DE102014105804B4

DE102014105804B4 - Abgaswärmetauscher, Krümmeranordnung und Abgasanlage

Info

Publication number: DE102014105804B4
Application number: DE102014105804.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Geminn; Andreas Steigert
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: WO2015161942A1; DE102014105804A1

Abstract

Abgaswärmetauscher (1) für eine Brennkraftmaschine (5) mit mindestens einem ersten Abgaskanal (3), der eine Kanalhauptachse K aufweist, und mit einer Wärmetauscherkammer (2) für ein Wärmetauschermedium, wobei mindestens ein erster Abgaskanal (3) zumindest teilweise von der Wärmetauscherkammer (2) umgeben und mindestens ein erster Abgaskanal (3) mit Wärmetauschermedium zumindest teilweise umspülbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Bezug zu einer Richtung R radial zur Kanalhauptachse K nach der Wärmetauscherkammer (2) mindestens ein zweiter Abgaskanal (4) vorgesehen ist, der mit der Wärmetauscherkammer (2) unmittelbar in Wirkkontakt steht, wobeia) die Wärmetauscherkammer (2) von dem zweiten Abgaskanal (4) in einer Umfangsrichtung U zur Kanalhauptachse K umgeben und die Wärmetauscherkammer (2) mit Abgas des zweiten Abgaskanals (4) umspülbar ist und zumindest ein Abgaskanal (3, 4) als Sammelabgaskanal ausgebildet ist und der erste Abgaskanal (3) und/oder der zweite Abgaskanal (4) als Krümmerrohr ausgebildet ist oder Teil eines Krümmers ist und der Krümmer mindestens zweiflutig ausgebildet ist oderb) in eine Richtung S rechtwinklig zur Richtung R und rechtwinklig zur Kanalhauptachse K sowohl die Wärmetauscherkammer (2) als auch zumindest ein Abgaskanal (3, 4) ein Außenwandteil (2a, 3a, 4a) aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaswärmetauscher für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem ersten Abgaskanal, der eine Kanalhauptachse K aufweist, oder mit mehreren ersten Abgaskanälen, die jeweils eine Kanalhauptachse K aufweisen, und mit einer Wärmetauscherkammer für ein Wärmetauschermedium, wobei mindestens ein erster Abgaskanal zumindest teilweise von der Wärmetauscherkammer umgeben und mindestens ein erster Abgaskanal mit Wärmetauschermedium zumindest teilweise umspülbar ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Krümmeranordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaswärmetauscher sowie auf eine Abgasanlage mit einem Abgaswärmetauscher.
Es sind bereits Abgaswärmetauscher für einen Abgaskanal mit einer Wärmetauscherkammer für ein Wärmetauschermedium aus der DE 43 24 458 A1 oder WO 2011/045659 A1 bekannt. Hierbei ist die Wärmetauscherkammerwand um den Abgaskanal bzw. die Abgaskanäle herum angeordnet bzw. der Abgaskanal mit der Wärmetauscherkammerwand gekapselt, so dass zwischen dem Abgaskanal und der Wärmetauscherkammerwand ein Spalt bzw. Hohlraum gebildet ist, der mit Wärmetauschermedium beaufschlagbar ist.
Der jeweilige Abgaskanal bzw. das jeweilige Teilstück des Abgaskanals weist eine Kanalhauptachse K auf, die im Betrieb mit einer Hauptströmungsachse des Abgases zusammenfällt. Mit Bezug auf eine Richtung R radial zur Kanalhauptachse K bildet die Wärmetauscherkammerwand die äußere Hülle der Anordnung. Die Wärmetauscherkammerwand liegt also frei.
Die DE 31 14 404 A1 zeigt einen Wärmeübertrager, der nach außen ebenfalls begrenzt ist durch einen zylindrischen Kühlwassermantel, dessen Innenwand mit Abgas beaufschlagt wird. Zudem ist innerhalb des Kühlwassermantels ein Wärmetauscher für einen Heizwasserkreislauf vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgaswärmetauscher derart auszubilden und anzuordnen, dass eine effiziente Abgaskühlung trotz geringer Baugröße erreicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mit Bezug zu einer Richtung R radial zur Kanalhauptachse K nach der Wärmetauscherkammer mindestens ein zweiter Abgaskanal vorgesehen ist, der mit der Wärmetauscherkammer unmittelbar in Wirkkontakt steht, wobei

a) die Wärmetauscherkammer des zweiten Abgaskanals in Umfangsrichtung U zur Kanalhauptachse K umgeben und die Wärmetauscherkammer mit Abgas des zweiten Abgaskanals umspülbar ist und zumindest ein Abgaskanal als Sammelabgaskanal ausgebildet ist und der erste Abgaskanal und/oder der zweite Abgaskanal als Krümmerrohr ausgebildet ist oder Teil eines Krümmers ist und der Krümmer mindestens zweiflutig ausgebildet ist oder
b) in eine Richtung S rechtwinklig zur Richtung R und rechtwinklig zur Kanalhauptachse K sowohl die Wärmetauscherkammer als auch zumindest ein Abgaskanal ein Außenwandteil aufweisen. Das Außenwandteil ist in der Regel mit Außenluft bzw. mit Kühlluft umspülbar.

Hierdurch wird erreicht, dass trotz platzsparender Bauweise ein effizienter Wärmeaustausch gewährleistet wird. Die Wärmetauscherkammer wird beidseitig mit Abgaswärme beaufschlagt, so dass trotz relativ geringer Übertragungsflächen ein ausreichender Wärmeeintrag erreicht wird.
Die Wärmetauscherkammer ist mit Bezug zu der Richtung R sandwichartig zwischen einem ersten Abgaskanal und dem zugehörigen zweiten Abgaskanal angeordnet. Dies wird bei der Rohr-in-Rohr-Variante dadurch erreicht, dass der Krümmungsradius r1 der Kanalwand des ersten Abgaskanals und der Krümmungsradius r2 der in Richtung R benachbarten Kanalwand des zweiten Abgaskanals gleichgerichtet sind. Im Stand der Technik ist zwar ein Teil der Wärmetauscherkammer zwischen den Abgasrohren angeordnet. Der sandwichartige Aufbau, der in den gleichgerichteten Krümmungsradien seinen Niederschlag findet, ist aber nicht erfüllt.
Bei der Kanalvariante ist die Kanalwand flach oder mit großem Krümmungsradius, mithin nur teilkreisförmig ausgebildet. Unter der Bedingung, dass der Krümmungsradius bei flachen Rohrwänden dem Betrag nach gleich Null, mithin richtungsneutral ist, gilt, dass der Krümmungsradius r1 der Kanalwand des ersten Abgaskanals und der Krümmungsradius r2 der in Richtung R benachbarten Kanalwand des zweiten Abgaskanals zumindest nicht entgegengesetzt ausgerichtet sind.
Die Kanalaußenwand wird in diesem Fall mit Außenluft bzw. mit Kühlluft beaufschlagt. Insgesamt wird durch die Doppelfunktion der Kanalwände ein sehr effizienter Aufbau gewähreistet, weil die Anzahl der angewendeten Kanalwände auf ein Minimum reduziert ist.
Alternativ könnte die Kanalaußenwand oder auch das Außenwandteil mit einer Isolierschicht oder mit einer weiteren wärmeaufnehmenden Baugruppe wie beispielsweise einem thermoelektrischen Element in Wirkkontakt stehen.
Vorteilhaft kann es hierzu sein, wenn der erste Abgaskanal innerhalb des zweiten Abgaskanals angeordnet ist oder wenn der erste Abgaskanal in Bezug auf die Kanalhauptachse K zumindest teilweise koaxial zu dem zweiten Abgaskanal angeordnet ist. Damit ist eine sehr platzsparende Bauweise gegeben.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl der erste Abgaskanal als auch der zweite Abgaskanal je ein Innenwandteil aufweisen und die Wärmetauscherkammer zumindest teilweise durch die Innenwandteile begrenzt ist. Auch hier findet die Doppelfunktion einer Kanalwand Anwendung.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn zumindest ein Abgaskanal als Sammelabgaskanal ausgebildet ist. Die Abgasenergie wird auf einem maximal hohen Temperaturniveau getauscht, womit ein maximales Temperaturgefälle gewährleistet wird. Mithin ist nicht nur eine maximale Energierückgewinnung gewährleistet, sondern die thermische Belastung der in Frage kommenden Bauteile wird ebenso reduziert.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Abgaskanal und/oder der zweite Abgaskanal als Krümmerrohr ausgebildet ist oder Teil eines Krümmers ist. Der erreichbare Wärmeübertrag ist am Krümmer maximal, womit eine gewünschte Leistungsdichte einhergeht.
Schließlich kann es von Vorteil sein, wenn der Krümmer mindestens zweiflutig ausgebildet ist. Aufgrund des sehr klein gebauten Abgaswärmetauschers lässt sich die Gruppentrennung der Krümmeranordnung beibehalten. Durch die mittige Anordnung der Wärmetauscherkammer ist eine symmetrische Belastung der beiden Krümmerkanäle gewährleistet.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

1a eine Schnittdarstellung als Prinzipskizze eines Abgaswärmetauschers mit Abgasanlage;
1b eine Schnittdarstellung nach a-a;
2 eine alternative Ausführungsform in Sandwichbauweise;
3 eine Prinzipskizze hinsichtlich der Definition der Krümmungsradien r1, r2.

Ein in 1a dargestellter Abgaswärmetauscher 1 ist integraler Bestandteil einer Krümmeranordnung 6, die einerseits an eine Brennkraftmaschine 5 angeschlossen ist und an die andererseits weiterführend eine Abgasanlage 7 mit verschiedenen Abgasrohren und Abgasbehandlungselementen angeschlossen wird.
Der Abgaswärmetauscher 1 wird gebildet aus einer Wärmetauscherkammer 2, die über einen Einlass 2.1 und einen Auslass 2.2 mit einem Wärmetauschermedium beaufschlagbar ist. Die Wärmetauscherkammer 2 ist zwischen einem zentralen ersten Abgaskanal 3 bzw. einer Kanalwand 3.1 und einem um die Wärmetauscherkammer 2 herum angeordneten, rohrförmigen zweiten Abgaskanal 4 bzw. einer Kanalinnenwand 4.1 angeordnet. Das innere Abgasrohr 3 ist ein Sammelrohr für einen ersten und einen zweiten Krümmer 6.1, 6.2 der Krümmeranordnung 6. Der zweite Abgaskanal bzw. das zweite Abgasrohr 4 ist als Sammelrohr für einen dritten und einen vierten Krümmer 6.3, 6.4 ausgebildet und nach außen durch eine Kanalaußenwand 4.2 begrenzt. Mit Bezug auf die Abgasströmungsrichtung entlang einer Kanalhauptachse K des ersten Abgaskanals 3 befindet sich der Einlass 2.1 stromab und der Auslass 2.2 stromauf. Somit ist bezüglich der Strömung zwischen dem Abgas innerhalb der Abgaskanäle 3, 4 einerseits sowie der Strömung des Wärmetauschermediums innerhalb der Wärmetauscherkammer 2 andererseits eine Gegenstromanordnung realisiert.
Wie nach Schnittdarstellung a-a gemäß 1b zu sehen ist der erste Abgaskanal 3 zentral angeordnet und rohrförmig ausgebildet, während der zweite Abgaskanal 4 mit Abstand zum ersten Abgaskanal 3 angeordnet ist, so dass zwischen dem ersten Abgaskanal 3 und dem zweiten Abgaskanal 4 die Wärmetauscherkammer 2 gebildet ist. In der so ausgebildeten Rohr-in-Rohr-Variante wird der erste Abgaskanal 3 von der Wärmetauscherkammer 2 in Umfangsrichtung umgeben, während wiederum die Wärmetauscherkammer 2 in Umfangsrichtung U von dem zweiten Abgaskanal 4 umgeben wird. Mit Bezug auf eine dem jeweiligen Krümmungsradius r1, r2 nach ausgerichtete Richtung R ergibt sich mithin die Kanalreihenfolge erster Abgaskanal 3, Wärmetauscherkammer 2 und zweiter Abgaskanal 4.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Wärmetauscherkammer 2 sandwichartig zwischen dem ersten Abgaskanal 3 und dem zweiten Abgaskanal 4 angeordnet. Die Kanalwände zwischen dem jeweiligen Abgaskanal 3, 4 und der Wärmetauscherkammer 2 sind hier eben bzw. flach ausgebildet, mithin ist ihr Krümmungsradius dem Betrag nach Null. Nach Definition ist der Krümmungsradius aber zumindest richtungsneutral, so dass im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform nach 3 alle Krümmungsradien r1, r2 gleich gerichtet sind. Nach 3 sind beide Krümmungsradien r3, r4 der Rohrwände entgegengesetzt ausgerichtet. Nach dem Ausführungsbeispiel 2 weist sowohl der jeweilige Abgaskanal 3, 4 als auch die Wärmetauscherkammer 2 jeweils ein Außenwandteil 2a, 3a, 4a auf, welche aber im Verhältnis zur Größe von Kanalwänden 3.1, 4.1 zwischen dem jeweiligen Abgaskanal 3, 4 und der Wärmetauscherkammer 2 klein ausgebildet sind, so dass der damit einhergehende Wärmeverlust mit Rücksicht auf die Kühlung durch Außenluft 8 sehr gering ist. Etwa zwei Drittel der Wandfläche der Kühlmittelkammer 2 ist von dem einen oder anderen Abgaskanal 3, 4 umgeben, mithin mit Abgas umspülbar.
Nach dem Stand der Technik 3 weist der jeweilige Abgaskanal 3, 4 kein Außenwandteil auf. Jedoch weist die Wärmetauscherkammer 2 einen außenliegenden Teil auf, der mit Rücksicht auf deren Umfang so groß ist wie der Teil, der mit Abgas umspülbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Abgaswärmetauscher
2: Wärmetauscherkammer
2.1: Einlass
2.2: Auslass
2a: Außenwandteil
3: erster Abgaskanal, Abgasrohr
3.1: Kanalwand, Innenwandteil
3a: Außenwandteil
4: zweiter Abgaskanal, Abgasrohr
4.1: Kanalinnenwand, Innenwandteil
4.2: Kanalaußenwand
4a: Außenwandteil
5: Brennkraftmaschine
6: Krümmeranordnung
6.1: Krümmer
6.2: Krümmer
6.3: Krümmer
6.4: Krümmer
7: Abgasrohr, Abgasanlage
8: Außenluft, Kühlluft
K: Kanalhauptachse
r1: Krümmungsradius
r2: Krümmungsradius
r3: Krümmungsradius
r4: Krümmungsradius
R: Richtung
S: Richtung
U: Umfangsrichtung

Claims

Abgaswärmetauscher (1) für eine Brennkraftmaschine (5) mit mindestens einem ersten Abgaskanal (3), der eine Kanalhauptachse K aufweist, und mit einer Wärmetauscherkammer (2) für ein Wärmetauschermedium, wobei mindestens ein erster Abgaskanal (3) zumindest teilweise von der Wärmetauscherkammer (2) umgeben und mindestens ein erster Abgaskanal (3) mit Wärmetauschermedium zumindest teilweise umspülbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Bezug zu einer Richtung R radial zur Kanalhauptachse K nach der Wärmetauscherkammer (2) mindestens ein zweiter Abgaskanal (4) vorgesehen ist, der mit der Wärmetauscherkammer (2) unmittelbar in Wirkkontakt steht, wobei a) die Wärmetauscherkammer (2) von dem zweiten Abgaskanal (4) in einer Umfangsrichtung U zur Kanalhauptachse K umgeben und die Wärmetauscherkammer (2) mit Abgas des zweiten Abgaskanals (4) umspülbar ist und zumindest ein Abgaskanal (3, 4) als Sammelabgaskanal ausgebildet ist und der erste Abgaskanal (3) und/oder der zweite Abgaskanal (4) als Krümmerrohr ausgebildet ist oder Teil eines Krümmers ist und der Krümmer mindestens zweiflutig ausgebildet ist oder b) in eine Richtung S rechtwinklig zur Richtung R und rechtwinklig zur Kanalhauptachse K sowohl die Wärmetauscherkammer (2) als auch zumindest ein Abgaskanal (3, 4) ein Außenwandteil (2a, 3a, 4a) aufweisen.
Abgaswärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskanal (3) innerhalb des zweiten Abgaskanals (4) angeordnet ist oder dass der erste Abgaskanal (3) in Bezug auf die Kanalhauptachse K zumindest teilweise koaxial zu dem zweiten Abgaskanals (4) angeordnet ist.
Abgaswärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskanal (3) eine Kanalwand (3.1) aufweist und der zweite Abgaskanal (4) eine Kanalinnenwand (4.1) sowie eine Kanalaußenwand (4.2) aufweist, wobei die Wärmetauscherkammer (2) begrenzt ist durch die Kanalwand (3.1) und die Kanalinnenwand (4.1), wobei die Kanalaußenwand (4.2) des zweiten Abgaskanals (4) eine Außenseite des Abgaswärmetauschers (1) bildet.
Abgaswärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Abgaskanal (3) als auch der zweite Abgaskanal (4) je ein Innenwandteil (3.1, 4.1) aufweisen und die Wärmetauscherkammer (2) zumindest teilweise durch die Innenwandteile (3.1, 4.1) begrenzt ist.
Abgaswärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abgaskanal (3, 4) als Sammelabgaskanal ausgebildet ist.
Abgaswärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskanal (3) und/oder der zweite Abgaskanal (4) als Krümmerrohr ausgebildet ist oder Teil eines Krümmers ist.
Abgaswärmetauscher (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmer mindestens zweiflutig ausgebildet ist.
Krümmeranordnung (6) einer Brennkraftmaschine (5) mit einem Abgaswärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Abgasanlage (7) mit einem Abgaswärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mit einer Krümmeranordnung (6) nach Anspruch 8.