DE102010054412A1

DE102010054412A1 - Abgaswärmetauscher einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010054412A1
Application number: DE102010054412A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wader Heiko; Stefan Dieterle; Prof.-Dr. Weigand Bernhard; Sebastian Spring
Original assignee: Daimler AG; Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: WO2012079701A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher einer Brennkraftmaschine, welcher Kanäle (3) aufweist, die beim Betrieb von einer Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine wenigstens teilweise umströmt und von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt werden, wobei eine Kanalwand (4, 4a, 4b) turbulenzerzeugende Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) aufweist. Erfindungsgemäß sind die Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) über eine Kanallänge (L) variabel geformt und/oder angeordnet und/oder eine Kanal-Querschnittsfläche ist über die Kanallänge (L) variabel ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der DE 10 2007 011 184 A1 ist ein Abgaswärmetauscher einer Brennkraftmaschine beschrieben, dessen von Abgas durchströmbare Kanäle Ausbuchtungen als turbulenzerzeugende Elemente aufweisen. Diese dienen einer Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Kühlflüssigkeit und Abgas.
Ausgehend von der DE 10 2007 011 184 A1 ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abgaswärmetauscher anzugeben, der eine verbesserte Kühlleistung und Dauerhaltbarkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgaswärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher weist abgasführende Kanäle auf, wobei eine Kanalwand turbulenzerzeugende Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen aufweist, die über eine Kanallänge variabel geformt und/oder angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich ist eine Kanal-Querschnittsfläche über die Kanallänge variabel ausgebildet.
Bei bekannten Abgaswärmetauschern üblicher Bauart nimmt der übertragene Wärmestrom über die Länge einer Wärmetauscherfläche bzw. in Abgasströmungsrichtung aufgrund der abnehmenden Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Kühlflüssigkeit meist stark ab. Folge hiervon sind thermische Spannungen, welche zu einer Rissbildung führen können. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist hingegen eine Vergleichmäßigung des vom heißen Abgas über eine jeweilige Kanalwand auf die Kühlflüssigkeit übertragenen Wärmestroms über die Kanallänge ermöglicht. Dadurch ist eine Verringerung der thermischen Belastung des Abgaswärmetauschers ermöglicht. Als Folge hiervon sind wiederum thermische Spannungen reduziert und damit eine Anfälligkeit gegenüber Rissbildung vermindert. Insgesamt ist damit die Dauerhaltbarkeit eines erfindungsgemäß ausgeführten Abgaswärmetauschers verbessert. Gleichzeitig kann eine erhöhte volumenbezogene Kühlleistung erzielt werden, bzw. der Abgaswärmetauscher bei gleichbleibender Kühlleistung kompakter ausgeführt werden.
Insbesondere ist es infolge der erfindungsgemäß variabel über eine Kanallänge ausgebildeten Form bzw. Anordnung von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen bzw. infolge die variabel ausgebildete Kanal-Querschnittsfläche ermöglicht, den die Wärmeübertragung bestimmenden Wärmeübertragungskoeffizienten über die Kanallänge derart variabel zu gestalten, dass eine wenigstens annähernd konstante flächenbezogene lokale Wärmestromdichte resultiert, oder zumindest eine weitgehende Vergleichmäßigung der Wärmestromdichte erhalten wird. Insbesondere ist vorgesehen, die Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen bzw. die Kanal-Querschnittsfläche derart variabel auszubilden, dass beim normalen Betrieb des Abgaswärmetauschers die lokale Wärmestromdichte über die Kanallänge um weniger als 200%, vorzugsweise um weniger als 100% und besonders bevorzugt um weniger als 50% von der über die Kanallänge gemittelten Wärmestromdichte abweicht. Hierfür ist es besonders vorteilhaft, wenn durch Form und oder Anordnung von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen der Wärmeübergangskoeffizient im Eingangsbereich des Abgaswärmetauschers im Vergleich zu einem über die Kanallänge gleichbleibend strukturierten Abgaswärmetauscher vermindert ist. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, durch Form und oder Anordnung von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen den Wärmeübergangskoeffizient im Ausgangsbereich des Abgaswärmetauschers im Vergleich zu einem über die Kanallänge gleichbleibend strukturierten Abgaswärmetauscher anzuheben.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher ist insbesondere als Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) einsetzbar und kann als Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher ausgebildet sein. Typischerweise wird er im Gleichstrom betrieben, d. h. Abgas und Kühlflüssigkeit weisen gleichgerichtete Hauptströmungsrichtungen auf. Bevorzugt verlaufen diese Strömungsrichtungen in Richtung einer Längserstreckung des Abgaswärmetauschers. Ein Betrieb als Gegenstromkühler ist, obschon nicht bevorzugt, ebenfalls möglich.
In besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist eine Oberfläche einer Ausbuchtung und/oder Einbuchtung wenigstens einer Kanalwand im in Strömungsrichtung des Abgases gesehen mittleren Bereich der Kanalwand größer als eingangsseitig und/oder ausgangsseitig oder die Oberfläche ist ausgangsseitig größer als eingangsseitig ausgeführt. Hierdurch ist in Abgasströmungsrichtung eine besonders gute Vergleichmäßigung des über die Kanalwand übertragenen Wärmestroms ermöglicht. Dabei ist es bevorzugt, wenn eine größere Oberfläche einer Ausbuchtung und/oder Einbuchtung bei etwa gleichbleibender Grundfläche durch eine stärkere Erhebung über den umgebenden Kanalwandbereich realisiert wird. Eine Vergrößerung der Grundfläche bei wenigstens annähernd konstanter Höhe kann für die Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen zusätzlich oder alternativ für diesen Zweck vorgesehen sein.
In weiteren ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist eine Anzahldichte von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen wenigstens einer Kanalwand im in Strömungsrichtung des Abgases gesehen mittleren Bereich der Kanalwand größer als eingangsseitig und/oder ausgangsseitig ausgebildet oder eine Anzahldichte von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen wenigstens einer Kanalwand ist ausgangsseitig in Strömungsrichtung des Abgases gesehen größer als eingangsseitig ausgeführt. Auch durch diese Ausführungsformen kann bei geringem Fertigungsaufwand eine vorteilhafte Vergleichmäßigung des Wärmestroms über die Kanallänge erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Oberflächen und/oder Anordnungen von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen wenigstens einer Kanalwand in Strömungsrichtung des Abgases gesehen abschnittsweise wenigstens annähernd identisch in Bezug auf Form und/oder Größe ausgebildet. Andererseits sind jeweils einheitlich strukturierte, aneinander grenzende Kanalwand-Bereiche oder -Abschnitte vorgesehen, die sich in Bezug auf Form und/oder Größe und/oder Anordnung von Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen unterscheiden. Durch bereichsweise einheitlich ausgeführte Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen ist bei nahezu unverminderter Flexibilität in Bezug auf eine Ausbildung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten der Fertigungsaufwand vermindert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen angegeben, welche anhand von Zeichnungen veranschaulicht sind. Dabei sind die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figurenbeschreibungen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in der jeweils angegeben Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in der Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Figuren zeigen in:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines als Plattenwärmetauscher ausgebildeten erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
2 eine schematische Querschnittsansicht eines als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildeten erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
3 eine schematische Perspektivansicht eines Kanals eines als Plattenwärmetauscher ausgebildeten erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers
4a bis 4h in schematischer Darstellung vorteilhafte Formen von turbulenzerzeugenden Ausbuchtungen und Einbuchtungen für eine Kanalwand eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
5a bis 5d in schematischer Darstellung vorteilhafte Anordnungen von turbulenzerzeugenden Ausbuchtungen und Einbuchtungen für einen Kanal eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
6a, 6b in schematischer Darstellung vorteilhafte lineare Anordnungen von turbulenzerzeugenden Ausbuchtungen und Einbuchtungen auf einer Kanalwand eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers,
7 eine schematische Darstellung von zwei Einbuchtungen, die versetzt zueinander in benachbarten Reihen angeordnet sind,
8 eine schematische Darstellung einer Ausbuchtung einer Kanalwand, die einen Übergang zum angrenzenden Kanalwandbereich mit einem Radius vorgegebenen Radius aufweist,
9 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Wärmestromdichte von der Abgasströmungsrichtung für einen erfindungsgemäß ausgeführten Abgaswärmetauscher im Vergleich zu herkömmlichen Abgaswärmetauschern,
10 eine schematische Darstellung eines Abgaswärmetauscherskanals mit in Abgasströmungsrichtung zunehmender Höhe der vorgesehenen Einbuchtungen
Nachfolgend wird zunächst auf eine für einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher vorzugsweise in Betracht kommende prinzipielle Bauweise eingegangen, wozu auf die 1 und 2 Bezug genommen wird. In 1 und 2 sind stark schematisiert Querschnittsansichten von Abgaswärmetauschern 1 dargestellt. Die dargestellten Abgaswärmetauscher 1 weisen eine Gehäuse 2 auf, in welchem eine Mehrzahl von sich senkrecht zur Papierebene erstreckenden, voneinander beabstandeten Kanälen 3 angeordnet sind. Nachfolgend wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Kanäle 3 beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Abgaswärmetauschers 1 von Abgas durchströmt sind. Dementsprechend ist innerhalb des Gehäuses 2 ein Kanalaußenraum 5 vorhanden, in welchem eine Kühlflüssigkeit, insbesondere eine Kühlflüssigkeit einer das Abgas liefernden Brennkraftmaschine strömt. Beim Betrieb ist vorgesehen, dass die Kühlflüssigkeit Wärme vom heißeren Abgas aufnimmt und sich daher das Abgas längs seines Strömungsweges in einem Kanal 3 abkühlt. Vorzugsweise ist für die Kanäle 3 eine einheitliche Abgasströmungsrichtung vorgesehen. Für die im Kanalaußenraum 5 die Kanäle 3 wenigstens teilweise umströmende Kühlflüssigkeit ist bevorzugt eine zumindest im Wesentlichen gleichgerichtete Strömungsrichtung vorgesehen. Nachfolgend wird der Einfachheit halber und ohne Einschränkung der Allgemeinheit meist nur von einer Strömungsrichtung gesprochen. Vorliegend ist der in 1 dargestellt Abgaswärmetauscher 1 als Plattenwärmetauscher und der in 2 dargestellte Abgaswärmetauscher 1 als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Die Kanäle 3 des in 1 dargestellten Plattenwärmetauschers sind im Wesentlichen durch eine vorliegend plattenförmige erste Kanalwand 4a und eine vorzugsweise gleichartig ausgeführte gegenüberliegende zweite Kanalwand 4b begrenzt. Die erste Kanalwand 4a und die zweite Kanalwand 4b sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Die an den Schmalseiten eine Kanals 3 vorhandenen Seitenwände sind nicht gesondert bezeichnet. Für den in 2 dargestellten Rohrbündelwärmetauscher wird der Einfachheit halber hier und im Folgenden nur von einer Kanalwand 4 gesprochen, welche im Wesentlichen einen Hohlzylindermantel bildet.
Für die Kanäle 3, insbesondere im Fall eines Rohrbündelwärmetauschers, können verschiedene Kanalquerschnittsformen gewählt werden. Bevorzugt sind runde, ovale, dreieckige, oder rechteckige Formen. Dabei kann zur Vergleichmäßigung des Wärmeübergangs in Abgasströmungsrichtung eine sich insbesondere kontinuierlich verändernde Querschnittsfläche vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Kanäle 3 eines jeweiligen Wärmetauschers 1 gleichartig ausgeführt.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf die Kühlflüssigkeit sind für die Kanäle 3 des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers 1 Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen der Kanalwände 4, 4a, 4b vorgesehen. Dabei soll im Folgenden unter einer Ausbuchtung eine lokale Verformung der Kanalwand 4, 4a, 4b verstanden werden, welche sich weg vom Kanal 3 in Richtung des Kanalaußenraums 5 erstreckt. Analog wird unter einer Einbuchtung eine lokale Verformung einer Kanalwand 4, 4a, 4b verstanden, welche sich vom Kanalaußenraum in Richtung des Kanalinneren erstreckt. Die Ausbuchtungen bzw. Einbuchtungen erzeugen lokal eine Turbulenz des strömenden Abgases bzw. der strömenden Kühlflüssigkeit, woraus ein intensiverer Kontakt des jeweiligen Fluids mit der Kanalwand 4, 4a, 4b und daher eine verbesserte Wärmeübertragung resultiert.
Nachfolgend werden mit Bezug auf 3 bevorzugte Ausführungsformen eines Kanals 3 eines Plattenwärmetauschers erläutert. Der in 3 schematisch in Perspektivansicht dargestellte Kanal 3 weist eine sich in einer Abgasströmungsrichtung 7 erstreckende Länge L und eine Höhe H als Abstand der begrenzenden, im Wesentlichen flachen Kanalwände 4a und 4b auf. Vorliegend weist die erste Kanalwand 4a mit 6a bezeichnete Ausbuchtungen und die zweite Kanalwand 4b mit 6b bezeichnete Einbuchtungen auf. Dabei sind die Ausbuchtungen 6a und Einbuchtungen 6b der Übersichtlichkeit halber lediglich für einen Teil der Kanalwände 4a, 4b dargestellt. Vorzugsweise sind jedoch Ausbuchtungen 6a und Einbuchtungen 6b für die gesamte Fläche oder zumindest den überwiegenden Teil der Fläche der Kanalwände 4a, 4b vorgesehen. Vorzugsweise sind für einen Kanal 3 ein oder mehrere im Kanalinneren in Abgasströmungsrichtung 7 verlaufende Rippen 11 vorgesehen, die wenigstens abschnittsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den einander gegenüberliegenden Kanalwänden 4a, 4b verbunden sind. Dies erhöht die mechanische Stabilität des Kanals 3. Die Rippen 11 sind vorzugsweise durchgehend und ununterbrochen ausgeführt, wodurch sie den Kanal 3 in voneinander abgegrenzte Kanalelemente 10 mit einer Breite B unterteilen. Vorzugsweise liegt das Verhältnis B/H von Breite B und Höhe H im Bereich 1 bis 20, insbesondere im Bereich 2 bis 10 und besonders bevorzugt im bereich 3 bis 5. Für den hauptsächlich vorgesehenen Einsatz des Abgaswärmetauscher als AGR-Kühler, insbesondere für mittelschwere oder schwere Nutzfahrzeuge, hat sich eine Breite B eines Kanalelements 10 im Bereich von 5 mm bis 20 mm als vorteilhaft erwiesen, wobei eine Kanalelementbreite B von 11 mm bis 15 mm besonders bevorzugt ist. Dabei liegt die Höhe H eines Kanals 3 vorzugsweise im Bereich zwischen 2 mm und 4 mm und beträgt besonders bevorzugt etwa 3,0 mm.
Die Rippen 11 können auch mit einem von 90 Grad abweichenden Winkel in Bezug auf die Kanalwände 4a, 4b angeordnet sein. Dadurch ergeben sich von einer Rechteckform abweichende Querschnittsformen für ein jeweiliges Kanalelement 10. Beispielsweise können dreieckige oder trapezförmige oder parallelogrammförmige Querschnittsformen vorgesehen sein.
Zur Formung der Strömungsverhältnisse im Sinne eines verbesserten Wärmeübergangs können die Rippen 11 wie in 3 dargestellt anstelle einer ebenen Form auch eine gezackte oder gewellte Form aufweisen. Weiterhin kann vorgesehen sein, die Rippen 11 in Abgasströmungsrichtung 7 unterbrochen auszuführen. Dabei können Rippenabschnitte quer zur Abgasströmungsrichtung 7 versetzt zueinander angeordnet sein. Auch mit diesen Maßnahmen kann im Kanalinneren eine Turbulenz erzeugt oder verstärkt werden und die Wärmeübertragung verbessert werden. Im Wesentlichen erfolgt eine Turbulenzerzeugung jedoch mittels der für die Kanalwände 4, 4a, 4b vorgesehenen Ausbuchtungen 6a und/oder Einbuchtungen 6b. Nachfolgend werden unter Bezug auf die 4a bis 4h hierfür vorteilhafte Formen vorgestellt.
In den 4a bis 4h sind beispielhaft auf gleichartige Weise verschiedene vorteilhafte Formen für Ausbuchtungen 6a einer ersten Kanalwand 4a dargestellt. Dabei bilden eine mit VS bezeichnete Vorderansicht in Strömungsrichtung 7 und eine mit DS bezeichnete Draufsicht auf die erste Kanalwand 4a jeweils ein Paar von einander zugeordneten schematischen Darstellungen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und der Gleichartigkeit der Darstellungen in den 4a bis 4h sind für gleiche Merkmale gewählte Bezugsziffern nur für 4a und 4g eingetragen. Es versteht sich, dass die lediglich beispielhaft für die erste Kanalwand 4a eines Plattenwärmetauschers dargestellten Formen von Ausbuchtungen 6a in analoger Weise auch für Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen eine zweiten Kanalwand 4b eines Plattenwärmetauschers bzw. einer Kanalwand 4 eines Rohrbündelwärmetauschers gewählt sein können.
Als besonders vorteilhafte Form ist in 4a eine etwa halbkugelförmige Ausbuchtung schematisch dargestellt. Anstelle einer Halbkugelform kann natürlich auch eine Kalottenform gewählt werden, wobei sich dann in einer Vorderansicht VS ein Kreisbogen mit einem zugeordneten Mittelpunktswinkel von weniger als 180 Grad ergibt. In ähnlicher Weise kann für eine Ausbuchtung die Form einer Kappe eines Ellipsoids gewählt werden, was in 4b dargestellt ist. In der Draufsicht DS ergibt sich dabei eine ovale bzw. elliptische Kontur bzw. Form. Dabei kann die längere der Ellipsenachsen auch quer oder mit einem zwischen Null Grad und 90 Grad liegenden Winkel zur Abgasströmungsrichtung 7 ausgerichtet sein. Dies gilt sinngemäß generell für eine längere Erstreckungsrichtung bei Ausbuchtungen 6a und ebenso für Einbuchtungen 6b, welche in einer Draufsicht von einer Kreisform abweichen, ohne dass dies nachfolgend ausdrücklich erwähnt ist.
In 4c ist als ebenfalls vorteilhafte Form für eine Ausbuchtung 6a ein Längsabschnitt eines Hohlkreiszylinders dargestellt. Unter geringer Abweichung hiervon ist auch ein Längsabschnitt eines Hohlzylinders mit elliptischer Grundfläche möglich. Für den Längsabschnitt kann analog zu 4a und 4b auch ein zugeordneter Mittelpunktswinkel von weniger als 180 Grad gewählt werden.
In analoger Weise zu 4c ist in den 4d bzw. 4e eine Ausbuchtung 6a dargestellt, welche sich aus einem Abschnitt eines Hohlzylinders mit dreieckiger bzw. rechteckiger Querschnittsform ergibt.
Ebenfalls vorteilhaft sind Formen für Ausbuchtungen 6a, welche entsprechend der Spitze einer dreiseitigen Pyramide (4f) oder eines Kreiskegels (4g) oder eines Kreiszylinders (4h) ausgebildet sind. Es versteht sich, dass zusätzlich zu den vorzugsweise verwendeten Ausbuchtungen 6a und/oder Einbuchtungen 6b die Kanalwände 4, 4a, 4b so genannte Winglets, d. h. schräg abragende Turbulenzerzeugungsmittel aufweisen können. Dadurch kann eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs erreicht werden.
Was die Anordnung von Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b betrifft, so können diese auf gegenüberliegenden Wänden eines Kanals 3 direkt einander gegenüber liegen. Es kann auch eine in Strömungsrichtung 7 oder quer dazu versetzte Anordnung vorgesehen sein. In den 5a bis 5d sind beispielhaft verschiedene Anordnungen schematisch dargestellt. In den in 5a bzw. 5c gezeigten Anordnungen liegen vorliegend beispielhaft kalottenähnlich geformte Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b in einander gegenüberliegen Wänden 4a, 4b eines Kanals 3 ebenfalls direkt einander gegenüber. Im Unterschied hierzu sind in den 5b bzw. 5d die Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b in einander gegenüberliegen Wänden 4a, 4b eines Kanals 3 versetzt zueinander angeordnet. Die Formen der Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b einer Kanalwand 4, 4a, 4b müssen dabei nicht zwangsläufig identisch oder ähnlich sein. Es können auch unterschiedliche Formen, beispielsweise in den 4a bis 4h dargestellte Geometrien kombiniert bzw. gemischt werden, was Vorteile in Bezug auf eine Turbulenzausprägung und damit für die Wärmeübertragungsleistung mit sich bringen kann.
Auf einer jeweiligen Kanalwand 4, 4a, 4b sind Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b vorzugsweise in einer linearen Anordnung in Bezug auf die Abgasströmungsrichtung 7 vorgesehen. Dabei können Ausbuchtungen 6a bzw. Einbuchtungen 6b in benachbarten, bevorzugt parallel zueinander verlaufenden Linien auf gleicher Höhe oder versetzt zueinander angeordnet sein. Die entsprechenden Anordnungen sind in 6a und 6b beispielhaft für Ausbuchtungen 6a mit kreisförmiger Grundfläche in einer schematischen Draufsicht DS auf eine erste Kanalwand 4a dargestellt. Eine versetzte Anordnung gemäß 6a ist dabei bevorzugt.
In 7 sind beispielhaft 2 benachbarte, kalottenförmige Einbuchtungen 6b in einer versetzten Anordnung analog 6a dargestellt. In Bezug auf eine die Wärmeübertragung fördernde Turbulenz sind geometrische Verhältnisse von Vorteil, bei denen sich eine konstruktive Interferenz von Wirbelschleppen ergibt, welche von einer jeweiligen Einbuchtung 6b bzw. Ausbuchtung 6a infolge der Umströmung mit Abgas oder Kühlflüssigkeit resultiert. In dieser Hinsicht hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn ein senkrechter Abstand P_x in Strömungsrichtung 7 im Bereich zwischen einem Dreifachen und einem Einfachen einer größten Ausdehnung der Grundfläche der Einbuchtung 6b bzw. Ausbuchtung 6a ist. Der senkrechte Abstand P_y quer zur Strömungsrichtung 7 liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen einem 3-fachen und einem 0,8-fachen einer größten Ausdehnung der Grundfläche der Einbuchtung 6b bzw. Ausbuchtung 6a. Bei der in 7 lediglich beispielhaft dargestellten kalottenförmigen Einbuchtung 6b ist die größte Ausdehnung der in diesem Fall kreisförmigen Grundfläche der Durchmesser D. Wird lediglich exemplarisch von einer solchen Form ausgegangen, so ist ein Verhältnis P_x/D im Bereich von 1 bis 2 bevorzugt und besonders bevorzugt ein Bereich 1,1 bis 1,5. Für das Verhältnis P_y/D ist ein Bereich von 0,8 bis 2 bevorzugt und besonders bevorzugt ei Bereich 0,9 bis 1,5. Die senkrechten Abstände P_x bzw. P_y verstehen sich bei von der Kreisform abweichenden Grundflächen als vom jeweiligen Flächenschwerpunkt S aus gemessen.
Für eine gute Wärmeübertragung und eine hierfür förderliche Turbulenz ist es weiter vorteilhaft, bestimmte Wertebereiche für ein Verhältnis von Höhe einer Ausbuchtung 6a und/oder Einbuchtung 6b zur größten Abmessung der zugehörigen Grundfläche einzuhalten. Zur Erläuterung wird diesbezüglich auf 8 Bezug genommen. Eine in 8 in einer Vorderansicht VS beispielhaft annähernd halbkugelförmig dargestellte Ausbuchtung 6a weist eine mit δ bezeichnete Höhe in Bezug auf die erste Kanalwand 4a auf. Die Höhe δ wird vorzugsweise im Bereich von etwa 10% bis etwa 50%, insbesondere im Bereich von 15% bis 30% und besonders bevorzugt im Bereich von 20% bis 25% des Durchmessers D der Grundfläche gewählt. Mit Blick auf eine Turbulenzerzeugung aber auch in fertigungstechnischer Hinsicht ist es außerdem bevorzugt, wenn der Übergang der Ausbuchtung 6a auf den umgebenden Kanalwandbereich mit einem Radius R erfolgt, der etwa ein 0,05-faches bis etwa ein 0,3-faches der Höhe δ beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Radius R von etwa 15% der Höhe δ. Dies gilt natürlich in gleicher Weise für Einbuchtungen 6b.
Der erfindungsgemäß ausgeführte Abgaswärmetauscher zeichnet sich insbesondere durch einen in Strömungsrichtung 7 gesehen gleichmäßigen Verlauf der lokalen Wärmestromdichte Q' in Bezug auf eine flächenbezogene Wärmeübertragung vom Abgas auf die Kühlflüssigkeit aus. Vorzugsweise ist die Wärmestromdichte Q', angegeben in kW/m² in Strömungsrichtung 7 wenigstens annähernd konstant. Im Gegensatz hierzu ist bei üblichen Wärmetauschern, insbesondere bei solchen mit einer in Strömungsrichtung 7 einheitlichen Struktur, eine meist stark abnehmende Wärmestromdichte Q' vorhanden. Zur Erläuterung wird nachfolgend auf 9 Bezug genommen. In 9 ist schematisch in Diagrammform eine Abhängigkeit Q' = Q'(x) der lokalen Wärmestromdichte Q' eines Kanals 3 von einer Ortskoordinate x dargestellt. Dabei verläuft die Ortskoordinate x in Strömungsrichtung 7. Die Spur 8 gibt einen üblicherweise anzutreffenden, relativ stark über eine Kanallänge L abnehmenden Verlauf der Wärmestromdichte Q' wieder. Demgegenüber ist für den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher eine nur gering abnehmende oder konstante Wärmestromdichte Q' vorgesehen. Vorliegend nimmt die lokal wirksame Wärmestromdichte Q' = Q'(x) von einem Wert a an der Abgaseintrittsseite eines Kanals 3 auf einen Wert b an der Abgassaustrittsseite eines Kanals der Länge L kontinuierlich ab. Für den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher ist vorzugsweise vorgesehen, dass der austrittsseitige Wert b der Wärmestromdichte Q' im Bereich von 80% bis 120% des eintrittsseitigen Werts a liegt. Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass über die Kanallänge L die Wärmestromdichte Q' = Q'(x) weniger als 50% vom über die Kanallänge L gemittelten Wert abweicht. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Ausbuchtungen 6a und/oder Einbuchtungen 6b über die Kanallänge L derart variabel geformt und/oder angeordnet sind, dass sich gegenüber einem über die Kanallänge L gleichmäßig strukturierten Abgaswärmetauscher ein im Eingangsbereich erniedrigter und ein im Ausgangsbereich erhöhter Wärmeübergangskoeffizient α ergibt. Hierfür kann es vorgesehen sein, eine Anzahldichte von Ausbuchtungen 6a und/oder Einbuchtungen 6b wenigstens einer Kanalwand 4, 4a, 4b ausgangsseitig in Strömungsrichtung 7 des Abgases gesehen größer als eingangsseitig auszuführen. Eine im Wesentlichen in Abgasströmungsrichtung 7 zunehmende Anzahldichte, insbesondere eine wenigstens annähernd stetige Zunahme oder eine Zunahme in Längenabschnitten mit jeweils konstanter Anzahldichte ist dabei bevorzugt. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, eine Oberfläche einer Ausbuchtung 6a und/oder Einbuchtung 6b wenigstens einer Kanalwand 4, 4a, 4b ausgangsseitig in Strömungsrichtung des Abgases gesehen größer als eingangsseitig auszuführen. Eine im Wesentlichen in Abgasströmungsrichtung 7 zunehmende Oberfläche, insbesondere eine wenigstens annähernd stetige Zunahme oder eine Zunahme in Längenabschnitten mit jeweils konstanter Oberfläche ist dabei bevorzugt.
Ein Beispiel einer in diesem Sinne besonders vorteilhafte Ausführungsform ist schematisch in 10 dargestellt. In diesem Beispiel wächst die Höhe δ einer etwa kalottenförmigen Einbuchtung 6b mit einer kreisförmigen Grundfläche in der zweiten Kanalwand 4b eines Kanals 3 in Abgasströmungsrichtung 7 im Wesentlichen an. Der Anstieg der Höhe δ erfolgt vorliegend vom Eingang des Kanals 3 in drei Abschnitten mit den in diesen Abschnitten jeweils konstanten Höhen δ1, δ2, δ3 über dessen gesamte Länge L. Selbstverständlich können auch mehr Abschnitte, etwa 5 bis 10, mit jeweils konstanter Höhe δ1 vorgesehen sein. Vorliegend ist der Anstieg etwa linear. Er kann jedoch auch anderweitig, etwa quadratisch oder exponentiell ansteigend gewählt sein. Vorteilhaft ist auch eine nicht gesondert dargestellte Ausführungsform, bei welcher in einem etwa in der Kanalmitte angeordneten Bereich bzw. Abschnitt eine größere Höhe δ vorgesehen ist als an der Eintrittsseite und/oder der Austrittsseite des Kanals 3. Im gewählten Beispiel bleibt der Durchmesser D der Grundfläche einer Einbuchtung 6b über die Länge L des Kanals 3 konstant und beträgt etwa 2 mm bis 3 mm, insbesondere etwa 2,5 mm. Es kann jedoch auch ein über die Länge L variabler Durchmesser D vorgesehen sein. Beispielsweise kann es für eine unkomplizierte Fertigung vorgesehen sein, dass durch ein kalottenförmiges Prägewerkzeug in Abgasströmungsrichtung 7 gesehen zunehmend tiefere Einprägungen erfolgen, wodurch sowohl die Höhe δ einer etwa kalottenförmigen Einbuchtung 6b als auch dessen Grundfläche in Strömungsrichtung 7 im Wesentlichen anwachsen, gegebenenfalls mit einer abschnittsweise wenigstens annähernd konstanten Form. Bevorzugt ist es jedenfalls, wenn das Verhältnis δ/D von Höhe δ und Grundflächendurchmesser D einer insbesondere etwa kalottenförmigen Einbuchtung 6b in Strömungsrichtung gesehen im Wesentlichen zunimmt. Vorzugsweise wird eingangsseitig eines Kanals 3 für das Verhältnis δ/D ein Wert von etwa 0,1 bis 0,2 gewählt. Ausgangsseitig eines Kanals 3 ist ein Wert von etwa 0,4 bis 0,5 bevorzugt.
Besonders bevorzugt ist es, speziell im Eingangsbereich eines Kanals 3 eine vergleichsweise geringe Höhe δ vorzusehen. Für die angesprochene bevorzugte Anwendung als AGR-Kühler insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, ist eine Höhe δ im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm für eine Einbuchtung 6b oder eine Ausbuchtung 6a bevorzugt. Dies führt zu einer verbesserten Kühlflüssigkeitsverteilung, wodurch wiederum ein unerwünschtes Sieden der Kühlflüssigkeit vermieden wird und Temperaturunterschiede zwischen Abgas und Kühlflüssigkeit vergleichmäßigt sind. Dies vermindert die thermische Belastung und erhöht die Dauerhaltbarkeit. Andererseits ist eine Verminderung des Kühlflüssigkeitsdurchsatzes ermöglicht, wodurch die Förderleistung und damit letztlich der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine vermindert werden kann.
Eine Kanalhöhe H wird bevorzugt im Bereich zwischen dem Zweifachen bis Zehnfachen einer maximalen Einbuchtungshöhe δ gewählt. Für andere Formen von Einbuchtungen 6b oder Ausbuchtungen 6a gelten sinngemäß die gleichen Verhältnisse. Generell können die genannten Formvariationen bzw. Anordnungsvariationen von Ausbuchtungen 6a und/oder Einbuchtungen 6b bei einer ersten Kanalwand 4a und/oder einer zweiten Kanalwand 4b bzw. einer Kanalwand 4 vorgesehen sein.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher wird vorzugsweise mit einem Abgasdurchsatz im Bereich von etwa von 0,001 kg/s bis 0,01 kg/s für einen Kanal 3 betrieben. Insgesamt ist der Abgaswärmetauscher für einen Nenndurchsatz von etwa 0,2 kg/s ausgelegt. Bei einer Abgaseintrittstemperatur von etwa 500°C bis 800°C erfolgt eine Abkühlung auf eine Abgasaustrittstemperatur auf etwa 150°C bis 100°C. Dabei wird von einer Kühlflüssigkeits-Eintrittstemperatur von etwa 90°C und einer um etwa 10°C höheren Kühlflüssigkeits-Austrittstemperatur ausgegangen. Die Angaben beziehen sich auf einen Abgaswärmetauscher, welcher in einem typischen Betriebsbereich bevorzugt eine volumenbezogene Kühlleistung zwischen 10 kW/l und 20 kW/l, insbesondere zwischen 10 kW/l und 20 kW/l und besonders bevorzugt zwischen 17,5 kW/l und 18,5 kW/l aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007011184 A1 [0002, 0003]

Claims

Abgaswärmetauscher einer Brennkraftmaschine, welcher Kanäle (3) aufweist, die beim Betrieb von einer Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine wenigstens teilweise umströmt und von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt werden, wobei eine Kanalwand (4, 4a, 4b) turbulenzerzeugende Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) über eine Kanallänge (L) variabel geformt und/oder angeordnet sind und/oder eine Kanal-Querschnittsfläche über die Kanallänge (L) variabel ausgebildet ist.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche einer Ausbuchtung (6a) und/oder Einbuchtung (6b) wenigstens einer Kanalwand (4, 4a, 4b) im in Strömungsrichtung (7) des Abgases gesehen mittleren Bereich der Kanalwand (4, 4a, 4b) größer als eingangsseitig und/oder ausgangsseitig ausgeführt ist.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche einer Ausbuchtung (6a) und/oder Einbuchtung (6b) wenigstens einer Kanalwand (4, 4a, 4b) ausgangsseitig in Strömungsrichtung (7) des Abgases gesehen größer als eingangsseitig ausgeführt ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahldichte von Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) wenigstens einer Kanalwand (4, 4a, 4b) im in Strömungsrichtung (7) des Abgases gesehen mittleren Bereich der Kanalwand (4, 4a, 4b) größer als eingangsseitig und/oder ausgangsseitig ausgeführt ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahldichte von Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) wenigstens einer Kanalwand (4, 4a, 4b) ausgangsseitig in Strömungsrichtung (7) des Abgases gesehen größer als eingangsseitig ausgeführt ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen und/oder Anordnungen von Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) wenigstens einer Kanalwand (4, 4a, 4b) in Strömungsrichtung (7) des Abgases gesehen abschnittsweise wenigstens annähernd identisch ausgebildet sind.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) vorgesehen sind, die in einer senkrecht zur Abgasströmung (7) gesehenen Draufsicht auf eine zugeordnete Kanalwand (4, 4a, 4b) wenigstens annähernd eine Ellipsenform oder eine Kreisform oder eine Dreiecksform oder eine Rechteckform aufweisen.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer von einer Kreisform abweichenden Form einer Ausbuchtung (6a) und/oder Einbuchtung (6b) deren größte Ausdehnung schräg in Bezug zur Abgasströmungsrichtung (7) ausgerichtet ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) vorgesehen sind, die in einer in Abgasströmung (7) gesehenen Querschnittsansicht einer zugeordneten Kanalwand (4, 4a, 4b) wenigstens annähernd eine Kalottenform oder eine Dreiecksform oder eine Rechteckform aufweisen.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) in einer in Abgasströmungsrichtung (7) gesehen wenigstens annähernd geradlinigen Anordnung vorgesehen sind.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte wenigstens annähernd geradlinige Anordnungen von Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) vorgesehen sind, wobei Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) von benachbarten Linien versetzt zueinander angeordnet sind.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein senkrechter Abstand (P_x; P_y) in Abgasströmungsrichtung (7) und/oder quer zur Abgasströmungsrichtung (7) von Flächenschwerpunkten (S) von Projektionsflächen von zwei Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b), die in Abgasströmungsrichtung (7) oder quer dazu benachbart angeordnet sind, in einer senkrecht zur Abgasströmungsrichtung (7) auf eine zugeordnete Kanalwand (4, 4a, 4b) gesehenen Projektion kleiner als ein Fünffaches, insbesondere kleiner als ein Dreifaches einer größten Ausdehnung der Projektionsflächen ist.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für Ausbuchtungen (6a) und/oder Einbuchtungen (6b) ein Übergang auf einen angrenzenden Kanalwandbereich mit einem Radius (R) vorgesehen ist, der ein Fünftel bis ein Fünfzigstel einer größten Erhebung der Ausbuchtung (6a) und/oder Einbuchtung (6b) über den angrenzenden Kanalwandbereich beträgt.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegende Wände (4a, 4b) eines von Abgas durchströmten Kanals (3) Ausbuchtungen (6a) in den von Abgas durchströmten Kanal (3) hinein aufweisen, derart, dass die Ausbuchtungen (6a) der ersten Wand (4a) versetzt zu den Ausbuchtungen (6b) der zweiten Wand (4b) angeordnet sind.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (3) mit einer wenigstens annähernd rechteckigen oder dreieckigen oder runden oder ovalen Querschnittsform vorgesehen sind.
Abgaswärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Plattenwärmetauscher mit von Abgas durchströmbaren Kanälen (3) mit jeweils zwei sich mit geringem Abstand gegenüberliegenden, im Wesentlichen flachen und einen jeweiligen Kanal (3) begrenzenden Wänden (4a, 4b), wobei für einen Kanal (3) ein oder mehrere im Kanalinneren in Abgasströmungsrichtung verlaufende Rippen (11) vorgesehen sind, die wenigstens abschnittsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit den einander gegenüberliegenden Wänden (4a, 4b) verbunden sind.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen ebene oder wellenförmige oder zick-zack-förmige Rippen (11) vorgesehen sind.