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Die Erfindung betrifft die Erfindung betrifft eine Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die Abgasrückführung stellt eine wichtige Maßnahme zur Verringerung einer durch eine Verbrennungskraftmaschine emittierten Stickoxidmenge dar. Hierbei wird Abgas in einen oder mehrere Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet und dient als eine Intensität der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches verringerndes Schleppgas. Zur Erhöhung des verbrennungsmotorischen Wirkungsgrades sowie zur weiteren Verringerung von Stickoxidemissionen wird häufig eine Kühlung von Abgas vor dessen Rückführung zur Verbrennungskraftmaschine vorgenommen. Zur Abgaskühlung werden häufig sogenannte AGR-Kühler, welche auch als Abgaskühler bezeichnet werden können, eingesetzt.
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Aus der
DE 197 25 674 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierbei zweigt von einer Abgashauptleitung eine Bypassleitung ab, in welcher ein abgasbeheizter Wärmetauscher angeordnet ist. Sowohl in der Abgashauptleitung als auch in der Bypassleitung ist jeweils ein Ventil angeordnet, mittels welchem jeweilige Abgasströme durch die Abgashauptleitung bzw. die Bypassleitung einstellbar sind.
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Die
DE 10 2011 085 194 B3 offenbart einen Abgaskühler für ein Abgasrückführsystem. Der Abgaskühler weist zwei Kühlerabschnitte auf welche mittels einer Abgasleitvorrichtung miteinander verbunden sind. Jedem Kühlerabschnitt ist dabei ein Zusatzkanal zugeordnet, mittels welchem Abgas an dem jeweiligen Kühlerabschnitt vorbeiführbar ist. Mittels eines bewegbaren Verschlusselements können die Zusatzkanäle gegenüber einem Durchtreten von Abgas verschlossen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgaskühlvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welcher eine aufwandsarme und besonders bedarfsgerechte Kühlung eines Abgasstroms ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von einer Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem Kühlkörper zum Kühlen eines Abgasstroms, mit einer Einströmöffnung, mittels welcher der Abgasstrom in den Kühlkörper einleitbar ist, mit wenigstens einem Bypasskanal, mittels welchem der Abgasstrom an dem wenigstens einen Kühlkörper vorbeiführbar ist, und mit einem relativ zu dem Bypasskanal bewegbaren Verschlusselement, welches in einer Verschlussstellung den Bypasskanal gegenüber einem Durchströmen des Abgasstroms absperrt, aus.
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Um eine Abgaskühlvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welcher eine aufwandsarme und besonders bedarfsgerechte Kühlung eines Abgasstroms ermöglicht ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verschlusselement zwischen der Verschlussstellung und wenigstens einer weiteren Stellung bewegbar ist und in der wenigstens einen weiteren Stellung einen Querschnitt der Einströmöffnung zumindest bereichsweise bedeckt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels des lediglich einen Verschlusselements sowohl der Bypasskanal absperrbar, als auch die Einströmöffnung zumindest bereichsweise bedeckbar ist. Somit kann also das Verschlusselement eine Doppelfunktion übernehmen, wodurch ein aufwandsarmer Betrieb der Abgaskühlvorrichtung ermöglicht ist. Durch das bereichsweise Bedecken des Querschnitts der Einströmöffnung mittels des Verschlusselements in der zumindest einen weiteren Stellung kann beispielsweise eine Strömungslenkung des Abgasstroms hin zu verschiedenen Kühlkörperteilbereichen des Kühlkörpers erfolgen, wodurch die Kühlung des Abgasstroms mittels der Abgaskühlvorrichtung bedarfsgerecht anpassbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den Kühlkörper durch zumindest bereichsweise Bedecken des Querschnitts beeinflusst werden. Die Strömungsgeschwindigkeit, mit welcher der Abgasstrom durch den Kühlkörper strömt, beeinflusst wiederum die von dem Abgasstrom an den Kühlkörper abgegebene Wärmemenge, da beispielsweise jeweilige Wärmeübergangskoeffizienten, welche sich beim Durchströmen des Kühlkörpers mit dem Abgasstrom einstellen können, von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen. Durch zumindest bereichsweise Bedecken des Querschnitts kann somit besonders bedarfsgerecht eine Kühlleistung der Abgaskühlvorrichtung verändert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgaskühlvorrichtung wenigstens ein, den Querschnitt der Einströmöffnung in zumindest zwei Teilquerschnitte unterteilendes Abgasleitelement aufweist, mittels welchem der Abgasstrom auf wenigstens zwei Kühlkörperbereiche des Kühlkörpers aufteilbar ist. Dies ist von Vorteil, da mittels eines derartigen Abgasleitelement eine besonders gezielte Abgasführung hin zu den verschiedenen Kühlkörperbereichen erfolgen kann. Dadurch kann eine besonders exakte und bedarfsgerechte Einstellung der Kühlleistung der Abgaskühlvorrichtung erreicht werden. Das Verschlusselement kann in der wenigstens einen weiteren Stellung zumindest einen der wenigstens zwei Teilquerschnitte bedecken. Dadurch kann ein Drosseln des Abgasstroms im Bereich der Einströmöffnung erzielt werden, wodurch auch eine Menge des Abgasstroms beeinflussbar ist. Bekanntermaßen kann die Menge des Abgasstroms durch ein sogenanntes Abgasrückführventil beeinflusst werden. Aufgrund der Möglichkeit mittels des Verschlusselements in der wenigstens einen weiteren Stellung zumindest einen der wenigstens zwei Teilquerschnitte zu bedecken kann auch bei einem etwaigen Ausfall eines derartigen Abgasrückführventils eine Dosierung der Menge des Abgasstroms vorgenommen werden. Somit kann auf einfache Art und Weise eine Redundanz beim Einstellen der Menge des Abgasstroms geschaffen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verschlusselement als Drehschieber ausgebildet ist. Dies ist von Vorteil, da ein Drehschieber - im Gegensatz zu einer Abgasklappe - eine besonders gute Abdichtung jeweiliger Öffnungen bzw. Strömungsquerschnitte gegenüber einem Durchströmen von Abgas ermöglicht. Der Drehschieber kann beispielsweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, mittels welcher der Drehschieber in dessen Verschlussstellung eine Kanaleingangsöffnung des Bypasskanal besonders gasdicht abdichten kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Abgaskühlvorrichtung, welche an einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei ein Verschlusselement der Abgaskühlvorrichtung in einer Offenstellung positioniert ist, in welcher das Verschlusselement eine Strömung eines Abgasstroms durch einen Bypasskanal der Abgaskühlvorrichtung freigibt;
- 2 eine weitere Schnittdarstellung der Abgaskühlvorrichtung, wobei das Verschlusselement in einer von der Offenstellung verschiedenen Stellung positioniert ist, in welcher die Strömung des Abgasstroms durch einen Kühlkörperteilbereich eines Kühlkörpers der Abgaskühlvorrichtung freigegeben ist;
- 3 eine weitere Schnittdarstellung der Abgaskühlvorrichtung, wobei das Verschlusselement in einer weiteren Stellung positioniert ist, in welcher das Verschlusselement die Strömung des Abgasstroms durch zwei Kühlkörperteilbereiche freigibt; und
- 4 eine weitere Schnittdarstellung der Abgaskühlvorrichtung, wobei das Verschlusselement in einer Verschlussstellung positioniert ist, in welcher das Verschlusselement den Bypasskanal gegenüber einem Durchströmen des Abgasstroms absperrt.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils Schnittdarstellungen einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Abgaskühlvorrichtung 10. Die Abgaskühlvorrichtung 10 ist - wie vorliegend lediglich in 1 gezeigt - an einer Verbrennungskraftmaschine 50 angeordnet. Der Abgaskühlvorrichtung 10 ist ein, von einem hier nicht weiter dargestellten Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine 50 abgezweigter, heißer Abgasstrom 14 zuführbar. Der heiße Abgasstrom 14 kann der Verbrennungskraftmaschine 50 im Rahmen einer sogenannten Abgasrückführung als mittels eines Kühlkörpers 12 der Abgaskühlvorrichtung 10 gekühlter Abgasstrom 15 zurückgeführt werden. Der heiße Abgasstrom 14 kann jedoch auch über einen Bypasskanal 18 der Abgaskühlvorrichtung 10 und damit im Wesentlichen ungekühlt an die Verbrennungskraftmaschine 50 zurückgeführt werden. Eine derartige Rückführung des ungekühlten Abgasstroms 14 kann insbesondere eingesetzt werden, um einen Motorwarmlauf der Verbrennungskraftmaschine 50 zu beschleunigen.
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Neben dem Bypasskanal 18, mittels welchem der Abgasstrom 14 an dem Kühlkörper 12 vorbeiführbar ist und dem Kühlkörper 12, zum Kühlen des Abgasstroms 14, weist die Abgaskühlvorrichtung 10 auch eine Einströmöffnung 16 auf, mittels welcher der Abgasstrom 14 in den Kühlkörper 12 einleitbar ist. Des Weiteren weist die Abgaskühlvorrichtung 10 ein relativ zu dem Bypasskanal 18 bewegbares Verschlusselement 30 auf, welches in einer - vorliegend lediglich in 4 gezeigten - Verschlussstellung 32 den Bypasskanal 18 gegenüber einem Durchströmen des Abgasstroms 14 absperrt. Das Verschlusselement 30 ist zwischen der Verschlussstellung 32 und mehreren weiteren Stellungen 34, 36, 38 bewegbar. In diesen mehreren weiteren Stellungen 34, 36, 38 ist ein Querschnitt 17 der Einströmöffnung 16 zumindest bereichsweise bedeckt.
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Durch Betätigung (Bewegung) des im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Drehschieber ausgebildeten Verschlusselements 30 können entweder der Bypasskanal 18 oder individuell verschiedene Teilquerschnitte 20, 22, 24 des Querschnitts 17 der Einströmöffnung 16 zum Einleiten des Abgasstroms 14 in den Kühlkörper 12 freigegeben werden. Die Abgaskühlvorrichtung 10 weist vorliegend zwei, den Querschnitt 17 der Einströmöffnung 16 in die Teilquerschnitte 20, 22, 24 unterteilende Abgasleitelemente 26, 28 auf, mittels welchen der Abgasstrom 14 auf verschiedene Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44 des Kühlkörpers 12 aufteilbar ist. Über die Einströmöffnung 16 kann der Abgasstrom 14 unter Vermittlung eines Eintrittsdiffusors 13 auf die verschiedenen Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44 aufgeteilt werden. Die Abgasleitelemente 26, 28 sind vorliegend als jeweilige Blechzuschnitte ausgebildet. Die jeweiligen Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44 können auch als Sektionen des Kühlkörpers 12 bezeichnet werden. Der Kühlkörper 12 kann auch als Kühlmatrix bezeichnet werden.
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In 1 befindet sich das Verschlusselement 30 in der Offenstellung 38, in welcher die Einströmöffnung 16 vollständig bedeckt und damit zumindest weitgehend gegenüber einem Durchtreten des Abgasstroms 14 abgedichtet ist. Gleichzeitig ist in der Offenstellung 38 des Verschlusselements 30 ein Öffnungsquerschnitt einer Kanaleingangsöffnung 19 des Bypasskanals18 vollständig freigegeben.
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2 zeigt einen Betriebszustand der Abgaskühlvorrichtung 10 bei welchem ein geringer Massenstrom des Abgasstroms 14 durch den Kühlkörper 12 eingestellt ist, in dem das Verschlusselement 30 in dessen zweiter Stellung 36 lediglich einen durch Tritt des Abgasstroms 14 durch den Teilquerschnitte 24 freigibt, wodurch lediglich der dritte Kühlkörperteilbereich 44 mit dem Abgasstrom 14 beaufschlagt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms 14 wird in dem Kühlkörperteilbereich 44 des Kühlkörpers 12 (Kühlmatrix) dadurch auf einem hohen Geschwindigkeitswert gehalten. Gleichzeitig ist die effektive, verwendete Kühlfläche des Kühlkörpers 12 insgesamt reduziert, da lediglich der dritte Kühlkörperteilbereich 44 mit dem Abgasstrom 14 beaufschlagt ist. Hierdurch neigt der Abgasstrom 14 weniger stark zu einer etwaigen Kondensation, beispielsweise von in dem Abgasstrom 14 enthaltenen Kohlenwasserstoffen, wodurch ein sogenanntes „Versotten“ des Kühlkörpers 12 zumindest effektiv verringert werden kann. Der in 2 gezeigte Betriebszustand kann bei kleiner Kühlleistungsanforderung bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Je höher eine Anforderung an eine Abgasrückführrate ist, umso größere Bereiche (Kühlkörperteilbereiche) des Kühlkörpers 12 können geöffnet werden, wie aus der Zusammenschau von 2 und 3 exemplarisch erkennbar ist. In 3 ist das Verschlusselement 30 in einer ersten Stellung 34 positioniert, in welcher das Verschlusselement 30 ein Durchführen des Abgasstroms 14 durch den zweiten Teilquerschnitt 22 und den dritten Teilquerschnitt 24 des Querschnitts 17 ermöglicht. Hierdurch können sowohl der zweite Kühlkörperteilbereich 42 als auch der dritte Kühlkörperteilbereich 44 mit dem Abgasstrom 14 beaufschlagt werden, um etwaigen, erhöhten Kühlleistungsanforderungen beispielsweise bei erhöhten Massenströmen des Abgasstroms 14 gerecht zu werden. Der in 3 gezeigte Betriebszustand kann bei einer mittleren Kühlleistungsanforderung und zusätzlich oder alternativ bei einem mittleren Massenstrom des Abgasstroms 14 eingestellt werden.
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Eine Unterteilung des Kühlkörpers 12 in die verschiedenen Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44 kann zumindest bereichsweise durch die besagten Abgasleitelemente 26, 28 erfolgen, welche vorliegend in einem Innenbereich des Eintrittsdiffusors 13 angeordnet sind. Eine weitere Unterteilung in mehrere oder weniger Kühlkörperteilbereiche ist durch eine Variation der Anzahl der Abgasleitelemente möglich.
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In dem in 4 gezeigten Betriebszustand der Abgaskühlvorrichtung 10 ist die Kanaleingangsöffnung 19 des Bypasskanals 18 durch das in der Verschlussstellung 32 positionierte Verschlusselement 30 bedeckt und ein Durchtreten des Abgasstroms 14 in den Bypasskanal 18 zumindest weitgehend unterbunden. Gleichzeitig ist der gesamte Querschnitt 17 der Einströmöffnung 16 freigegeben, wodurch alle Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44 mit dem Abgasstrom 14 beaufschlagt war und damit eine maximale Kühlleistung erreichbar ist.
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Zusammenfassend können mittels der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Kühlleistungen bei der Kühlung von rückgeführtem Abgas (AGR) auch ohne eine Verwendung mehrerer AGR-Kühler erzielt werden. Des Weiteren ist eine bedarfsgerechte Kühlung des Abgasstroms 14 und somit eine Reduzierung einer Versottungsneigung insbesondere des Kühlkörpers 12 möglich.
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Die vorliegende, hier beispielhaft als AGR-kühler ausgebildete Abgaskühlvorrichtung 10 weist eine Unterteilung in mehrere Segmente (Kühlkörperteilbereiche 40, 42, 44) auf. Diese Segmente sind einzeln oder kombiniert an steuerbar durch das vorgelagerte Verschlusselement 30, welches auch als Umschaltklappe bezeichnet werden kann. Dadurch ist eine besonders bedarfsgerechte Kühlung für unterschiedliche Motorbetriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 50 möglich. Des Weiteren ist eine Abgaskühlung auch noch in niedrigeren Temperaturbereichen des Abgasstroms 14 möglich, ohne auf einen Bypassbetrieb aus Bauteilschutzfunktionsgründen umschalten zu müssen. Dadurch ergeben sich insgesamt verbesserte Emissionswerte der Verbrennungskraftmaschine 50.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgaskühlvorrichtung
- 12
- Kühlkörper
- 13
- Eintrittsdiffusor
- 14
- heißer Abgasstrom
- 15
- gekühlter Abgasstrom
- 16
- Einströmöffnung
- 17
- Querschnitt
- 18
- Bypasskanal
- 19
- Kanaleingangsöffnung
- 20
- Erster Teilquerschnitt
- 22
- Zweiter Teilquerschnitt
- 24
- Dritter Teilquerschnitt
- 26
- Erstes Abgasleitelement
- 28
- Zweites Abgasleitelement
- 30
- Verschlusselement
- 32
- Verschlussstellung
- 34
- Erste Stellung
- 36
- Zweite Stellung
- 38
- Offenstellung
- 40
- Erster Kühlkörperteilbereich
- 42
- Zweiter Kühlkörperteilbereich
- 44
- Dritter Kühlkörperteilbereich
- 50
- Verbrennungskraftmaschine
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19725674 A1 [0003]
- DE 102011085194 B3 [0004]
