rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind. Die Mittellinien der kreisrunden Öffnungen 4, 5 spannen eine Ebene auf. Die Trennklappe 7 ist in Strömungsrichtung 11 des Abgases derart schräg angeordnet, dass das Abgas mit minimalen Strömungsverlusten das Bypassregelventil 3 durchquert.
In „Kühlstellung”, nach 1b, wird das Abgas durch den Wärmeübertrager 2 beziehungsweise die Wärmeübertragerrohre 18 geleitet. Beim Durchströmen der Wärmeübertragerrohre 18 gibt das Abgas Wärme an das Kühlmittel ab und strömt anschließend mit geringerer Temperatur als im Abgaseinlasskanal 9 durch den Abgasauslasskanal 10 aus dem Wärmeübertrager 2 in das Bypassregelventil 3 aus. Dabei wird das Abgas nach dem Eintritt in das Bypassregelventil 3 mittels des schräg angeordneten Trennelementes 7 um 90° umgelenkt, in den Wärmeübertrager 2 geleitet und strömt nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 2 im Wesentlichen geradlinig, und damit mit geringen Druckverlusten, durch die Abgasauslassöffnung 5 des Bypassregelventils 3 aus.
Die Verbindung des Bypassregelventils 3 mit dem Wärmeübertrager 2 mittels des Flansches 17 und nach Bedarf einer zusätzlichen Dichtung ermöglicht eine dichte Montage der Vorrichtung 1 bereits vor dem Einbau in das Fahrzeug. Die äußeren Stirnflächen der Flanschverbindung dichten den Abgasstrom gegenüber der Umgebung und die Stirnfläche der Trennwand 6 in Kontakt mit dem Boden des Wärmeübertragers 2 den Abgasstrom vor und nach der Abkühlung gegeneinander ab.
Die Trennklappe 7 weist eine ovale Außenkontur in Form einer Ellipse auf, die an der zur Trennwand 6 hin ausgerichteten Seite gerade ausgebildet ist, das heißt die elliptische Außenkontur weist an einer Seite in Richtung der Hauptachse der Ellipse eine senkrecht zur Hauptachse angeordnete gerade Außenkante auf. Die gerade Außenkante trennt einen Hauptscheitel der Ellipse ab. Aufgrund der elliptischen Außenkontur mit geradem Abschnitt sind der kreisrunde Querschnitt des Abgaseinlasses und der Abschnitt zur Trennwand 6 mittels der schräg zur Strömungsrichtung angeordneten Trennklappe 7 verschließbar.
Das Trennelement 7 ist über eine Welle 8 mit einem Stellmotor verbunden. Der bevorzugt als Gleichstrommotor ausgebildete Stellmotor treibt damit das über die mit der Welle 8 starr verbundene Trennelement 7 in Drehrichtung 19 an. Mit Hilfe des Antriebes ist das Trennelement 7 zwischen den zwei Endstellungen „Bypassstellung” und „Kühlstellung” stufenlos bewegbar. Beim Öffnen und Schließen des Trennelementes 7 wird die Welle 8 stets in Drehrichtung 19 bewegt. Alternativ ist die Welle 8, je nach Vorgang des Öffnens oder Schließens, auch entgegengesetzt der Drehrichtung 19 jeweils um 180° verstellbar.
Der Stellmotor ermöglicht mit der stufenlosen Bewegung des Trennelementes 7 einen kontinuierlich proportionalen Ventilantrieb. Mit der Vorrichtung 1 zur Abgaskühlung wird damit eine unbegrenzte thermodynamische Flexibilität erreicht, da das Abgas je nach Regelstrategie der Vorrichtung 1 auf eine gewünschte Temperatur einstellbar ist. Dabei wird entweder der gesamte Abgasstrom bei Anordnung der Trennklappe 7 in „Bypassstellung” um den Wärmeübertrager 2 herum oder bei Anordnung der Trennklappe 7 in „Kühlstellung” durch den Wärmeübertrager 2 hindurch geleitet. Zudem ist die Trennklappe 7 aber ebenso derart verstellbar, dass der Abgasstrom in zwei unterschiedliche Teilströme aufteilbar ist. Die stufenlose Verstellung der Trennklappe 7 ermöglicht dabei eine Aufteilung des Abgasstromes in jedem beliebigen Verhältnis der Teilströme.
Der Wärmeübertrager 2 ist als U-Rohr-Wärmeübertrager ausgebildet. Das abzukühlende Abgas strömt durch die Wärmeübertragerrohre 18 während das die Wärme aufnehmende Kühlmittel im Zwischenraum um die Wärmeübertragerrohre 18 sowie im Zwischenraum zwischen den Wärmeübertragerrohren 18 und der Gehäusewand strömt. Das Kühlmittel wird dem Wärmeübertrager 2 über den Kühlmittelanschluss 12 zugeführt.
In den 2a, 2b, 2c ist der Wärmeübertrager 2 zur Abgaskühlung dargestellt. 2a enthält eine perspektivische Ansicht. Die 2b und 2c zeigen den Wärmeübertrager 2 in Schnittdarstellung: 2b mit zweistufiger Abgaskühlung, wobei das Abgas beide Wärmeübertragungsstufen beaufschlagt und 2c mit einstufiger Abgaskühlung, wobei das Abgas lediglich eine Wärmeübertragungsstufe beaufschlagt. Der Kopf des Wärmeübertragers 2 ist im Gegensatz zur Darstellung der 1a, 1b, 1c ohne ein stufenlos einstellbares Bypassregelventil 3 ausgebildet. Das Abgas wird durch die Abgaseinlassöffnung 4 in die Vorrichtung 1 eingeleitet, durchquert den Wärmeübertrager 2 beziehungsweise die Wärmeübertragerrohre 18 und verlässt die Vorrichtung 1 durch die Abgasauslassöffnung 5. Das Abgas wird jeweils durch den Boden des Wärmeübertragers 2, das heißt die Stirnseite, geführt. Das Kühlmittel wird über Kühlmittelanschlüsse 12 seitlich in das Gehäuse der Vorrichtung 1 eingeleitet.
In 2b ist der Abgasstrom beim Durchqueren von zwei Wärmeübertragungsstufen dargestellt. Das Abgas wird nach dem Eintritt in die Vorrichtung 1 durch die Abgaseinlassöffnung 4 über den Abgaseinlasskanal 9a in die Wärmeübertragerrohre 18 der ersten Wärmeübertragungsstufe geleitet und in Wärmeübertragung mit dem Kühlmittel der ersten Stufe auf eine Zwischentemperatur abgekühlt. Nach dem Austritt aus dem Abgasauslasskanal 10a der ersten Wärmeübertragungsstufe wird das zwischengekühlte Abgas über Umlenkelemente und den Abgaseinlasskanal 9b in die Wärmeübertragerrohre 18 der zweiten Wärmeübertragungsstufe geführt. Nach dem Austritt aus dem Abgasauslasskanal 10b der zweiten Wärmeübertragungsstufe wird das auf die erforderliche Temperatur abgekühlte Abgas durch die Abgasauslassöffnung 5 aus der Vorrichtung 1 herausgeführt. Auf der Kühlmittelseite sind die zwei Wärmeübertragungsstufen durch ein Begrenzungssegment 20 in Form eines Trennbleches voneinander getrennt. Nach 2b trennt das horizontal ausgerichtete Begrenzungssegment 20 das Kühlmittel der Hochtemperaturstufe im unteren Bereich des Wärmeübertragers 2 vom Kühlmittel der Niedertemperaturstufe im oberen Bereich ab. Das Begrenzungsegment 20 ist dabei dicht mit dem Gehäuse des Wärmeübertragers 2 und dem Boden verbunden, sodass zwei abgeschlossene, von Kühlmittel durchströmbare Kammern ausgebildet sind. Innerhalb der ersten Wärmeübertragungsstufe weist das Kühlmittel somit eine höhere Temperatur als das Kühlmittel in der zweiten Wärmeübertragungsstufe auf. Mit Hilfe der unterschiedlichen Kühlmittel auf verschiedenen Temperaturniveaus innerhalb der vom Abgas nacheinander durchströmten Wärmeübertragerstufen wird ein Wärmeübertragungsvorgang mit geringerer Fläche und damit einem platzsparender konstruierten Wärmeübertrager 2 als mit lediglich einer Wärmeübertragerstufe erreicht. Zudem treten innerhalb des Wärmeübertragers 2 aufgrund der geringeren Temperaturdifferenzen zwischen dem Abgasstrom und dem jeweiligen Kühlmittelmassenstrom geringere Temperaturdifferenzen auf, was wiederum die thermischen Spannungen innerhalb der Wandungen minimiert und damit eine einfache und kostengünstige Konstruktion ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der auf der Kühlmittelseite geteilten Wärmeübertragerstufen sind die Art der Beaufschlagung beziehungsweise die Strömungsrichtungen der Stoffströme zueinander. Je nach Bedarf ist es vorteilhaft, den Abgasstrom und den Kühlmittelmassenstrom innerhalb der ersten Wärmeübertragerstufe, der sogenannten Hochtemperaturstufe, im Gleichstrom zu beaufschlagen, um die thermischen Spannungen zu minimieren, während die Stoffströme in der zweiten Wärmeübertragerstufe, der sogenannten Niedertemperaturstufe, in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Das entgegengesetzte Durchströmen bewirkt einen thermodynamisch verbesserten Wärmeübergang und damit eine weitere Verringerung der Fläche zur Wärmeübertragung und eine platzsparendere Konstruktion.
Nach 2c strömt der Abgasstrom lediglich durch eine der Wärmeübertragungsstufen. Das Abgas wird, wie in 2b gezeigt, nach dem Eintritt durch die Abgaseinlassöffnung 4 über den Abgaseinlasskanal 9a in die Wärmeübertragerrohre 18 der ersten Wärmeübertragungsstufe geleitet und in Wärmeübertragung mit dem Kühlmittel abgekühlt. Nach dem Austritt aus dem Abgasauslasskanal 10a wird das abgekühlte Abgas über Umlenkelemente zur Abgasauslassöffnung 5 geleitet und aus der Vorrichtung 1 herausgeführt. Je nach Bedarf und erforderlicher Temperatur ist somit das Abgas auch innerhalb einer Wärmeübertragungsstufe konditionierbar.
Mit einer nicht dargestellten alternativen Anordnung beziehungsweise Stellung von zwei als Klappen ausgebildeten Umlenkelementen, ist der Abgasstrom und damit die abzuführende thermische Leistung auf die Hochtemperaturstufe beziehungsweise die Niedertemperaturstufe aufteilbar. Dabei wird über die Hochtemperaturstufe mehr Wärme abgeführt, als über die Niedertemperaturstufe.
3 zeigt den Wärmeübertrager 2 mit einer abgewinkelten Leiteinrichtung 20 für das Kühlmittel. Die Leiteinrichtung 20, die auch als Begrenzungssegment 20 bezeichnet wird, stellt dabei die Trennung der Wärmeübertragungsstufen auf der Kühlmittelseite dar.
Im Vergleich zur Ausgestaltung nach den 2a, 2b, 2c durchquert das Abgas die Wärmeübertragerrohre 18 ohne zusätzliche Umlenkung im Bereich der Stirnseite beziehungsweise im Bereich des Bodens des Wärmeübertragers 2. Die Leiteinrichtung 20 ist derart angeordnet, dass der Kühlmittelbereich in zwei unterschiedlich große Volumen eingeteilt ist. Dabei strömt das Abgas in Strömungsrichtung 11 durch den Flansch 17 und den Abgaseinlasskanal 9 in die U-förmigen Wärmeübertragerrohre 18 des Wärmeübertragers 2 ein.
Die erste Wärmeübertragerstufe erstreckt sich in Strömungsrichtung 11 des Abgases bis nach dem Durchströmen der durch die U-Form vorgegebenen Umlenkung und stellt das größere Volumen der beiden Wärmeübertragerstufen dar. Das Kühlmittel der ersten Stufe wird im oberen Bereich des Wärmeübertragers 2 über den Kühlmitteleintritt 13a in den Wärmeübertrager 2 eingeleitet, strömt über die Oberflächen der Wärmeübertragerrohre 18, nimmt dabei Wärme vom Abgas mit höherer Temperatur auf und strömt im Bereich der U-Form der Wärmeübertragerrohre 18 durch einen Kühlmittelaustritt 13b aus dem Wärmeübertrager 2 in Strömungsrichtung 15 aus. Demzufolge wird die erste Wärmeübertragerstufe im Wesentlichen im Gleichstrom betrieben. Das Abgas und das Kühlmittel strömen in gleicher Richtung durch den Wärmeübertrager 2.
Die zweite Wärmeübertragerstufe nimmt im Gegensatz zur ersten auf der Kühlmittelseite nur ein geringes Volumen ein. Das Kühlmittel der zweiten Stufe mit geringerer Temperatur als das Kühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe wird im unteren Bereich des Wärmeübertragers 2 über den Kühlmitteleintritt 14a in den Wärmeübertrager 2 eingeleitet, strömt über die Oberflächen der Wärmeübertragerrohre 18, nimmt dabei ebenfalls Wärme vom Abgas auf und strömt durch einen Kühlmittelaustritt 14b aus dem Wärmeübertrager 2 in Strömungsrichtung 16 aus. Die zweite Wärmeübertragerstufe wird im Gegenstrom betrieben. Das Abgas und das Kühlmittel strömen in entgegengesetzter Richtung durch den Wärmeübertrager 2.
Das Hochtemperaturkühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe und das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe werden durch die L-förmige Leiteinrichtung 20 voneinander separiert. Die Leiteinrichtung 20 ist mit den Wärmeübertragerrohren 18, welche durch die Leiteinrichtung 20 hindurchstoßen, vorteilhaft verlötet. Die ansonsten zur Vergrößerung der Oberfläche mit spiralisierten Rippen versehenen Wärmeübertragerrohre 18 weisen im Bereich des Durchstoßes durch die Leiteinrichtung 20 unspiralisierte und damit glatte Oberflächen auf.
Die Leiteinrichtung 20, welche beispielsweise aus Edelstahl oder Gummi beziehungsweise Silikon ausgebildet ist, ist bevorzugt mittels einer flexiblen Dichtung, wie zum Beispiel Gummilippen, gegenüber der Gehäusewandung und dem Flansch 17 des Wärmeübertragers 2 abgedichtet.
4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des U-Rohr-Wärmeübertragers 2 mit vertikaler Trennung der Kühlmittelzonen. Im Gegensatz zur Ausgestaltung nach 3 ist die Leiteinrichtung 20 nicht abgewinkelt und trennt die Kühlmittelseite des Wärmeübertragers 2 vertikal in zwei gleich große Volumina. Die Leiteinrichtung 20 teilt den von der Gehäusewandung umschlossenen Innenraum gleichmäßig und trennt die Kühlmittelzonen von der Stirnseite bis zum Scheitelpunkt der U-förmigen Umlenkung. Alternativ ist das Volumen auch in zwei unterschiedliche Volumina aufteilbar.
Das Abgas strömt dabei in gleicher Weise durch den Abgaseinlasskanal 9 in den Wärmeübertrager 2 ein, anschließend ebenfalls durch die nicht dargestellten Wärmeübertragerrohre 18 in einer geradlinigen Bewegung durch den Wärmeübertrager 2 hindurch bis zur die U-Form definierenden Umlenkung und ebenso geradlinig, wie innerhalb der ersten Wärmeübertragerstufe, zum Abgasauslasskanal 10 hin und aus dem Wärmeübertrager 2 wieder aus.
Das Hochtemperaturkühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe wird derart über den Kühlmitteleintritt 13a im Bereich der Stirnseite eingeleitet, dass das Abgas und das Kühlmittel im Gleichstrom strömen. Im Bereich der Umlenkung wird das Kühlmittel in Strömungsrichtung 15 durch den Kühlmittelaustritt 13b aus dem Wärmeübertrager 2 herausgeführt.
Ebenso wird das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe über den Kühlmitteleintritt 14a im Bereich der Stirnseite eingeleitet und strömt anschließend in Richtung der Umlenkung. Da das Abgas jedoch im Bereich der Umlenkung eine Änderung der Strömungsrichtung 11 bezüglich der Ausrichtung des Wärmeübertragers 2 erfährt, strömt das abzukühlende Abgas im Gegenstrom bis hin zur Stirnseite. Das die Wärme vom Abgas aufgenommene Niedertemperaturkühlmittel wird ebenfalls im Bereich der Umlenkung durch den Kühlmittelaustritt 14b aus dem Wärmeübertrager 2 entnommen.
In 5 wird eine alternative Ausgestaltung des U-Rohr-Wärmeübertragers 2 mit horizontaler Trennung der Kühlmittelzonen dargestellt. Die Leiteinrichtung 20 trennt die Kühlmittelseite des Wärmeübertragers 2 horizontal in zwei gleich große Volumina. Die Leiteinrichtung 20 teilt dabei den von der Gehäusewandung umschlossenen Innenraum von der Stirnseite bis zum Scheitelpunkt der U-förmigen Umlenkung. Alternativ ist das Volumen auch in zwei verschieden große Volumina aufteilbar.
Das Abgas strömt wiederum durch den Abgaseinlasskanal 9 in den Wärmeübertrager 2 ein, anschließend durch die nicht dargestellten Wärmeübertragerrohre 18 in einer geradlinigen Bewegung durch den Wärmeübertrager 2 hindurch bis zur die U-Form definierenden Umlenkung und ebenso geradlinig zum Abgasauslasskanal 10 zurück und aus dem Wärmeübertrager 2 wieder aus.
Das Hochtemperaturkühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe wird über den Kühlmitteleintritt 13a auf der Oberseite des Wärmeübertragers 2 im Bereich der Stirnseite in Strömungsrichtung 15 eingeleitet und strömt je nach Strömungsrichtung 11 des Abgases einerseits im Gleichstrom und anderseits im Gegenstrom zum Abgas durch den Wärmeübertrager 2 hindurch. Im Bereich der Umlenkung wird das Hochtemperaturkühlmittel durch den Kühlmittelaustritt 13b auf der Oberseite aus dem Wärmeübertrager 2 abgeleitet.
In ähnlicher Weise wird das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe über den Kühlmitteleintritt 14a auf der Unterseite des Wärmeübertragers 2 im Bereich der Stirnseite zugeführt und strömt in Strömungsrichtung 16 zum Bereich der Umlenkung. Dabei strömt das Kühlmittel, ebenso wie das Kühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe, je nach Strömungsrichtung 11 des Abgases einerseits im Gleichstrom und anderseits im Gegenstrom zum Abgas durch den Wärmeübertrager 2 hindurch. Im Bereich der Umlenkung wird das Hochtemperaturkühlmittel durch den Kühlmittelaustritt 14b auf der Unterseite aus dem Wärmeübertrager 2 abgeführt.
Der Abgasstrom wird bei der Ausgestaltung nach 5 in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom des Abgases in der ersten Wärmeübertragerstufe vom Hochtemperaturkühlmittel abgekühlt wird, während in der zweiten Wärmeübertragerstufe Wärme vom zweiten Teilstrom des Abgases an das Niedertemperaturkühlmittel übertragen wird. Nach einer alternativen Ausgestaltung werden beide Wärmeübertragerstufen von Kühlmittel mit gleicher Temperatur durchströmt.
Damit wird eine Regelung der Abgastemperatur auch für Vorrichtungen mit lediglich einer Temperaturstufe des Kühlmittels möglich, das heißt die Vorrichtung zur Abgaskühlung ist für einen Kühlmittelkreislauf mit einem Temperaturniveau ausgelegt. Dabei ist keine Aufteilung in Hochtemperaturkühlmittel und Niedertemperaturkühlmittel vorgesehen.
Die 6 und 7 zeigen alternative Ausgestaltungen des Gehäuses des Wärmeübertragers 2 bezüglich des Begrenzungssegmentes 20 zur Trennung der Wärmeübertragerstufen auf der Kühlmittelseite in Schnittdarstellung. In 6 weist das Begrenzungssegment 20 zur optimierten Wärmeisolation zwischen den Kühlmittelmasseströmen der beiden Wärmeübertragerstufen einen Spalt 21 auf. Der bevorzugt mit Luft befüllte Spalt 21 wird dabei beiderseits von einer Zwischenwand begrenzt. Die Zwischenwände sind jeweils fest mit der Gehäusewandung verbunden und parallel zueinander ausgerichtet. Damit erstreckt sich der Luftspalt 21 über die gesamte Breite des Gehäuses. Das Begrenzungssegment 20 ist bevorzugt aus dem gleichen Material wie die Gehäusewandung ausgebildet.
Nach 7 ist das Begrenzungssegment 20 als Profil ausgestaltet. Das Profil ist zum einen bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet und weist damit, im Vergleich zum Begrenzungsegment 20 aus Aluminium nach 6, eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf. Zum anderen ist auch das Profil mit luftgefüllten Durchbrüchen versehen, die die Wärmeisolation zwischen den Wärmeträgerstufen beziehungsweise unterschiedlich temperierten Kühlmittelmasseströmen weiter verbessern. Das Kunststoffprofil ist über Dichtlippen 22 mit der Gehäusewandung verbunden, sodass sich die Kühlmittelmasseströme der beiden Wärmeübertragerstufen nicht vermischen. Die Dichtlippen 22 sind dabei vorteilhaft aus Silikon ausgebildet.
8 zeigt das Gehäuse des Wärmeübertragers 2 mit einem Begrenzungssegment 20 und angepassten Querschnittsflächen der Wärmeübertragerstufen in Schnittdarstellung. Das Abgas und das Kühlmittel weisen im Bereich der ersten Wärmeübertragerstufe eine höhere Temperatur und damit auch jeweils eine geringere Dichte auf, als in der zweiten Wärmeübertragerstufe. Um den Platz innerhalb des Wärmeübertragers 2 optimal zu nutzen, werden die Strömungsquerschnitte an die Dichten der Masseströme angepasst, sodass die erste Wärmeübertragerstufe bei geringeren Dichten der Masseströme einen größeren Strömungsquerschnitt aufweist als die zweite Wärmeübertragerstufe bei höheren Dichten der Masseströme.
Die Querschnitte stehen dabei bevorzugt in einem Verhältnis von 7/3. Der Querschnitt der ersten Wärmeübertragerstufe beträgt somit 70% von der gesamten Querschnittsfläche des Wärmeübertragers 2 während der Querschnitt der zweiten Wärmeübertragerstufe 30% aufweist.
Die 9 und 10 zeigen mit der Modulbauweise eine Weiterbildung des U-Rohr-Wärmeübertragers 2, wobei die Module nach 6 horizontal und nach 7 vertikal zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Im Unterschied zu den in den 3, 4, 5 dargestellten Ausgestaltungen sind die Module des Wärmeübertragers 2 ohne zusätzliche Leiteinrichtungen 20 ausgebildet und werden jeweils von einem Kühlmittelmassenstrom beaufschlagt. Dabei wird jedes Modul als einzelne Wärmeübertragerstufe betrieben und weist mit einem Kühlmitteleintritt 13a, 14a und einem Kühlmittelaustritt 13b, 14b jeweils zwei Kühlmittelanschlüsse auf.
Das Abgas strömt durch den Abgaseinlasskanal 9a in das als erste Wärmeübertragerstufe betriebene Modul ein, durch die nicht dargestellten Wärmeübertragerrohre 18 in einer geradlinigen Bewegung durch das Modul hindurch, wird innerhalb der U-förmig ausgebildeten Umlenkung umgelenkt und strömt geradlinig zum Abgasauslasskanal 10a zurück. Dabei wird das Hochtemperaturkühlmittel über den Kühlmitteleintritt 13a im Bereich der Stirnseite in Strömungsrichtung 15 eingeleitet und strömt je nach Strömungsrichtung 11 des Abgases im Gleichstrom beziehungsweise im Gegenstrom zum Abgas durch das Modul hindurch, bevor es im Bereich der Umlenkung durch den Kühlmittelaustritt 13b abgeführt wird.
Nach dem Austritt aus dem Abgasauslasskanal 10a der ersten Wärmeübertragerstufe wird das Abgas umgelenkt und strömt durch den Abgaseinlasskanal 9b in das als zweite Wärmeübertragerstufe betriebene Modul ein, durch die nicht dargestellten Wärmeübertragerrohre 18 in einer geradlinigen Bewegung durch das Modul hindurch, wird innerhalb der U-förmig ausgebildeten Umlenkung umgelenkt und strömt geradlinig zum Abgasauslasskanal 10b zurück. Das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe wird über den Kühlmitteleintritt 14a im Bereich der Stirnseite zugeführt und strömt in Strömungsrichtung 16 zum Bereich der Umlenkung. Dabei strömt das Kühlmittel, ebenso wie das Kühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe, je nach Strömungsrichtung 11 des Abgases einerseits im Gleichstrom und anderseits im Gegenstrom zum Abgas durch den Wärmeübertrager 2. Im Bereich der Umlenkung wird das Niedertemperaturkühlmittel durch den Kühlmittelaustritt 14b abgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Wärmeübertrager, U-Rohr-Wärmeübertrager
3: Bypassregelventil
4: Abgaseinlassöffnung Bypassregelventil, Öffnung
5: Abgasauslassöffnung Bypassregelventil, Öffnung
6: Trennwand
7: Trennelement, Trennklappe
8: Welle
9: Abgaseinlasskanal Wärmeübertrager
9a: Abgaseinlasskanal Wärmeübertrager erste Stufe
9b: Abgaseinlasskanal Wärmeübertrager zweite Stufe
10: Abgasauslasskanal Wärmeübertrager
10a: Abgasauslasskanal Wärmeübertrager erste Stufe
10b: Abgasauslasskanal Wärmeübertrager zweite Stufe
11: Strömungsrichtung Abgas
12: Kühlmittelanschluss
13a: Kühlmittelanschluss, Kühlmitteleintritt erste Stufe
13b: Kühlmittelanschluss, Kühlmittelaustritt erste Stufe
14a: Kühlmittelanschluss, Kühlmitteleintritt zweite Stufe
14b: Kühlmittelanschluss, Kühlmittelaustritt zweite Stufe
15: Strömungsrichtung Kühlmittel erste Stufe
16: Strömungsrichtung Kühlmittel zweite Stufe
17: Flansch
18: Wärmeübertragerrohr
19: Drehrichtung Welle, Drehrichtung Trennelement
20: Begrenzungssegment, Leiteinrichtung Kühlmittel
21: Spalt, Luftspalt
22: Dichtlippe

Claims

Vorrichtung (1) zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, aufweisend einen kühlmittelbeaufschlagten Wärmeübertrager (2) sowie ein Bypassregelventil (3) mit einem Abgaseinlasskanal (9) und einem Abgasauslasskanal (10), wobei der Abgaseinlasskanal (9) und der Abgasauslasskanal (10) innerhalb des Bypassregelventils (3) integriert ausgebildet sind und das Bypassregelventil (3) derart mit dem Wärmeübertrager (2) verbunden ist, dass der Wärmeübertrager (2) und das Bypassregelventil (3) ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse – am das Bypassregelventil (3) umschließenden Gehäusebereich eine Abgaseinlassöffnung (4) und eine Abgasauslassöffnung (5) aufweist sowie – am den Wärmeübertrager (2) umschließenden Gehäusebereich einen Kühlmittelanschluss (13a, 14a) als Kühlmitteleintritt sowie einen Kühlmittelanschluss (13b, 14b) als Kühlmittelaustritt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassregelventil (3) mit einer Trennwand (6) zum Trennen des in den Wärmeübertrager (2) einzuleitenden Abgasstromes vom aus dem Wärmeübertrager (2) austretenden Abgasstrom und einem Trennelement (7) ausgebildet ist, wobei das Trennelement (7) als Trennklappe mit einer ovalen Außenkontur in Form einer Ellipse ausgebildet ist und die Ellipse an einer Seite in Richtung der Hauptachse eine senkrecht zur Hauptachse angeordnete gerade Außenkante aufweist, welche einen Hauptscheitel der Ellipse abtrennend ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) – als zweistufiger Wärmeübertrager ausgebildet ist, – U-förmig ausgebildete Wärmeübertragerrohre (18) aufweist, welche mit dem Baden des Wärmeübertragers (2) bündig abschließend angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragerrohre (18) von Abgas durchströmbar und auf der Außenseite mit Kühlmittel beaufschlagbar ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) ein Begrenzungssegment (20) aufweist, welches die Wärmeübertragerstufen des zweistufig ausgebildeten Wärmeübertragers (2) auf der Kühlmittelseite derart voneinander trennt, dass zwei abgeschlossene, von Kühlmitteln mit unterschiedlichen Zustandsparametern durchströmbare Kammern ausgebildet sind, wobei das Begrenzungssegment (20) die Form eines Trennbleches aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungssegment (20) einen aus zwei Zwischenwänden ausgebildeten Spalt (21) aufweist, wobei die Zwischenwände fest mit der Gehäusewandung verbunden und parallel zueinander ausgerichtet sind, sodass sich der Spalt (21) über die gesamte Breite des Gehäuses erstreckt und die spaltbegrenzenden Zwischenwände aus dem gleichen Material wie die Gehäusewandung ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzungssegment (20) als mit luftgefüllten Durchbrüchen versehenes Profit ausgebildet ist, wobei das Begrenzungssegment (20) aus Kunststoff ausgebildet ist und über Dichtlippen (22) mit der Gehäusewandung verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypassregelventil (3) eine Welle (8) und einen Stellmotor aufweist, wobei – die Welle (8) an einem ersten Ende mit dem Trennelement (7) und an einem zweiten Ende mit dem Stellmotor verbunden ist sowie – das Trennelement (7) über den Stellmotor und die Welle (8) zwischen zwei Endstellungen stufenlos drehbeweglich verstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) – in einer ersten Endstellung einen direkten Strömungspfad zwischen der Abgaseinlassöffnung (4) und der Abgasauslassöffnung (5) freigebend und den Abgaseinlasskanal (9) zum Wärmeübertrager (2) verschließend sowie – in einer zweiten Endstellung den direkten Strömungspfad zwischen der Abgaseinlassöffnung (4) und der Abgasauslassöffnung (5) verschließend und den Abgaseinlasskanal (9) zum Wärmeübertrager (2) freigebend angeordnet ist, wobei – das Bypassregelventil (3) mit dem stufenlos drehbeweglich verstellbaren Trennelement (7) einen kontinuierlich proportionalen Antrieb aufweist und – der Querschnitt des direkten Strömungspfades zwischen der Abgaseinlassöffnung (4) und der Abgasauslassöffnung (5) sowie der Querschnitt des Abgaseinlasskanals (9) zum Wärmeübertrager (2) anteilig einstellbar ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2) und das Bypassregelventil (3) über einen Flansch (17) miteinander verbindbar ausgebildet sind, wobei die Flanschverbindung – eine Dichtung aufweist und – als Schraubverbindung oder Klemmverbindung ausgebildet ist.
Verfahren zur Abgaskühlung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, in einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Einströmen des Abgases in Strömungsrichtung (11) durch eine Abgaseinlassöffnung (4) bis hin zu einem Trennelement (7), – Aufteilen des Abgasstromes beim Überströmen des Trennelementes (7) in einen ersten Teilstrom durch einen Abgaseinlasskanal (9a) in einen Wärmeübertrager (2) und einen zweiten Teilstrom zu einer Abgasauslassöffnung (5), – Einströmen des ersten Teilstroms nach dem Aufteilen beim Überströmen des Trennelementes (7) durch den Abgaseinlasskanal (9a) in eine erste Wärmeübertragungsstufe des Wärmeübertragers (2), – Einströmen von Hochtemperaturkühlmittel mit geringerer Temperatur als das Abgas durch einen Kühlmittelanschluss (13a) und – Abkühlen des ersten Teilstromes des Abgases durch Wärmeübertragung vom Abgas an das Hochtemperaturkühlmittel der ersten Wärmeübertragerstufe auf eine Zwischentemperatur, – Leiten des auf Zwischentemperatur abgekühlten und aus einem Abgasauslasskanal (19a) ausströmenden ersten Teilstroms des Abgases in einen Abgaseinlasskanal (9b) einer zweiten Wärmeübertragungsstufe des Wärmeübertragers (2), – Einströmen von Niedertemperaturkühlmittel mit geringerer Temperatur als das Abgas des abgekühlten ersten Teilstromes sowie geringerer Temperatur als das Hochtemperaturkühlmittel durch einen Kühlmittelanschluss (14a) und – Abkühlen des ersten Teilstromes des Abgases durch Wärmeübertragung vom Abgas an das Niedertemperaturkühlmittel der zweiten Wärmeübertragerstufe auf eine Endtemperatur, – Ausströmen des abgekühlten Abgases des ersten Teilstromes aus einem Abgasauslasskanal (10, 10b), – Vermischen des ersten Teilstromes mit dem zweiten Teilstrom des Abgases innerhalb der Abgasauslassöffnung (5) und – Ausströmen des Abgases durch die Abgasauslassöffnung (5).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) zwischen zwei Endstellungen, der „Bypassstellung” und der „Kühlstellung”, stufenlos bewegt wird und durch die Stellung des Trennelementes (7) der Abgasstrom in den ersten und den zweiten Teilstrom jeweils entsprechend zwischen 0 und 100% aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stellung des Trennelementes (7) auf „Bypassstellung” das Abgas nach dem Einströmen in Strömungsrichtung (11) durch die Abgaseinlassöffnung (4) durch das Trennelement (7) ohne Aufteilung vollständig zur Abgasauslassöffnung (5) geleitet wird und aus der Abgasauslassöffnung (5) ausströmt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas und das Hochtemperaturkühlmittel in der ersten Wärmeübertragerstufe im Gleichstrom zueinander strömen, sowie dass das Abgas und das Niedertemperaturkühlmittel in der zweiten Wärmeübertragerstufe im Gegenstrom zueinander strömen.