DE102011056153B4 - Impact surface heat exchanger for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Wärmetauscher (1) zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei der Wärmetauscher (1) einen Wärmeübergang der in einem Abgas (9) enthaltenen Abgaswärme an ein Kühlmedium (6) ermöglicht, wobei das Abgas (9) durch einen Heizkanal (2) und das Kühlmedium (6) durch einen Kühlkanal (3) strömen, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal (2) in eine Zuführkammer (7) und eine Abführkammer (8) aufgegliedert ist, wobei die Abführkammer (8) an einer Wärmetauscherwand (4) angeordnet ist und die Wärmetauscherwand (4) direkt zu dem Kühlkanal (3) benachbart ist und die Zuführkammer (7) auf der der Wärmetauscherwand (4) gegenüberliegenden Seite der Abführkammer (8) angeordnet ist und wobei die Abführkammer (8) und die Zuführkammer (7) zumindest abschnittsweise parallel verlaufen, wobei zwischen der Zuführkammer (7) und der Abführkammer (8) Öffnungen (13) angeordnet sind, durch die das Abgas (9) von der Zuführkammer (7) in die Abführkammer (8) strömt und in der Abführkammer (8) im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmetauscherwand (4) trifft und/oder prallt und dann durch die Abführkammer (8) abführbar ist.Heat exchanger (1) for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle, wherein the heat exchanger (1) heat transfer of exhaust gas contained in an exhaust gas (9) to a cooling medium (6), wherein the exhaust gas (9) through a heating channel (2) and the cooling medium (6) flow through a cooling channel (3), characterized in that the heating channel (2) is subdivided into a feed chamber (7) and a discharge chamber (8), wherein the discharge chamber (8) is arranged on a heat exchanger wall (4) is and the heat exchanger wall (4) directly adjacent to the cooling channel (3) and the feed chamber (7) on the heat exchanger wall (4) opposite side of the discharge chamber (8) is arranged and wherein the discharge chamber (8) and the feed chamber (7 ) are at least partially parallel, wherein between the feed chamber (7) and the discharge chamber (8) openings (13) are arranged through which the exhaust gas (9) from the feed chamber (7) flows into the discharge chamber (8) and in the discharge chamber (8) substantially perpendicular to the heat exchanger wall (4) meets and / or bounces and then through the discharge chamber (8) can be discharged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present invention relates to a heat exchanger for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle according to the features in the preamble of
Im heutigen Automobilbau werden nach wie vor als Hauptantriebsquelle Verbrennungsmotoren vorgesehen. Hierbei sind zwei verschiedene Verbrennungskonzepte maßgeblich im Einsatz, zum einen der fremdgezündete Ottomotor, zum anderen der selbstgezündete Dieselmotor. Die Verbrennungsmotoren wandeln dabei die in einem Kraftstoff enthaltene chemische Energie um in mechanische Energie zum Forttrieb sowie in thermische Energie, die während des Verbrennungsprozesses entsteht und über den Motor sowie das Abgas abgeführt werden. Die Verbrennungsmotoren sind dabei durch den idealisierten Carnot-Prozess in dem Wirkungsgrad zur Wandlung der chemischen Energie in mechanische Energie begrenzt. Da hierbei circa maximal 40% in mechanische Energie umgewandelt werden, werden circa 60% der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie als Verlust abgeführt.In today's automotive industry, internal combustion engines are still provided as the main drive source. Here are two different combustion concepts significantly in use, on the one hand, the spark ignition gasoline engine, on the other hand, the self-ignited diesel engine. The internal combustion engines convert the chemical energy contained in a fuel into mechanical energy for propulsion as well as into thermal energy, which is generated during the combustion process and is dissipated via the engine and the exhaust gas. The combustion engines are limited by the idealized Carnot process in the conversion efficiency of the chemical energy into mechanical energy. Since about 40% of this is converted into mechanical energy, about 60% of the chemical energy contained in the fuel is dissipated as a loss.
In den letzten Jahren gab es daher diverse Bestrebungen, die im Abgas enthaltene Wärmeenergie entsprechend zurückzugewinnen und hierdurch den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses in Bezug auf die Nutzung der Energie im Kraftfahrzeug weiter zu steigern. Hierdurch wird der Verbrauch sowie der CO2-Ausstoß eines jeweiligen Kraftfahrzeuges gesenkt.In recent years, therefore, there have been various efforts to recover the heat energy contained in the exhaust gas accordingly and thereby further increase the efficiency of the combustion process with respect to the use of the energy in the motor vehicle. As a result, the consumption and the CO2 emissions of a particular motor vehicle is lowered.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedene Konzepte zur Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie bekannt. Beispielsweise ist es möglich, durch Auflademaschinen, insbesondere in Form von Abgasturboladern, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors weiter zu steigern. Ebenfalls ist es bekannt, thermoelektrische Generatoreinheiten im Bereich des Abgasstranges anzuordnen, um mit Hilfe des Seebeck-Effektes die im Abgas enthaltene Wärmeenergie in elektrische Energie zu wandeln und dem Kraftfahrzeugbordnetz oder anderen Verbrauchern zuzuführen.For this purpose, various concepts for using the energy contained in the exhaust gas are known from the prior art. For example, it is possible by charging machines, in particular in the form of exhaust gas turbochargers, to further increase the efficiency of an internal combustion engine. It is also known to arrange thermoelectric generator units in the region of the exhaust line in order to convert with the help of the Seebeck effect the heat energy contained in the exhaust gas into electrical energy and to supply the motor vehicle electrical system or other consumers.
Beispielsweise ist aus der
Weiterhin zeigt die
Eine Problemstellung, die sich bei der Anordnung von thermoelektrischen Generatoren an oder in einem Abgasstrang ergibt, ist die Leistungsfähigkeit des Wärmeüberganges bei längs-, quer- oder kreuzangeströmten Generatoreinheiten. Insbesondere zur Erzeugung von hohen elektrischen Energieflussraten können die benötigten Wärmemengen bei dem instationären Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug nicht immer zweifelsfrei bereitgestellt werden.A problem that arises in the arrangement of thermoelectric generators on or in an exhaust system is the efficiency of the heat transfer in longitudinally, transversely or kreuzangeströmten generator units. In particular, for the generation of high electrical energy flow rates, the required amounts of heat in the transient operation of the internal combustion engine in a motor vehicle can not always be provided beyond doubt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, einen Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, der gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen dem Abgas eine höhere Wärmemenge entzieht.Object of the present invention is therefore, starting from the prior art, to provide a heat exchanger for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle, which extracts from the prior art known arrangements the exhaust gas a higher amount of heat.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.The aforementioned object is achieved with a heat exchanger for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle according to the features in
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.Advantageous embodiments of the present invention are part of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei der Wärmetauscher einen Wärmeübergang der in einem Abgas enthaltenen Abgaswärme an ein Kühlmedium ermöglicht, wobei das Abgas durch einen Heizkanal und das Kühlmedium durch einen Kühlkanal strömen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal in eine Zuführkammer und eine Abführkammer aufgegliedert ist, wobei die Abführkammer an einer Wärmetauscherwand angeordnet ist und die Wärmetauscherwand direkt zu dem Kühlkanal benachbart ist und die Zuführkammer auf der der Wärmetauscherwand gegenüberliegenden Seite der Abführkammer angeordnet ist und wobei die Abführkammer und die Zuführkammer zumindest abschnittsweise parallel verlaufen, wobei zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer Öffnungen angeordnet sind, durch die das Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt und in der Abführkammer im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmetauscherwand trifft und/oder prallt und dann durch die Abführkammer abführbar ist.The heat exchanger according to the invention for arrangement in an exhaust system of a motor vehicle, wherein the heat exchanger allows heat transfer of the exhaust gas heat contained in an exhaust gas to a cooling medium, wherein the exhaust gas flow through a heating channel and the cooling medium through a cooling channel, characterized in that the heating channel in a Feed chamber and a discharge chamber is broken down, wherein the discharge chamber to a heat exchanger wall is arranged and the heat exchanger wall is directly adjacent to the cooling channel and the feed chamber is disposed on the heat exchanger wall opposite side of the discharge chamber and wherein the discharge chamber and the supply chamber at least partially parallel, wherein between the supply chamber and the discharge chamber openings are arranged through which the Exhaust gas from the supply chamber flows into the discharge chamber and in the discharge chamber substantially perpendicular to the heat exchanger wall and / or bounces and is then discharged through the discharge chamber.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird insbesondere in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges eingegliedert. Er kann dazu im Rahmen der Erfindung einen kanalförmigen, einen plattenförmigen oder aber auch einen zylinderförmigen Aufbau haben. Kennzeichnend ist, dass sowohl die Zuführkammer, als auch die Abführkammer zumindest abschnittsweise parallel verlaufen und somit einen Durchtritt des Abgases von der Zuführkammer in die Abführkammer ermöglichen. Das Abgas tritt also durch den Auslasstrakt der Verbrennungskraftmaschine, welcher insbesondere durch einen Krümmer dargestellt wird, aus und wird über den Abgasstrang abgeführt. Der Abgasstrang weist zumeist verschiedene Abgasnachbehandlungseinheiten, wie beispielsweise Katalysatoren oder Ähnliches auf. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird im Bereich des Abgasstranges angeordnet und kann wiederum direkt an dem Krümmer oder aber nach dem Krümmer oder aber im weiteren Verlauf des Abgasstranges angeordnet sein. Das Abgas wird folglich zunächst dem Wärmetauscher zugeführt und durchläuft den Wärmetauscher in dem Heizkanal. Der Heizkanal des Wärmetauschers selber kann dabei länglich in Röhrenform ausgebildet sein, so dass der Heizkanal einen Teil des Abgasstranges bildet oder aber auch als Plattenwärmetauscher oder in sonstiger geometrischer Form ausgebildet sein. Ebenfalls kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch in einem Bypasskanal des Abgasstranges angeordnet sein. Nach Durchfließen des Heizkanals wird das Abgas durch den weiteren Abgasstrang abgeführt, so dass es nach einem Endschalldämpfer entsprechend in die Umgebung austritt.The heat exchanger according to the invention is incorporated in particular in an exhaust system of a motor vehicle. He can do this in the context of the invention, a channel-shaped, a plate-shaped or even a cylindrical structure. It is characteristic that both the feed chamber, and the discharge chamber run parallel at least in sections and thus allow passage of the exhaust gas from the feed chamber into the discharge chamber. The exhaust gas thus passes through the exhaust tract of the internal combustion engine, which is in particular represented by a manifold, and is discharged via the exhaust gas line. The exhaust system usually has various exhaust aftertreatment units, such as catalysts or the like. The heat exchanger according to the invention is arranged in the region of the exhaust line and can in turn be arranged directly on the manifold or after the manifold or in the further course of the exhaust line. The exhaust gas is thus first supplied to the heat exchanger and passes through the heat exchanger in the heating channel. The heating channel of the heat exchanger itself may be elongated in tubular form, so that the heating channel forms part of the exhaust line or else be designed as a plate heat exchanger or in any other geometric shape. Likewise, the heat exchanger according to the invention can also be arranged in a bypass duct of the exhaust line. After flowing through the heating channel, the exhaust gas is discharged through the further exhaust gas line, so that it emerges according to a rear silencer accordingly in the environment.
Erfindungsgemäß ist der Heizkanal in eine Zuführkammer und eine Abführkammer aufgeteilt. Die Zuführkammer und Abführkammer können ebenfalls im Rahmen der Erfindung kanalförmig oder eine andere räumlich geometrische Ausgestaltung aufweisen, beispielsweise als Quaderform oder aber als Rechteckform oder aber als Zylinderform. Auch können die Zuführkammer und Abführkammer Mischformen der zuvor genannten geometrischen Ausführungsformen bilden. Wesentlich ist, dass die Zuführkammer und die Abführkammer zumindest abschnittsweise und/oder aber auch bereichsweise parallel verlaufen.According to the invention, the heating channel is divided into a feed chamber and a discharge chamber. Within the scope of the invention, the feed chamber and discharge chamber may also have a channel-shaped or other spatially geometrical configuration, for example as a cuboid shape or else as a rectangular shape or else as a cylindrical shape. Also, the supply chamber and discharge chamber may form hybrid forms of the aforementioned geometric embodiments. It is essential that the feed chamber and the discharge chamber extend at least in sections and / or also in sections in parallel.
Zudem sind zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer Öffnungen angeordnet, durch die das Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt. Durch dieses Prinzip wird der im Abgasstrang enthaltene bzw. durch den Strömungswiderstand entstehende Abgasgegendruck optimal ausgenutzt, um den Wärmeübergang von dem Abgas an die Wärmetauscherwand zu erhöhen.In addition, openings are provided between the supply chamber and the discharge chamber through which the exhaust gas flows from the supply chamber into the discharge chamber. By virtue of this principle, the exhaust gas backpressure contained in the exhaust gas system or produced by the flow resistance is optimally utilized in order to increase the heat transfer from the exhaust gas to the heat exchanger wall.
Insbesondere wird dieser Effekt dadurch unterstützt, dass das in die Abführkammer strömende Abgas im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmetauscherwand trifft und/oder prallt und dann durch die Abführkammer abführbar ist. Das auf die Wärmetauscherwand prallende Abgas trifft in Form von Freistrahlen auf diese auf und wird dort verwirbelt. Auf der Wärmetauscherwand selber verteilt sich das Abgas sternförmig bzw. von dem Auftreffpunkt in umfangsseitiger Richtung. Das sternförmige Ausbreiten bzw. Verteilen ist im Rahmen der Erfindung als radialsymmetrisches Ausbreiten zu verstehen oder aber auch als radialasymmetrisch Ausbreiten. So wird bei dem radialasymmetrischen Ausbreiten in eine Richtung mehr Abgas sternförmig ausgebreitet als in eine andere Richtung. Ebenfalls ist im Rahmen der Erfindung unter einem sternförmigen Verteilen bzw. Ausbreiten auch ein radialsymmetrisch mittig versetztes Ausbreiten zu verstehen. Hierdurch wird beispielsweise eine begrenzende Wand eher erreicht, was unter Umständen für die Kühlleistung Relevanz hat, da an dieser Wand erhöhte Temperaturen auftreten. Hierdurch erfolgt ein besonders effizienter Wärmeübergang von dem auf die Wärmetauscherwand aufprallenden Abgas an bzw. in die Wärmetauscherwand, wodurch die Wärmetauscherleistung weiter gesteigert wird. Das Abgas selbst nutzt dabei den während des Gesamtabführvorganges des Abgas entstehenden Abgasgegendruck effektiv aus. Das in die Zuführkammer eingeführte Abgas durchläuft die Zuführkammer und tritt dabei und/oder am Ende der Zuführkammer in die Abführkammer über. Ermöglicht wird dies durch Öffnungen und/oder durch Trennbleche zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer. Das durch die Öffnungen der Trennwand und/oder der Lochbleche in die Abführkammer eingeströmte Abgas trifft zunächst auf die Wärmetauscherwand nahezu in einem rechten Winkel. Das Abgas prallt somit gegen die Wärmetauscherwand und verteilt sich von der Aufprallfläche aus sternförmig auf der Oberfläche der Wärmetauscherwand. Hierdurch erfolgt ein besonders effizienter Wärmeeintrag von der im Abgas enthaltenen Restwärme in die Wärmetauscherwand.In particular, this effect is assisted by the fact that the exhaust gas flowing into the discharge chamber strikes and / or bounces substantially perpendicularly onto the heat exchanger wall and can then be discharged through the discharge chamber. The exhaust gas impinging on the heat exchanger wall impinges on it in the form of free jets and is swirled there. On the heat exchanger wall itself, the exhaust gas is distributed in a star shape or from the point of impact in the circumferential direction. The star-shaped spreading or spreading is to be understood in the context of the invention as a radially symmetric spreading or as radially asymmetric spreading. Thus, in the radially asymmetric spreading in one direction more exhaust gas is spread in a star shape than in another direction. Likewise, in the context of the invention, a star-shaped distribution or spreading is also to be understood as a radially symmetrical, centrally offset spreading. As a result, for example, a limiting wall is achieved earlier, which may have relevance for the cooling performance, as increased temperatures occur on this wall. As a result, a particularly efficient heat transfer from the exhaust gas impinging on the heat exchanger wall to or into the heat exchanger wall, whereby the heat exchanger performance is further increased. The exhaust gas itself uses the resulting during the Gesamtabführvorganges the exhaust gas exhaust backpressure effectively. The introduced into the feed chamber exhaust gas passes through the feed chamber and enters thereby and / or at the end of the feed chamber in the discharge chamber. This is made possible by openings and / or by separating plates between the feed chamber and the discharge chamber. The exhaust gas which has flowed into the discharge chamber through the openings of the dividing wall and / or the perforated plates initially strikes the heat exchanger wall almost at a right angle. The exhaust gas thus bounces against the heat exchanger wall and is distributed in a star shape on the surface of the heat exchanger wall from the impact surface. This results in a particularly efficient heat input from the residual heat contained in the exhaust gas in the heat exchanger wall.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherwand ist ein Kühlkanal angeordnet, durch den ein Kühlmedium strömt. In der einfachsten Ausführungsvariante der aktuellen Erfindung kann somit das Abgas gekühlt werden und/oder das Kühlmedium geheizt werden. Beispielsweise wäre dies vorstellbar zur Kühlung des Abgases, insbesondere bei der Abgasrückführung oder aber zur schnelleren Aufheizung des Kühlkreislaufes, der wiederum dann Wärme an beispielsweise einen Ölkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine abgeben kann. Ebenfalls kann der Kühlkreislauf mit der aus dem Abgas entzogenen Wärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.On the opposite side of the heat exchanger wall, a cooling channel is arranged, through which a cooling medium flows. In the simplest embodiment of the current invention can thus the exhaust gas are cooled and / or the cooling medium are heated. For example, this would be conceivable for cooling the exhaust gas, in particular in the exhaust gas recirculation or for faster heating of the cooling circuit, which in turn can then give off heat to, for example, an oil circuit of an internal combustion engine. Likewise, the cooling circuit with the heat extracted from the exhaust gas can be used for heating the vehicle interior.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist an und/oder in der Wärmetauscherwand mindestens ein thermoelektrischer Generator angeordnet, der die Temperaturdifferenz mit Hilfe des Seebeck-Effektes in elektrische Energie umwandelt. Vorzugsweise ist der Kühlkanal an den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen.In a preferred embodiment, at least one thermoelectric generator is arranged on and / or in the heat exchanger wall, which converts the temperature difference by means of the Seebeck effect into electrical energy. Preferably, the cooling channel is connected to the cooling circuit of the internal combustion engine.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Wärmetauscherwand aus einem Trennblech ausgebildet und/oder zumindest bereichsweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet oder sind zumindest bereichsweise an der Wärmetauscherwand thermoelektrische Generatoren angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann die Wärmetauscherwand zwischen dem Heizkanal und dem Kühlkanal somit durch ein Trennblech ausgebildet sein, wobei das Trennblech ein Blech ist, welches besonders gute Wärmeleitfähigkeiten aufweist. Insbesondere handelt es sich dabei um ein metallisches Blech. Vorzugsweise sind an der Wärmetauscherwand in dem Kühlkanal und/oder dem Heizkanal, hier insbesondere in der Abführkammer, Wärmetauscherrippen angeordnet. Die Wärmetauscherrippen vergrößern die Oberfläche der Wärmetauscherwand und ermöglichen somit einen besseren Wärmeübergang von dem jeweiligen Medium, also dem Heizmedium und/oder dem Kühlmedium in die Wärmetauscherwand und somit an das jeweils gegenüberliegende Medium. Die Wärmetauscherwand kann im Rahmen der Erfindung auch als gekrümmtes und/oder gewölbtes Blech ausgebildet sein, so dass sich hierüber die Oberfläche vergrößert.In a particularly preferred embodiment, the heat exchanger wall is formed of a separating plate and / or at least partially formed as a thermoelectric generator or thermoelectric generators are at least partially disposed on the heat exchanger wall. In the context of the invention, the heat exchanger wall between the heating channel and the cooling channel can thus be formed by a separating plate, wherein the separating plate is a metal sheet, which has particularly good thermal conductivities. In particular, it is a metallic sheet. Preferably, heat exchanger fins are arranged on the heat exchanger wall in the cooling channel and / or the heating channel, here in particular in the discharge chamber. The heat exchanger fins increase the surface of the heat exchanger wall and thus allow better heat transfer from the respective medium, ie the heating medium and / or the cooling medium in the heat exchanger wall and thus to the respective opposite medium. The heat exchanger wall may be formed in the context of the invention as a curved and / or curved plate, so that increases over this the surface.
Weiterhin sind besonders bevorzugt thermoelektrische Generatoren an der Wärmetauscherwand gekoppelt oder aber die Wärmetauscherwand als thermoelektrischer Generator ausgebildet. Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist es somit möglich, dem Abgas stets eine effektive Wärmemenge zu entziehen, um somit eine entsprechende Temperaturdifferenz bereitzustellen und/oder aufrecht zu erhalten, die eine konstante Erzeugung von elektrischer Energie durch den Seebeck-Effekt realisiert. Die thermoelektrischen Generatoren sind bevorzugt auf der Kaltseite, also im Bereich des Kühlkanals, angeordnet, dass nicht in direktem Kontakt mit dem relativ viel zu heißen Abgas stehen. Auch wird somit vermieden, dass das hochkorrosive Anteile enthaltene Abgas sich schädlich auf die thermoelektrischen Generatorelemente auswirkt. Hierdurch wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der mit darin integrierten thermoelektrischen Generatoren eine hohe Lebensdauer aufweist.Furthermore, thermoelectric generators are particularly preferably coupled to the heat exchanger wall or the heat exchanger wall is designed as a thermoelectric generator. In connection with the heat exchanger according to the invention, it is thus possible always to extract an effective amount of heat from the exhaust gas in order thus to provide and / or maintain a corresponding temperature difference which realizes a constant generation of electrical energy by the Seebeck effect. The thermoelectric generators are preferably arranged on the cold side, that is to say in the region of the cooling channel, that are not in direct contact with the relatively excessively hot exhaust gas. It is thus also avoided that the highly corrosive fractions contained exhaust gas has a detrimental effect on the thermoelectric generator elements. As a result, a heat exchanger is provided which has a long service life with thermoelectric generators integrated therein.
Weiterhin bevorzugt ist das in die Abführkammer geströmte Abgas an einer Endseite der Abführkammer reflektierbar. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass das Abgas zunächst in die Zuführkammer, von der Zuführkammer über Öffnungen in die Abführkammer strömt und auf der Wärmetauscherwand aufprallt. An einer Endseite der Abführkammer wird das Abgas reflektiert, so dass es zentral durch eine Abführleitung, welche aus der Abführkammer in den weiteren Abgasstrang führt, geleitet wird. Durch die Reflektion erhöht sich wiederum der Abgasgegendruck nicht nachteilig, so dass Abgas entsprechend weiter abgeführt wird.Further preferably, the exhaust gas flowed into the discharge chamber is reflectable on one end side of the discharge chamber. This means in the context of the invention that the exhaust gas first flows into the feed chamber, from the feed chamber via openings in the discharge chamber and impinges on the heat exchanger wall. At one end side of the discharge chamber, the exhaust gas is reflected, so that it is centrally passed through a discharge line which leads from the discharge chamber into the further exhaust gas line. The reflection in turn does not adversely increase the exhaust backpressure so that exhaust gas is correspondingly removed further.
Im Rahmen der Erfindung sind bevorzugt zur weiteren Steigerung des Wärmeübergangs an der Wärmetauscherwand Einströmbereiche vorgesehen, wobei ein Einströmbereich dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Fläche auf der Wärmetauscherwand selbst abgrenzt. Bevorzugt ist ein Einströmbereich schalenartig ausgebildet, so dass er einen durch die Öffnung aus der Zuführkammer kommenden Freistrahl möglichst zentral aufnimmt sowie eine für die sich sternförmig von dem aufprallenden Freistrahl ausbreitenden Verwirbelungen unterstützende Geometrie aufweist.In the context of the invention, inflow regions are preferably provided for further increasing the heat transfer at the heat exchanger wall, wherein an inflow region is characterized in that it delimits an area on the heat exchanger wall itself. Preferably, an inflow region is designed like a shell so that it receives as centrally as possible a free jet coming through the opening from the feed chamber and has a geometry which supports the vortexes propagating in a star shape from the impinging free jet.
Weiterhin bevorzugt sind mehrere Einströmbereiche auf der Wärmetauscherwand vorgesehen, wobei bevorzugt immer ein Einströmbereich einer Öffnung zwischen Zuführkammer und Abführkammer gegenüberliegt. Die mehreren Einströmbereiche sind auf der Wärmetauscherwand selbst wiederum schachbrettartig oder aber wabenmusterartig angeordnet. Dies bedeutet, dass ein Einströmbereich entsprechend von mindestens einem, bevorzugt vier oder mehr Einströmbereichen benachbart ist.Further preferably, a plurality of inflow regions are provided on the heat exchanger wall, wherein preferably an inflow region always opposes an opening between the feed chamber and the discharge chamber. The several inflow regions are in turn arranged on the heat exchanger wall in a checkerboard or honeycomb pattern. This means that an inflow region is correspondingly adjacent to at least one, preferably four or more inflow regions.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz des Wärmeübergangs sind weiterhin zur gezielten Strömungsleitung Einströmstutzen an den Öffnungen vorgesehen, wobei die Einströmstutzen in Richtung des Einströmbereiches orientiert sind. Ein Einströmstutzen ist somit analog zu einem Einströmtrichter oder aber zu einem Diffusor ausgelegt, so dass er entsprechend die Strömungsleitung gezielt lenkt und/oder unterstützt. Der Einströmstutzen sorgt für eine gezielte Lenkung des Abgasstrahls auf die Wärmetauscherwand und fördert die von dem Abgasstrahl sich ausbreitenden Verwirbelungen.To further increase the efficiency of the heat transfer Einströmstutzen are further provided at the openings for targeted flow line, wherein the inflow are oriented in the direction of the inflow. An inflow is thus analogous to an inflow funnel or designed to a diffuser, so that it directs the flow line targeted and / or supported. The inflow nozzle ensures a targeted steering of the exhaust gas jet on the heat exchanger wall and promotes the turbulence propagating from the exhaust gas jet.
Weiterhin bevorzugt sind in Strömungsrichtung der Zuführkammer mindestens zwei Öffnungen und/oder Einströmstutzen und/oder Einströmbereiche nacheinander kaskadiert angeordnet. Im Rahmen der Erfindung bedeutet dies, dass über den parallelen Verlauf zwischen Zuführkammer und Abführkammer in Abgasströmungsrichtung mehrere Öffnungen und/oder Einströmstutzen und/oder Einströmbereiche aufeinander folgend bzw. nachfolgend oder aber kaskadiert angeordnet sind. Durch die Öffnung in der Zuführkammer, die in Strömungsrichtung zuerst von dem Abgas erreicht wird, strömt somit ein erster Teil des Abgases von der Zuführkammer in die Abführkammer. Durch die Öffnung, die in Strömungsrichtung nachfolgend, also als mindestens zweites erreicht wird, strömt entsprechend ein weiterer Teil des Abgases in die Abführkammer. Dies kann sich beliebig fortsetzen, so dass 10, 20 oder gar 50 Öffnungen nacheinander zwischen Zuführkammer und Abführkammer in Abgasströmungsrichtung angeordnet sind.Furthermore, at least two openings and / or inflow nozzles and / or are preferred in the flow direction of the feed chamber Inflow areas arranged in succession cascaded. In the context of the invention, this means that a plurality of openings and / or inflow nozzles and / or inflow regions are arranged consecutively or subsequently or else cascaded over the parallel course between the feed chamber and the discharge chamber in the exhaust gas flow direction. Thus, through the opening in the supply chamber, which is first reached by the exhaust gas in the flow direction, a first part of the exhaust gas flows from the supply chamber into the discharge chamber. Through the opening, which is subsequently achieved in the flow direction, that is, as at least second flows according to another part of the exhaust gas into the discharge chamber. This can continue indefinitely, so that 10, 20 or even 50 openings are arranged successively between the feed chamber and the discharge chamber in the exhaust gas flow direction.
In der Abführkammer ergibt sich ein hierzu inverser Aufbau, so dass das Abgas, welches als erstes in Abgasströmungsrichtung von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt, als letztes von der Abführkammer dem weiteren Abgasstrang zugeführt wird. Folglich ist der Aufbau so zu sehen, dass der Teil des Abgases, der als letztes von der Zuführkammer in die Abführkammer überführt wird, entsprechend als erstes dem weiteren Abgasstrang zugeführt wird.In the discharge chamber, this results in an inverse construction, so that the exhaust gas, which first flows in the exhaust gas flow direction from the feed chamber into the discharge chamber, is fed last from the discharge chamber to the further exhaust gas line. Consequently, the structure is to be seen so that the part of the exhaust gas, which is the last transferred from the feed chamber into the discharge chamber, is supplied according to the first further exhaust line.
Der Aufbau ist jedoch auch derart vorstellbar, dass er dem Gegenstromprinzip gleicht, so dass die Zuführung zur Zuführkammer und die Abführung aus der Abführkammer entsprechend parallel von einer Seite in den Heizkanal einströmen. Entsprechend würde der Teil des Abgases, der durch die in Abgasströmungsrichtung erste Öffnung von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt aus der Abführkammer auch als erster Teil wieder abgeführt wird. Das Abgas in der Abführkammer, insbesondere in den Einströmbereichen, strömt somit zusammen und summiert sich und wird entsprechend von der Abführkammer in den weiteren Abgasstrang abgeleitet.However, the structure is also conceivable that it is similar to the countercurrent principle, so that the supply to the feed chamber and the discharge from the discharge chamber according to flow in parallel from one side into the heating channel. Accordingly, the part of the exhaust gas flowing through the first opening in the exhaust gas flow direction from the supply chamber into the discharge chamber would also be discharged from the discharge chamber as the first part again. The exhaust gas in the discharge chamber, in particular in the inflow regions, thus flows together and adds up and is accordingly discharged from the discharge chamber into the further exhaust gas line.
Zwischen den Einströmbreichen sind bevorzugt Trennstege angeordnet, wobei die Trennstege die Einströmbereiche voneinander abgrenzen. Die Abgrenzung der Einströmbereiche untereinander durch Trennstege stellt eine besonders kostengünstige Alternative dar, wobei die Trennstege entsprechend der gewollten Verwirbelungen geometrisch ausgebildet sein können, so dass sie sich zusätzlich unterstützend für eine Steigerung des Wärmeübergangs auswirken. Ebenfalls erfolgt durch die Trennstege eine Vergrößerung der Oberfläche der Wärmetauscherwand, so dass auch hierdurch ein vermehrter Wärmeübergang begünstigt wird.Separating webs are preferably arranged between the inflow passages, wherein the dividing webs delimit the inflow regions from one another. The delimitation of the inflow between each other by dividers is a particularly cost-effective alternative, wherein the dividers can be designed geometrically according to the desired turbulence, so that they additionally supportive for an increase in the heat transfer effect. Likewise, an enlargement of the surface of the heat exchanger wall takes place through the separating webs, so that an increased heat transfer is also promoted thereby.
Weiterhin besonders bevorzugt sind die Trennstege derart in der Abführkammer ausgebildet, dass sie die Einströmungsstützen in Strömungsrichtung hinterschneiden, so dass die Einströmstutzen in den Einströmbereich hineinragen. Hierdurch wird sichergestellt, dass das durch den Einströmstutzen in den Einströmbereich strömende Abgas sich entsprechend verwirbelt und dann durch den umlaufenden Spalt, der zwischen den Trennstegen bzw. dem Einströmbereich und dem Einströmstutzen entsteht, in der Abführkammer abgeführt wird und nicht in die Zuführkammer zurückströmt.Further particularly preferably, the separating webs are formed in the discharge chamber such that they undercut the inflow supports in the flow direction, so that the inflow nozzles project into the inflow region. This ensures that the exhaust gas flowing through the inflow port into the inflow region swirls correspondingly and then is discharged through the circumferential gap, which arises between the divider webs or the inflow region and the inflow port, in the discharge chamber and does not flow back into the supply chamber.
Weiterhin bevorzugt sind die thermoelektrischen Generatoren mit Flüssigmetall an die Wärmetauscherwand gekoppelt. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Wärmetauscherwand und thermoelektrischem Generator. Das Flüssigmetall ermöglicht weiterhin bereits während der Koppelung den Ausgleich von eventuellen geometrischen Produktionsschwankungen, so dass eine vollflächige Anlage zwischen thermoelektrischem Generatorelement und Wärmetauscherwand gegeben ist.Further preferably, the thermoelectric generators are coupled with liquid metal to the heat exchanger wall. This results in a particularly good thermal conductivity between the heat exchanger wall and thermoelectric generator. The liquid metal allows the compensation of possible geometric production fluctuations even during the coupling, so that a full-surface system between thermoelectric generator element and heat exchanger wall is given.
Im Rahmen der Erfindung wird insbesondere zur Ausnutzung eines optimalen Prallflächeneffekts zur Kühlung eine gepulste Strömung ausgenutzt. Durch eine gepulste Strömung ist es mit der Prallflächenkühlung möglich, eine Effizienzsteigerung von bis zu 20% vorzunehmen. Die pulsieirenden Prallstrahlen erhöhen dabei die Kühleffektivität gegenüber einer stationären Vergleichskonfiguration.In the context of the invention, a pulsed flow is utilized in particular for the purpose of exploiting an optimum impact surface effect for cooling. Pulsed flow allows baffled cooling to increase efficiency by up to 20%. The pulsieirenden impact rays thereby increase the cooling efficiency compared to a stationary comparison configuration.
Insbesondere im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine herrscht eine pulsierende Gasströmung. Diese hängt zum einen ab von dem jeweiligen Betriebspunkt, in dem sich die Verbrennungskraftmaschine gerade befindet, zum anderen ist sie jedoch auch grundlegend abhängig von der Zylinderanzahl. Ein 4-Zylinder-Motor hat beispielsweise eine andere Druckpulsation im Abgasstrang als ein 6-Zylinder-Motor. Ebenfalls ist die Druckpulsation durch verschiedene Krümmerbauteile auch bei Motoren mit gleicher Zylinderanzahl voneinander verschieden.In particular, in the exhaust gas tract of an internal combustion engine there is a pulsating gas flow. This depends on the one from the respective operating point in which the internal combustion engine is currently located, on the other hand, however, it is also fundamentally dependent on the number of cylinders. For example, a 4-cylinder engine has a different pressure pulsation in the exhaust line than a 6-cylinder engine. Likewise, the pressure pulsation is different from each other by different manifold components even for engines with the same number of cylinders.
Im Rahmen der Erfindung bietet es sich daher an, die im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs herrschende Druckpulsation des Abgases zur Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Prallflächenwärmetauschers zu nutzen. So wird der Prallflächenwärmetauscher bevorzugt für die zu erwartenden Druckpulsationen derart ausgelegt, dass sich gegenüber einer stationären Strömung und/oder einer konventionellen Dimensionierung eine weitere Effizienzsteigerung und Ausnutzung des Druckpulsationseffekts ergibt. Maßgeblich wird die Geometrie der Zuführkammer und/oder Abführkammer des Wärmetauschers derart ausgelegt und/oder dimensioniert, dass sie an eine Druckpulsationsfrequenz des Abgases, insbesondere für ein Betriebspunktspektrum, optimal angepasst sind.In the context of the invention, it therefore makes sense to use the pressure pulsation of the exhaust gas prevailing in the exhaust gas system of a motor vehicle to increase the efficiency of the baffled surface heat exchanger according to the invention. Thus, the baffled heat exchanger is preferably designed for the expected pressure pulsations such that compared to a stationary flow and / or a conventional dimensioning results in a further increase in efficiency and utilization of Druckpulsationseffekts. Significantly, the geometry of the feed chamber and / or discharge chamber of the heat exchanger is designed and / or dimensioned such that they are optimally adapted to a pressure pulsation frequency of the exhaust gas, in particular for an operating point spectrum.
Die herrschende Druckpulsation ist jedoch auch abhängig von dem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine. Maßgeblich sind hierfür die Faktoren Drehzahl und Last. Im Rahmen der Erfindung ist es daher vorstellbar, einen Hauptbetriebspunktebereich festzulegen, in dem die Verbrennungskraftmaschine mit hoher oder höchster Wahrscheinlichkeit überwiegend betrieben wird. Bei stationären Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise zur Stromgeneration, ist es darüber hinaus möglich, einen Betriebspunkt festzulegen. However, the prevailing pressure pulsation is also dependent on the respective operating point of the internal combustion engine. Decisive for this are the factors speed and load. In the context of the invention, it is therefore conceivable to define a main operating point range in which the internal combustion engine is predominantly operated with high or highest probability. In stationary internal combustion engines, for example, the power generation, it is also possible to set an operating point.
Maßgebliche Frequenzen zur pulsierenden Anströmung sind vorzugsweise 0 Hz bis 200 Hz bei 4-Zylinder-Motoren in einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min. 0 Hz bis 300 Hz bei 6-Zylinder-Motoren, ebenfalls in einem Drehzahlspektrum von ungefähr 6.000 U/min. Bevorzugt 0 Hz bis 400 Hz bei 8-Zylinder-Motoren bei einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min und ebenfalls bevorzugt 0 Hz bis 600 Hz bei 12-Zylinder-Motoren bei einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min.Relevant frequencies for pulsating flow are preferably 0 Hz to 200 Hz in 4-cylinder engines in a speed range of about 6,000 U / min. 0 Hz to 300 Hz for 6-cylinder engines, also in a speed range of about 6,000 rpm. Preferably 0 Hz to 400 Hz in 8-cylinder engines at a speed of about 6,000 rev / min and also preferably 0 Hz to 600 Hz in 12-cylinder engines at a speed of about 6,000 rev / min.
Die Abgaszufuhr erfolgt dabei aufgrund der Drehzahl/Zündzeitpunkt Kombination pulsierend unter Variation der Parameter Frequenz und Druck. Hierdurch können durch die Pulsation hervorgerufene Wirbelstrukturen im Bereich der Prallflächen erzeugt, kontrolliert und gezielt genutzt werden.The exhaust gas is supplied due to the speed / ignition timing combination pulsating with variation of the parameters frequency and pressure. As a result, caused by the pulsation vortex structures can be generated in the baffles, controlled and used targeted.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, das Trennblech selber oder aber auch ein zusätzliches Lochblech anzuordnen, mit dem dann entsprechend der Volumenstrom bzw. der Massendurchsatz des Abgases von Zuführkammer zu Abführkammer regelbar ist. Durch gezieltes Verschieben des zusätzlichen Lochblechs zu dem Trennblech ist es somit möglich, die Öffnungsquerschnitte zwischen der Zuführkammer und der Abfürhkammer zu verändern, so dass mehr oder weniger Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer übertritt. Hierdurch ergibt sich eine Regelungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher.In the context of the invention, it is also possible to arrange the separating plate itself or else an additional perforated plate, with which then the volume flow or the mass flow rate of the exhaust gas from feed chamber to discharge chamber can be regulated accordingly. By deliberately moving the additional perforated plate to the separating plate, it is thus possible to change the opening cross-sections between the feed chamber and the discharge chamber, so that more or less of the exhaust gas from the feed chamber into the discharge chamber. This results in a control option for the exhaust gas heat exchanger according to the invention.
Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, durch Verstellen des Trennblechs selber oder aber des zusätzlichen Lochblechs zu dem Trennblech den Auftreffpunkt der Freistrahlen des Abgasstrahls auf den Aufprallpunkt auf der Wärmetauscherwand selber in ihrer Position zu beeinflussen. So kann beispielsweise der Freistrahl in einem Zentrum eines Einströmbereichs auftreffen oder aber auch dezentralisiert in dem Einströmbereich, beispielsweise nahe eines Trennstegs. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, durch Verschiebung des zusätzlichen Lochblechs oder aber des Trennblechs oder aber durch zusätzliche Anordnung von Leitelementen, beispielsweise Strömungsleitfinnen, die Freistrahlen nicht senkrecht auf die Wärmetauscherwand auftreffen zu lassen, sondern in einem Winkel dazu.It is also possible within the scope of the invention to influence the impact point of the free jets of the exhaust gas jet on the impact point on the heat exchanger wall itself in their position by adjusting the separating plate itself or the additional perforated plate to the separating plate. Thus, for example, the free jet can impinge in a center of an inflow region or else decentralized in the inflow region, for example near a divider. It is also conceivable within the scope of the invention, by displacement of the additional perforated plate or the separating plate or by additional arrangement of guide elements, such as Strömungsleitfinnen, the free rays do not impinge perpendicular to the heat exchanger wall, but at an angle to it.
Die zuvor genannten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar, mit den sich damit ergebenden Vorteilen. Der Rahmen der Erfindung wird hierdurch nicht verlassen.The aforementioned features can be combined with each other within the scope of the invention, with the resulting advantages. The scope of the invention is not thereby abandoned.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:Further advantages, features, characteristics and aspects of the present invention will become apparent from the following description. Preferred embodiments are shown in the schematic figures. These are for easy understanding of the invention. Show it:
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.In the figures, the same reference numerals are used for the same or similar components, even if a repeated description is omitted for reasons of simplicity.
Erfindungsgemäß ist der Heizkanal
Nach dem Durchtritt des Abgases
Im Unterschied zu dem Wärmetauscher
Weiterhin weist der Heizkanal
Der Einströmbereich
In
Weiterhin dargestellt ist ein Lochblech
Der Einströmbereich
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wärmetauscherheat exchangers
- 22
- Heizkanalheating duct
- 33
- Kühlkanalcooling channel
- 44
- Wärmetauscherwandheat exchanger wall
- 55
- thermoelektrischer Generatorthermoelectric generator
- 66
- Kühlmediumcooling medium
- 77
- Zuführkammerfeeding chamber
- 88th
- Abführkammerdischarge chamber
- 99
- Abgasexhaust
- 1010
- Eintrittsbereichentry area
- 1111
- AbgasströmungsrichtungExhaust gas flow direction
- 1212
-
Ende zu
7 End to7 - 1313
- Öffnungenopenings
- 1414
- TrennblechDivider
- 1515
- Freistrahlenfree jets
- 1616
- Aufprallpunktpoint of impact
- 1717
-
Innenraum zu
8 Interior too8th - 1818
-
Ende zu
8 End to8th - 1919
- Austrittskanaloutlet channel
- 2020
- EinströmstutzenEinströmstutzen
- 2121
- Einströmbereichinflow
- 2222
- StegeStege
- 2323
- Lochblechperforated sheet
- 2424
- LochblechöffnungenPerforated plate openings
- 2525
- translatorische Bewegungtranslational movement
- ΔT.DELTA.T
- Temperaturdifferenztemperature difference
- DD
- Drehbewegungrotary motion
- αα
- Aufprallwinkelangle of impact
- ββ
-
Winkel zu
13 Angle to13
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-
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