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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager, insbesondere einen geschalteten Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Abgaswärmeübertrager werden in Kraftfahrzeugen sowohl für Heizzwecke zur Erwärmung, beispielsweise von Kühlmittel, als auch zur Kühlung der Abgase, das heißt als Abgaskühler bei der Abgasrückführung eingesetzt. Die Abgasrückführung, kurz AGR genannt, dient dazu, die Abgastemperatur zu reduzieren und damit die Stickoxid- und Partikelemissionen zu vermindern. Hierbei wird ein Teil des Abgases nach dem Verbrennungsmotor abgezweigt und anschließend durch einen Abgaswärmeübertrager geleitet. Das abgekühlte Abgas wird dann mit der vom Verbrennungsmotor angesaugten Frischluft vermischt und wieder dem Verbrennungsmotor zugeführt.
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In Folge der zusätzlich in den Verbrennungsraum zurückgeführten und gegebenenfalls gekühlten Abgasmasse steigt die thermische Masse unabhängig von Stöchiometriebedingungen, wodurch die Verbrennungstemperatur sinkt. Durch die verminderte Verbrennungstemperatur wird die Bildung von Stickoxiden bei der Verbrennung reduziert. Moderne Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren nutzen nahezu immer gekühlte, rückgeführte Abgase, außer in der Kaltstartphase, da die thermische Masse im Vergleich zu einem ungekühltem Abgasrückführungssystem im Brennraum dadurch weiter gesteigert werden kann. Somit können die ständig strenger werdenden Emissionsgrenzwerte für die Stickoxide eingehalten werden.
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In der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors wird das Abgasrückführungssystem oft zur schnelleren Aufheizung des Motors genutzt. Dabei wird das heiße Abgas über das Abgasrückführsystem ungekühlt in den Verbrennungsraum des Motors geführt und somit der Motor schneller erwärmt. Die Rückführung des Abgases erfolgt hierbei meistens über ein ungekühltes Rohr, welches sowohl im Abgaskühler integriert oder auch extern am Wärmetauscher angebracht ist.
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Ein modernes Abgasrückführungssystem muss folglich oft zwei Betriebsmodi darstellen können:
- - Bypassmodus, bei welchem in der Kaltstartphase eine Rückführung von ungekühltem, möglichst heißem Abgas zur Aufheizung des Verbrennungsmotors erfolgt. Dadurch erreicht der Motor schneller seine Betriebstemperatur und kann dadurch möglichst emissionsarm und effizient betrieben werden.
- - Wärmetauschermodus, bei welchem bei betriebswarmem Motor eine Rückführung von möglichst kaltem Abgas erfolgt zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Stickoxid- und Partikelemissionen.
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Bei dem aus der
DE 102 03 003 B4 bekannten Abgaswärmeübertrager ist ein Wärmetauscher und ein Bypasskanal in einem Gehäuse integriert. Der eigentliche Wärmetauscher besteht aus einem Rohrbündel von Abgasrohren, welches vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes einer Brennkraftmaschine umströmt wird. Somit gelangt die Wärme der Abgase über das Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine und damit auch in den Heizungskreislauf, in welchem ein von Kühlmittel durchströmter Heizkörper angeordnet ist. Durch die Aufheizung des Kühlmittelkreislaufes über die Abgaswärme kann auch eine schnellere Heizung des Fahrzeuginnenraumes erreicht werden. Dieser Abgaswärmeübertrager fungiert somit als Zusatzheizung in der Warmlaufphase. Für den Fall, dass die Aufheizung des Kühlmittelkreislaufes nicht erwünscht ist, wird der Abgasstrom durch einen Bypasskanal geleitet, der von den Abgasrohren und dem Kühlmittel thermisch isoliert ist. Der durch den Bypasskanal strömende Abgasstrom gibt somit praktisch keine Wärme an das Kühlmittel ab. Die Umleitung des Abgasstromes durch die Abgasrohre, die vom Kühlmittel umströmt werden, oder durch den isolierten Bypasskanal erfolgt über ein Abgasventil, welches entweder im Abgaseintritts- oder - austrittsbereich angeordnet ist. Dieses weist ein Steuerorgan, beispielsweise eine Klappe, auf, welches über einen Stellantrieb betätigt wird und den Abgasstrom durch den Wärmetauscher oder den Bypasskanal lenkt.
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In der Praxis erfolgt die Schaltung der beiden Betriebsmodi durch die Klappe, die sich im Eintrittsgehäuse vor dem Wärmetauscher und dem Bypassrohr befindet. Die Zusammenführung des Abgases nach dem Wärmetauscher bzw. dem Bypass erfolgt dann im Austrittsgehäuse, dem sogenannten Austrittsdiffusor. Dies erfolgt ungesteuert, so dass es im Bypassmodus zu Rückströmungen in den Abgaswärmetauscher kommen kann. Dadurch wird das heiße Abgas ungewollt abgekühlt und die schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors wird verlangsamt.
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Die
DE 201 21 112 U1 beschreibt einen Eintrittsdiffusor, dort Sammelkasten genannt. Der Sammelkasten weist innen wenigstens ein mit seiner Wand in einem Stück hergestelltes Versteifungselement auf. Das wenigstens eine Versteifungselement erstreckt sich in Strömungsrichtung und soll den Strömungswiderstand möglichst nicht beeinflussen. Das Versteifungselement übernimmt eine rein mechanische Funktion im Eingangsbereich des Abgaswärmeübertragers.
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Aus der
EP 2 025 913 B1 geht ein Dreizug-Wärmetauscher mit Bypassmodus hervor, mit einem Auslasskopf, der eine Verteilungskammer enthält zur Verteilung des von einem ersten Gaszirkulationsbereich kommenden Abgases zu einem zweiten Gaszirkulationsbereich.
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Das Problem von Abgasverwirbelungen im Austrittsdiffusor und der Rückströmung von Abgas in den Wärmetauscher ist auch bei den bekannten Vorschlägen festzustellen. Um dies zu vermindern, sind die derzeit eingesetzten Austrittsdiffusoren vergleichsweise lang ausgeführt, was allerdings nachteilig hinsichtlich des Bauraumbedarfs ist.
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Die
US 2007/0289581 A1 offenbart einen Abgaswärmeübertrager mit einem Wärmetauscher und einem Bypasskanal sowie einen Eintrittsdiffusor mit einem Abgaseinlass und einem Austrittsdiffusor mit einem Abgasauslass. Dem Wärmetauscher und dem Bypasskanal ist ein Steuerorgan nachgeschaltet, welches den Abgasstrom durch den Wärmetauscher und/oder den Bypasskanal lenkt. Der Abgaseinlass und der Abgasauslass sind als mehrteiliges Blechbauteil ausgeführt.
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Zum technologischen Hintergrund zählt des Weiteren das in der
DE 100 25 877 A1 beschriebene Abgasrückführungssystem. Das Abgasrückführungssystem weist einen Kühler, einen Bypass, ein Kühlerventil und ein Bypassventil auf. Das Kühlerventil und das Bypassventil weisen einen gemeinsamen Antrieb in Form eines in zwei Richtungen drehbaren Drehantrieb oder einer Vakuumquelle auf.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Abgaswärmeübertrager, insbesondere einen Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler), in seiner Effizienz sowie bauraumtechnisch zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Abgaswärmeübertrager gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.
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Ein erfindungsgemäßer Abgaswärmeübertrager weist einen Wärmetauscher und einen Bypasskanal sowie einen Eintrittsdiffusor mit einem Abgaseinlass und einem Austrittsdiffusor mit einem Abgasauslass auf. Dem Wärmetauscher und dem Bypasskanal ist innerhalb des Eintrittsdiffusors ein Steuerorgan in Form einer Bypassklappe zugeordnet. Diese ist schwenkbar und lenkt den Abgasstrom bedarfsweise durch den Wärmetauscher und/oder den Bypasskanal.
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Der Wärmetauscher kann bevorzugt als Plattenwärmetauscher oder als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt sein.
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Der Austrittsdiffusor umfasst zumindest ein Leitelement, welches den Abgasstrom aus dem Wärmetauscher und den Abgasstrom aus dem Bypasskanal bis in den Bereich des Auslasses trennt. Auf diese Weise wird das Rückströmen von Abgas in den Wärmetauscher und Verwirbelungen im Austrittsdiffusor verhindert.
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Der Austrittsdiffusor und das Leitelement sind materialeinheitlich einstückig als Gussteil ausgeführt. Hierbei kommen austenitische oder ferritische Edelstahlwerkstoffe zur Anwendung.
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Das Leitelement ist so konfiguriert, dass es den Abgasstrom aus dem Wärmetauscher und den Abgasstrom aus dem Bypasskanal bis in den Bereich des Auslasses trennt. Bis in den Bereich des Auslasses bedeutet, dass die Erstreckung hinsichtlich Länge und Konfiguration so ausgelegt ist, dass eine Abgasüberströmung oder eine Rückströmung des aus dem Bypasskanal kommenden Abgases zum Wärmetauscher verhindert wird. Das Leitelement erstreckt sich zumindest über die wesentliche Länge des Austrittsdiffusors. Das Leitelement kann dabei kurz vor dem Auslass enden oder sich bis in den Auslass erstrecken.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Leitelement durch ein Leitblech gebildet ist. Dieses ist im Austrittsdiffusor angeordnet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind das oder die Leitelemente durch einen separaten Kanal gebildet. Die Zusammenführung der beiden Kanäle erfolgt außerhalb des Wärmetauschers im Bereich des Auslasses des Austrittsdiffusors, vorzugsweise unmittelbar vor dem Auslass oder insbesondere im Auslass.
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In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Leitelemente beziehungsweise zwei zusammen gefügte Kanäle den Austrittsdiffusor bilden.
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Durch die gesteuerte Zusammenführung des Abgases durch ein Leitelement, vorzugsweise durch ein Leitblech oder durch zwei separate Kanäle, die dann erst außerhalb des Wärmetauscher zusammengeführt werden, wird ein ungewolltes Rückströmen von Abgas in den Wärmetauscher verhindert. Damit wird das nicht gewollte Abkühlen des Abgases im Bypassmodus vermieden und es kann eine schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors durch einen optimalen Bypass eines Abgasrückführungssystem gewährleistet werden.
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Bei einem für die Praxis besonders vorteilhaftem Abgaswärmeübertrager sind der Wärmetauscher und der Bypasskanal in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Des Weiteren können der Wärmetauscher und der Bypasskanal in separaten Gehäusen angeordnet sein.
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Wie bereits erwähnt, verhindert das oder die Leitelemente ein Rückströmen von Abgas in den Wärmetauscher und Verwirbelungen im Austrittsdiffusor. Durch das oder die Leitelemente im Austrittsdiffusor, kann der Austrittsdiffusor bauraumtechnisch deutlich kompakter und kürzer gestaltet werden. So kann trotz Volumenreduzierung des Austrittsdiffusors die gewünschte Strömung und/oder Umlenkung des Abgasstroms erfolgen. Es kann somit ein vergleichsweise kleiner Abgaswärmeübertrager mit hoher Leistung geschaffen werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 technisch vereinfacht und schematisiert eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers in einer Seitenansicht;
- 2 technisch vereinfacht und schematisiert eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers in einer Seitenansicht;
- 3 eine perspektivische Ansicht auf einen Austrittsdiffusor eines Abgaswärmeübertragers;
- 4 einen Querschnitt durch den in der 3 dargestellten Austrittsdiffusor und
- 5 eine Ansicht auf den Austrittsdiffusor aus Richtung des Wärmetauschers und des Bypasskanals.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils technisch vereinfacht und schematisiert einen Abgaswärmeübertrager 1 bzw. 2 in Form eines geschalteten Abgasrückführungskühlers (AGR-Kühler).
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Jeder Abgaswärmeübertrager 1, 2 umfasst einen Wärmetauscher 3, der als Abgaskühler fungiert sowie einen Bypasskanal 4. In Abgasströmungsrichtung, gekennzeichnet durch den Pfeil AG vor dem Wärmetauscher 3 und dem Bypasskanal 4 ist ein Eintrittsdiffusor 5 angeordnet. Über einen Abgaseinlass 6 im Eintrittsdiffusor 5 gelangt Abgas AG in den Abgaswärmeübertrager 1, 2. Im Eintrittsdiffusor 5 ist dem Wärmetauscher 3 und dem Bypasskanal 4 ein Steuerorgan 7 in Form einer Bypassklappe zugeordnet. Das Steuerorgan 7 fungiert als Weiche, um den Abgasstrom entweder zwecks Kühlung durch den Wärmetauscher 3 oder den Bypasskanal 4 zu leiten, sofern keine Kühlung des Abgases AG erforderlich ist, wobei das Steuerorgan 7 den jeweiligen nicht durchströmten Pfad schließt.
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Der Wärmetauscher 3 und der Bypasskanal 4 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 8 angeordnet. Über einen dem Wärmetauscher 3 und dem Bypasskanal 4 in Strömungsrichtung nachgeschalteten Austrittsdiffusor 9 gelangt das Abgas AG aus dem Abgaswärmeübertrager 1 bzw. 2. Der Austrittsdiffusor 9 weist einen Abgasauslass 11 auf, über welchen das Abgas aus dem Austrittsdiffusor 9 geleitet und dem Ansaugluftkanal des Ansaugtrakts des Abgasrückführungssystems zugeführt wird.
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Bei dem Abgaswärmeübertrager 1 ist im Austrittsdiffusor 9 ein Leitelement 12 in Form eines Leitblechs 13 angeordnet. Das Leitelement 12 erstreckt sich ausgehend vom Wärmetauscher 3 und dem Bypasskanal 4 bis in den Bereich des Abgasauslasses 11. Hierbei ist das Leitelement 12 so konfiguriert, dass es den Abgasstrom aus dem Wärmetauscher 3 und den Abgasstrom aus dem Bypasskanal 4 bis in den Bereich des Abgasauslasses 11 trennt.
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Bei dem Austrittsdiffusor 10 des Abgaswärmeübertragers 2 sind zwei Leitelemente 12 in Form von separaten Kanälen 14, 15 vorgesehen. Der erste Kanal 14 steht mit der Abgasaustrittsseite 16 des Wärmetauschers 3 in Verbindung. Der zweite Kanal 15 kommuniziert mit dem Auslass 17 des Bypasskanals 4. Die beiden Kanäle 14, 15 verlaufen im Austrittsdiffusor 10 in Richtung zum Abgasauslass 11 und trennen den Abgasstrom aus dem Wärmetauscher 3 und den Abgasstrom aus dem Bypasskanal 4 bis in den Bereich des Abgasauslasses 11. Dort erfolgt eine Zusammenführung der beiden Kanäle 14, 15 und die Weiterleitung des Abgases AG. Möglich ist es auch, dass die beiden Kanäle 14, 15 den Austrittsdiffusor 10 bilden, so dass ein separates Diffusorgehäuse nicht erforderlich ist.
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Sowohl der Austrittsdiffusor 9 als auch der Austrittsdiffusor 10 und die intrigierten Leitelemente 12 in Form eines Leitblechs 13 oder von Kanälen 14, 15 sind materialeinheitlich einstückig als Gussteil ausgeführt.
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Ein Austrittsdiffusor 9 wie in der 1 schematisch dargestellt, ist anhand der 3 bis 5 näher zu erkennen.
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Der Austrittsdiffusor 9 besteht aus einem Edelstahlguss und bildet ein kappenförmiges Diffusorgehäuse 18 auf. Das Diffusorgehäuse 18 besitzt einen im Wesentlichen rechteckig konfigurierten Anbindungsabschnitt 19 zur Koppelung mit der Abgasaustrittsseite 16 des Wärmetauschers 3. Zur Anbindung des Bypasskanals 4 ist ein Verbindungsstutzen 20 vorgesehen. Je nach Betrieb eines Abgaswärmeübertragers 1 strömt Abgas AG aus dem Wärmetauscher 3 kommend über den Anbindungsabschnitt 19 in den Austrittsdiffusor 9 oder über den Verbindungsstutzen 20 aus dem Bypasskanal 4 in den Austrittsdiffusor 9 ein. Aus dem Austrittsdiffusor 9 wird das Abgas AG durch den Abgasauslass 11 abgeführt und nachgeschalteten Systemkomponenten zugeleitet.
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Im Austrittsdiffusor 9 ist das Leitelement 12 in Form des Leitblechs 13 ausgebildet. Das Leitblech 13 ist materialeinheitlich einstückiger Bestandteil des Austrittsdiffusors 9. Das Leitblech 13 erstreckt sich von der Eintrittsseite 21 des Austrittsdiffusors 9 ausgehend vom unteren Quersteg 22 des Anbindungsabschnitts 19 in Richtung zum Abgasauslass 11 und endet im Bereich des Abgasauslasses 11. Durch das Leitelement 12 bzw. das Leitblech 13 wird der Abgasstrom aus dem Wärmetauscher 3 und der Abgasstrom aus dem Bypasskanal 4 bis in den Bereich des Abgasauslasses 11 getrennt. Man erkennt, dass das Leitblech 13 kurz vor dem Abgasauslass 11 endet. Hierbei beträgt der Abstand A des Endes 23 des Leitblechs 13 zum Abgasauslass 11 weniger als die Hälfte des Durchmessers D des Abgasauslasses 11.
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Insbesondere in der 5 erkennt man, dass die Öffnung 24 des Abgasauslasses 11 im Wesentlichen kreisrund konfiguriert ist. Das Leitblech 13 erstreckt sich innen im Austrittsdiffusor 9 über dessen Breite und verläuft schräg in Richtung zur Mitte der Öffnung 24 des Abgasauslasses 11.
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Durch das Leitelement 12 bzw. das Leitblech 13, ebenso wie durch die separaten Kanäle 14, 15 wird ein Überströmen oder ein Rückströmen von aus dem Bypasskanal 4 kommenden Abgases AG zum Wärmetauscher 3 hin verhindert. Auf diese Weise wird ein ungewolltes bzw. nachteiliges Abkühlen von Abgas im Bypassmodus vermieden und somit eine schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors durch die optimierte Abgasführung im Austrittsdiffusor 9 eines Abgaswärmeübertragers 1 bzw. 2 gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Abgaswärmeübertrager
- 2 -
- Abgaswärmeübertrager
- 3 -
- Wärmetauscher
- 4 -
- Bypasskanal
- 5 -
- Eintrittsdiffusor
- 6 -
- Abgaseinlass
- 7 -
- Steuerorgan
- 8 -
- Gehäuse
- 9 -
- Austrittsdiffusor
- 10 -
- Austrittsdiffusor
- 11 -
- Abgasauslass
- 12 -
- Leitelement
- 13 -
- Leitblech
- 14 -
- Kanal
- 15 -
- Kanal
- 16 -
- Abgasaustrittsseite v. 3
- 17 -
- Auslass v. 4
- 18 -
- Diffusorgehäuse
- 19 -
- Anbindungsabschnitt v. 18
- 20 -
- Verbindungsstutzen
- 21 -
- Eintrittsseite v. 9
- 22 -
- Quersteg
- 23 -
- Ende v. 13
- 24 -
- Öffnung von 11
- AG -
- Abgas
- D -
- Durchmesser v. 24
