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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Abgaswärmetauscher bekannt, um das Abgas zu einer Abgasnachbehandlungseinheit mit einer niedrigeren Temperatur zu überführen oder aber das Abgas herunterzukühlen, um es erneut dem Verbrennungsprozess über eine Abgasrückführung zuzuführen. Dabei wird das Abgas von einer Temperatur von mehreren Hundert Grad Celsius, insbesondere mehr als 500 °C, bevorzugt insbesondere mehr als 600 °C und ganz besonders bevorzugt von mehr als 700 °C um bis zu mehr als 100 °C abgekühlt.
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Dabei wirken sich zum einen die hohen Temperaturen, zum anderen aber auch die hochkorrosiven Eigenschaften negativ auf den Wärmetauscher aus.
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Zudem sind insbesondere für Abgaswärmetauscher zur Abgasrückführung nur beschränkte Bauraumverhältnisse vorhanden, so dass insgesamt wenig Wegfläche für das durch den Abgaswärmetauscher strömende Abgas zur Verfügung gestellt, um entsprechend gekühlt zu werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, einen Abgaswärmetauscher bereit zu stellen, der bei gleich bleibenden oder aber verringerten geometrischen äußeren Abmessungen eine verbesserte Kühleigenschaft für das durchströmende Abgas besitzt.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug weist eine äußere Hülle auf, wobei in der äußeren Hülle Wärmetauscherrohre, insbesondere als Bündel von Wärmetauscherrohren, angeordnet sind und durch die Wärmetauscherrohre ein Abgas strömt und ist dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig und/oder ausgangsseitig an der Hülle ein Diffusor angeordnet ist, wobei der Diffusor außenseitig von einer Kühlmittelleitung umgeben ist, so dass der Diffusor von der Kühlmittelleitung kühlbar ist. Im Rahmen der Erfindung kann der Wärmetauscher auch als Lamellenwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher ausgebildet sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es somit zunächst möglich, eine effizientere Durchströmung des Abgases durch den Abgaswärmetauscher aufgrund des Diffusors zu ermöglichen. Hierdurch ist es möglich, aufgrund der jeweiligen Wahl eines strömungsoptimierenden Diffusors einen größeren Volumenstrom durch den Abgaswärmetauscher zu führen und den durch den Abgaswärmetauscher auf den Abgasstrom aufgebrachten Gegendruck bei erhöhter Wärmetauscherleistung annähernd gleich zu halten.
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Ferner ist es besonders vorteilig an der vorliegenden Erfindung, dass der Diffusor auch an seiner Außenmantelfläche von einem Kühlmedium umströmt wird, so dass das durch den Diffusor strömende Abgas bereits im Diffusor selbst gekühlt wird. Hierbei ergibt sich weiterhin der Vorteil, dass für die Werkstoffwahl und/oder geometrische Ausgestaltung des Diffusors eine geringere thermische Beeinflussung desselben stattfindet. Mithin ist es nicht notwendig, hochtemperaturresistente Werkstoffe einzusetzen, die auch kostenintensiv sind. Es kann vielmehr auf herkömmliche und handelsübliche Werkstoffe zur Herstellung von Abgas führenden Bauteilen im Kraftfahrzeugbereich zurückgegriffen werden. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Kühlmittelleitung insbesondere um die Kühlmittelleitung des durch den Abgaswärmetauscher zu führenden Kühlmediums.
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Hierdurch wird es insgesamt erfindungsgemäß ermöglicht, bei gleich bleibendem Bauraum die Wärmetauscherleistung mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher deutlich zu erhöhen und die Produktionskosten, trotz des Mehraufwands, gering zu halten. Für die einzelnen Bauteilkomponenten werden bevorzugt austenitische oder ferritische Edelstahlsorten verwendet. Bevorzugt werden diese miteinander verlötet oder verschweißt.
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Weiterhin ist besonders bevorzugt an der Hülle ein Diffusor an der Abgaseintrittsseite in die Hülle angeordnet oder aber ein Diffusor an der Abgasaustrittsseite aus der Hülle angeordnet. Mithin strömt zunächst das Abgas von einem Abgasstrang kommend durch den Diffusor an der Abgaseintrittsseite und wird sodann in die Hülle bzw. durch die Wärmetauscherrohre in der Hülle geleitet. Auf der gegenüberliegenden Seite ist es dann optional oder aber ergänzend möglich, nachdem das Abgas durch die Wärmetauscherrohre geleitet wurde, dieses wiederum durch einen Diffusor zu leiten, wobei es dann aus der Hülle austretend ist.
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Insbesondere ist der Diffusor auf der Austrittsseite des Abgaswärmetauschers durch einen Einströmtrichter ausgebildet, wobei zentrisch in dem Einströmtrichter ein Flansch zur Koppelung mit einem Abgasstrang angeordnet ist. Der Einströmtrichter weist zunächst ein sich verjüngendes Querschnittsprofil auf, das ein zentrales Austrittsloch aufweist. Mithin wird das Abgas, welches durch die Wärmetauscherrohre geströmt ist, durch den Einströmtrichter zentrisch gesammelt und sodann durch die Austrittsöffnung in den Flansch und mithin in den nachfolgenden Abgasstrang eintretend geleitet. Der Flansch selbst vergrößert seinen Querschnitt von der Austrittsöffnung sprungartig auf nahezu die doppelte Querschnittsfläche, wodurch die Diffusorwirkung auf der Abgasaustrittsseite erzeugt wird.
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Der Einströmtrichter ist erfindungsgemäß als einschaliges Blechbauteil ausgebildet, wobei der Einströmtrichter von einem einschaligen Deckelbauteil überlappt wird und zwischen Einströmtrichter und Deckelbauteil ein Kühlkanal ausgebildet ist. Durch den Kühlkanal ist es somit möglich, ein Kühlmittel zu leiten. Das durch den Kühlkanal fließende Kühlmittel kühlt somit das an dem Einströmtrichter und/oder an dem Flansch strömende Abgas. Bei dem Kühlkanal selbst handelt es sich insbesondere um einen Kühlmittelkanal zur Durchführung des Kühlmediums, welches auch innerhalb des Abgaswärmetauschers zur Kühlung des durch den Abgaswärmetauscher strömenden Abgases genutzt wird.
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Das Deckelbauteil bildet dann den stirnseitigen Abschluss des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers, wobei zwischen dem Deckelbauteil und dem Einströmtrichter und/oder dem Flansch der Kühlkanal ausgebildet ist.
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Hierzu ist es insbesondere erfindungsgemäß als wesentlich vorteilig anzusehen, wenn die Außenmantelfläche des Einströmtrichters nahezu vollständig von dem Kühlkanal selbst abgedeckt ist. Erfindungsgemäß sind insbesondere mehr als 90 % der Außenmantelfläche, bevorzugt mehr als 95 % der Außenmantelfläche des Einströmtrichters von dem Kühlkanal abgedeckt. Dies bedeutet, dass die Innenmantelfläche des Kühlkanals gleichsam die Außenmantelfläche des Einströmtrichters ist. Somit wird sichergestellt, dass zum einen durch den Einströmtrichter selbst, zum anderen durch den nachgeschalteten Flansch zunächst eine verlangsamte Stauung des strömenden Abgases erzeugt wird und somit das Abgas an dem Einströmtrichter einen entsprechenden Wärmeübertrag in das Kühlmittel erfährt.
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Weiterhin bevorzugt ist der Abgaswärmetauscher selbst im Querschnitt rechteckig oder rund konfiguriert, wobei der Kühlkanal sich endseitig bevorzugt über den gesamten Abgaswärmetauscher selbst erstreckt und das Kühlmedium an einer Unterseite in den Kühlkanal einströmt, durch den Kühlkanal strömt und an einer Oberseite aus dem Kühlkanal in die Hülle übergeleitet wird, so dass das Kühlmedium den Diffusor selbst, insbesondere den Einströmtrichter, im Wesentlichen im Kreuzstrom außenseitig überströmt. Hierzu tritt dann weiterhin insbesondere das Kühlmedium auf einer Außenmantelfläche der Hülle radial in die Hülle selbst ein. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht somit eine Maximierung der geometrisch vorhandenen Oberfläche zur Durchleitung des Kühlmediums bzw. zum Überströmen des Kühlmediums der Außenmantelfläche des Einströmtrichters.
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Der vorbeschriebene Kühlmittelweg von Unterseite zu Oberseite ist im Rahmen der Erfindung auch umkehrbar und somit von Oberseite zu Unterseite durchführbar. Als wesentlicher Vorteil ist es jedoch zu sehen, wenn sich der Kühlmittelstrom entlang der längeren Seite des rechteckförmigen Querschnitts erstreckt. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass der Kühlmittelstrom selbst entlang der kürzeren Seite des Rechtecks erfolgt.
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Weiterhin bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung auch das Deckelbauteil selbst als einschaliges Blechbauteil ausgebildet, wobei das Deckelbauteil und/oder der Einströmtrichter und/oder die Hülle stoffschlüssig miteinander gekoppelt sind. Hierdurch ist es möglich, alle Bauteile als einschaliges Blechbauteil, insbesondere als Umformbauteile und/oder Tiefziehbauteile herzustellen, anschließend formschlüssig zueinander zu positionieren und durch den stoffschlüssigen Verbund eine fluiddichte Koppelung herzustellen. Hierdurch sinken insbesondere die Produktionskosten gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Gussbauteilen. Im Rahmen der Erfindung ist unter stoffschlüssigem Koppeln insbesondere ein Verlöten zu verstehen. Die einzelnen Bauteile können jedoch auch im Rahmen der Erfindung miteinander verschweißt werden. Entsprechende Bauteile werden insbesondere unter Eingliederung des zuvor beschriebenen Flansches miteinander gekoppelt.
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Zur weiteren Effizienzsteigerung des Wärmeübergangs ist es ferner möglich, dass auf der Außenmantelfläche des Einströmtrichters Wärmetauscherrippen angeordnet sind, um die für den Wärmeübergang zur Verfügung stehende Oberfläche weiter zu vergrößern.
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Zuvor beschrieben ist der Abgaswärmetauscher insbesondere auf der Abgasaustrittsseite mit einem entsprechenden Einströmtrichter. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch vorstellbar und möglich, dass auf der Abgaseintrittsseite ein entsprechender Diffusor angeordnet wird. Insbesondere ist dieser derart ausgebildet, dass er von einer Abgasleitung kommend als Ausströmtrichter vorgesehen ist, wobei der Ausströmtrichter dann mit der Hülle gekoppelt ist. Entsprechend vorbeschriebene Vorteile kommen dabei analog zur Anwendung.
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Im Rahmen der Erfindung tritt dann zunächst das Kühlmittel von der Abgasaustrittsseite kommend und durch den Diffusor an der Abgasaustrittsseite strömend in die Hülle ein und umströmt die Wärmetauscherrohre außenseitig. Der Abgaswärmetauscher arbeitet dann in der Hülle, die Wärmetauscherrohre umgebend, nach dem Gegenstromprinzip. An der Abgaseintrittsseite ist es dann möglich, dass das Kühlmedium, bevor es endgültig aus dem Wärmetauscher wieder austritt, zunächst durch den Diffusor an der Abgaseintrittsseite zu strömen, um hier ebenfalls die Wärmetauscherleistung zu erhöhen. Ein umgekehrter Strom des Kühlmediums, mithin von Eintrittsseite zur Austrittsseite, ist im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht für einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher in Seitenansicht und
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2 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in Draufsicht.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher 1 in einer Längsschnittansicht in Seitenansicht. Der Abgaswärmetauscher 1 weist dazu eine diesen außen umgebende Hülle 2 auf, wobei in der Hülle 2 jeweils Abgaswärmetauscherrohre 3 in Form eines Rohrbündels angeordnet sind. Die Rohre 3 selbst werden von einer Stirnplatte 4, auch bekannt als Rohrboden, in der Hülle 2 selbst fixiert. Die Enden der Wärmetauscherrohre 3 sind mit der Stirnplatte 4 fluiddicht, insbesondere stoffschlüssig, gekoppelt. Ein durch die Wärmetauscherrohre 3 selbst strömendes Abgas A wird durch ein durch den Kühlmittelraum 5 strömendes Kühlmedium K im Gegenstromprinzip gekühlt.
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An der Abgasaustrittsseite 6 wird das aus den Wärmetauscherrohren 3 kommende Abgas A zunächst durch einen Einströmtrichter 7 gesammelt und sodann durch einen Flansch 8 in einen nicht näher dargestellten Abgasstrang überführt. Der Einströmtrichter 7 und der Flansch 8 bilden somit einen Diffusor an der Abgasaustrittsseite 6 aus. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass ein Kühlkanal 9 außenseitig zumindest den Einströmtrichter 7 umgibt und das Kühlmedium K zunächst durch den Kühlkanal 9 geleitet wird und hierdurch an der Außenmantelfläche 10 des Einströmtrichters 7 ein Wärmeübergang Q . von dem in dem Einströmtrichter 7 befindlichen Abgas A an das Kühlmedium K erfolgt. Das Kühlmedium K durchströmt den Abgaswärmetauscher 1 dabei von einer Unterseite 11 her über eine Kühlmittelleitung 12 kommend zu einer Oberseite 13 und tritt dann, an der Oberseite 13 die Hülle 2 außen umgreifend, radial in die Mantelfläche 14 der Hülle 2 in den Kühlmittelraum 5 ein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die einzelnen Bauteile jeweils als Schalenbauteile, insbesondere aus einem Blech, ganz besonders bevorzugt aus einem metallischen Blech, ausgebildet sind und dann an verschiedenen Koppelpunkten 15 miteinander fluiddicht, insbesondere stoffschlüssig, gekoppelt sind. So wird die Hülle 2 zunächst von dem Einströmtrichter 7 außenseitig überlappt und sodann wird der Einströmtrichter 7 selbst von einem Deckelbauteil 16 außenseitig überlappt. Die einzelnen Bauteile sind dann untereinander mit stoffschlüssiger und/oder formschlüssiger Koppelung gekoppelt.
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2 zeigt den Längsschnitt in einer Draufsicht, wobei hier noch einmal der Kühlkanal 9 zu erkennen ist, der den Einströmtrichter 7, insbesondere die Außenmantelfläche 10 des Einströmtrichters 7, außenseitig umfasst, so dass ein Großteil der Außenmantelfläche 10 des Einströmtrichters 7 von dem Kühlkanal 9 umfasst ist. Insbesondere der Flansch 8 weitet seinen Innendurchmesser an einer Durchtrittsstelle DD zu einem Flanschdurchmesser DF sprungartig auf. Der Flanschdurchmesser DF entspricht dabei ca. 1,5 bis 2 Mal dem Durchtrittsdurchmesser DD.
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2 zeigt eine Ansicht von oben, so dass sich hinter dem Flansch 8 in Richtung zu der Unterseite hin der Kühlmittelkanal 12 zur Durchführung des Kühlmittels befindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgaswärmetauscher
- 2
- Hülle
- 3
- Wärmetauscherrohr
- 4
- Stirnplatte
- 5
- Kühlmittelraum
- 6
- Abgasaustrittsseite
- 7
- Einströmtrichter
- 8
- Flansch
- 9
- Kühlkanal
- 10
- Außenmantelfläche zu 7
- 11
- Unterseite
- 12
- Kühlmittelleitung
- 13
- Oberseite
- 14
- Mantelfläche zu 2
- 15
- Koppelpunkt
- 16
- Deckelbauteil
- K
- Kühlmedium
- A
- Abgas
- DD
- Durchmesser Durchtrittsöffnung
- DF
- Durchmesser Flansch
- Q .
- Wärmeübergang
