DE102016216281A1

DE102016216281A1 - Bypassventil

Info

Publication number: DE102016216281A1
Application number: DE102016216281.0A
Authority: DE
Inventors: Carsten Ohrem; Guillaume Herbert; Michael Gauss
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01
Also published as: KR101971064B1; KR20180025145A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass mit einem Körper, der einen Einlass und einen Auslass für Abgase aufweist, wobei der Körper eine äußere Röhre und eine innere Röhre aufweist, die in der äußeren Röhre beweglich vorgesehen ist und ein offenes erstes Ende und ein offenes zweites Ende aufweist, einem Wärmetauscher, der zwischen der inneren Röhre und der äußeren Röhre vorgesehen ist, wobei das Bypassventil so ausgestaltet ist, dass die innere Röhre zwischen einer ersten Anordnung, in der Abgase, die in den Einlass eingeführt werden, im Wesentlichen vollständig in die innere Röhre durch das erste Ende eintreten und in der das zweite Ende der inneren Röhre nicht verschlossen ist, so dass Abgase aus dem zweiten Ende austreten können und dann aus dem Auslass des Körpers austreten, und einer zweiten Anordnung beweglich ist, in welcher das zweite Ende der inneren Röhre verschlossen ist und Abgase, die in den Einlass eingeführt werden, durch den Wärmetauscher hindurchtreten, bevor sie aus dem Auslass austreten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder für einen Abgasrückführkühler, welches z. B. in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann.
Stand der Technik
Abgaswärmerückführsysteme werden verwendet, um die Wärme von Abgasen, die in einem Verbrennungsmotor erzeugt werden, sinnvoll zu nutzen. Diese weisen Bypassventile auf, welche im Abgasstrang sitzen, meist hinter der Abgasreinigung. Somit muss der gesamte Abgasmassenstrom diese Bypassventile durchströmen. Nachteilig für das Betreiben des Motors ist ein Abgasgegendruck, der durch dieses System erhöht wird. Daher wird versucht diesen gering zu halten. Des Weiteren soll das System schaltbar sein, das heißt Wärme soll nur dann dem Abgas entnommen werden, wenn sie benötigt wird. Andernfalls soll das Abgas an dem Wärmetauscher vorbeigeleitet werden – möglichst ohne Druckverlust.
Ein solches System wird primär wird die Wärmerückführung benötigt, um den Motor bei einem Kaltstart schneller zu erwärmen, nämlich über die Eintragung der Abgasenergie in den Kühlmittelkreislauf. Die schnelle Erwärmung führt auf motorischer Seite zu weniger Verbrauch (aufgrund von Reibungsreduzierung, geringeren Wandwärmeverlusten im Verbrennungsraum,…) und besseren Abgaswerten in der Kaltstartphase. Sowie eine gewisse Motortemperatur erreicht ist, stellt sich die Eintragung von Abgasenergie in das Kühlwasser als nachteilig dar, da diese zur Zeit nicht genutzt werden kann bzw. über den Hauptwasserkühler wieder an die Umgebung abgegeben werden muss, was eine größere Dimensionierung dessen zur Folge hätte.
Wie aus dem obigen deutlich wird, wird ein Schaltorgan benötigt, welches von „Durchströmen von Wärmetauscher“ auf „Durchströmen von Bypass“ umschaltet. Wie bereits erwähnt ist Abgasgegendruck ein Thema, somit muss dieses Organ einen ausreichenden Querschnitt zur Verfügung stellen und auch in seiner Geometrie strömungsgünstig sein, weshalb ein Tellerventil nicht in Frage kommt. Des Weiteren sollte dieses Ventil auch eine ausreichende Dichtigkeit aufweisen, um im Wärmetauscher-Modus möglichst keinen Massenstrom durch den Bypass zuzulassen und um im Bypass-Modus, aufgrund des ungewünschten Eintragens von Wärme in das Kühlwasser, möglichst keinen Massenstrom durch den Wärmetauscher zuzulassen.
Im Stand der Technik sind im Hinblick darauf verschiedene Designs eines Abgaswärmerückführsystems bekannt. Zum einen ist ein Klappendesign gemäß einer Drosselklappe bekannt. Vorteil dieses Designs ist eine gute Strömungsgeometrie, und ein großer Querschnitt kann einfach realisiert werden. Es wirken keine Gaskräfte auf den Aktuator, da ein symmetrisches Flächenverhältniss in Bezug auf die Welle vorliegt.
Zum anderen ist ein Klappendesign ähnlich einem Wastegate bekannt. Hierbei ist die Welle außerhalb der Dichtfläche. Dieses Design zeichnet sich dadurch aus, dass die Klappenlagerung außerhalb der Dichtkontur ist. Ein solches Design wird z.B. bei einem Toilettendeckel verwendet. Vorteil dieses Designs ist, dass es Dichtflächen gibt, die aufeinander zum Anliegen kommen und eine gute Dichtwirkung erzeugen unabhängig der Wärmedehnung.
Bypassventile für Abgaswärmerückführsysteme aus dem Stand der Technik sind z.B. aus der JP 2016-61206 , US 2012/0144814 , JP 2007-321741 und JP 2016-102446 bekannt.
Ähnlich zu Abgaswärmerückführsystemen sind Abgasrückführkühler mit einem Bypass. Während durch ein Abgaswärmerückführsystem im Wesentlichen die gesamten Abgase geleitet werden, werden durch einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nur max. circa 40% des Abgasstroms geleitet, weshalb diese kleiner als Abgaswärmerückführsysteme sind. Die vorliegende Erfindung betrifft Bypassventile für beide Systeme, und Aussagen, die bezüglich eines dieser Systeme getroffen werden, treffen auch auf das jeweils andere zu.
Darstellung der Erfindung Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick darauf gemacht, dass die Erfinder festgestellt haben, dass Gestaltungen, wie sie z. B. in der US 2012/0144814 A1 beschrieben sind, sich bei Gegendruck schlecht öffnen lassen. Dies liegt daran, dass eine Klappe in dem Abgasdurchlass vorgesehen ist, die – teilweise gegen den Gegendruck der Abgase – verschwenkt werden muss. Dies ist bei hohen Abgasdrücken nur schwer möglich und führt dazu, dass ein Betätiger zum Öffnen des Ventils sehr leistungsfähig ausgebildet sein muss.
Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass Abgaswärmerückführsysteme und auch Abgasrückführkühler mit einem Bypass das Problem haben, dass eine heiße Fläche (Temperatur von 500°C–800°C), durch die die Abgase ohne Kühlung geleitet werden, und eine kühle Fläche (Temperatur von 80–120°C), zu der Wärme von den Abgasen geleitet wird, eng gepackt sind. Dies führt zu thermischen Spannungen und entsprechenden Beschädigungen, da heiße und kalte Flächen bzw. Komponenten aneinander befestigt werden müssen.
Es ist den Erfindern außerdem aufgefallen, dass bei einem Bypassventil vom Drosselklappentyp die Dichtwirkung schlecht ist. Aufgrund heißer Temperaturen im Abgas müssen gewisse Spaltmaße vorgesehen werden, die eine Leckage nach sich ziehen.
Bezüglich des Designs ähnlich einem Wastegate ist den Erfindern aufgefallen, dass die Gaskraftverteilung nachteilig ist, welche in vollem Umfang auf die Klappe und somit auf den Aktuator wirkt.
Des Weiteren sahen sich die Erfinder vor die Aufgabe gestellt, die Anordnung des Bypasses und des Schaltorgans zu optimieren:
Bauteile des Wärmetauschers werden mit einem Kühlfluid wie z.B. Kühlwasser umströmt und nehmen somit nahezu die Kühlwassertemperatur (90°C) an. Bauteile des Schaltorganes und des Bypasses werden nicht mit Kühlfluid umströmt und nehmen somit die Temperatur des Abgases (bis zu 800°C) an. Die Erfinder haben erkannt, dass es somit wichtig ist, da alle Bauteile fest miteinander verbunden sind, die Wärmedehnung zu kompensieren, oder vom Design her geschickt zu umgehen.
Die Erfindung wurde daher vorgenommen, um zumindest einen oder mehrere der oben genannten Nachteile zu lindern. Anders gesagt zielt die Erfindung darauf ab, ein Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgaswärmerückführkühler bereitzustellen, dass eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

– Gute Dichtwirkung aufgrund von Anlageflächen
– Gutes Strömungsverhalten und große Strömungsquerschnitte
– Kleine Aktuatorkräfte aufgrund des Vermeidens von Flächen, auf die der Gasdruck wirken kann
– Keine feste Verbindung zwischen heißen und kalten Bauteilen, was zu einer freien Wärmedehnung des heißen Innenrohres führt
– Gute Bauraumausnutzung, sowie Minimierung der eingetragenen Wärme ins Kühlwasser im Bypass Modus durch Spaltisolierung der inneren Röhre (Bypassröhre) bezüglich des Wärmetauschers.

Die Erfindung wird durch Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Nach Anspruch 1 weist das Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass einen Körper mit einem Einlass und einem Auslass für Abgase auf. Das heißt anders gesagt, handelt es sich bei dem Abgaswärmerückführsystem um ein System, in das Abgase eingeführt werden können, um an einer anderen Stelle des Systems wieder auszutreten.
In diesem Körper ist eine äußere Röhre und eine innere Röhre vorgesehen, wobei letztere in der äußeren Röhre beweglich vorgesehen ist und ein offenes erstes Ende und ein offenes zweites Ende aufweist. Bei der äußeren Röhre handelt es sich um eine Röhre, die in dem Körper so vorgesehen ist, dass sie selektiv entweder mit dem Einlass oder mit dem Auslass in Verbindung stehen kann.
Zwischen der inneren Röhre und der äußeren Röhre ist ein Wärmetauscher vorgesehen. Dieser hat die bereits oben erwähnte Funktion, die Wärme der Abgase von den Abgasen wegzuführen, um sie anderweitig nutzen zu können.
Erfindungsgemäß ist das Bypassventil so ausgestaltet, dass die innere Röhre zwischen einer ersten Anordnung und einer zweiten Anordnung beweglich ist. Diese Beweglichkeit kann in vielen Fällen eine Verschiebung umfassen, es ist jedoch auch denkbar, dass die innere Röhre verschwenkt wird oder eine Bewegung macht, die man als eine Kombination aus einer Verschwenkung und einer Verschiebung verstehen kann.
In der ersten Anordnung gelangen Abgase, die in den Einlass des Körpers eingeführt werden, durch das erste Ende der inneren Röhre in die innere Röhre hinein und können aus deren zweitem Ende austreten, da dieses nicht verschlossen ist. Nach diesem Austritt aus dem zweiten Ende der inneren Röhre können diese Abgase nun zum Auslass des Körpers gelangen, von wo aus sie ausgeführt werden. In dieser ersten Anordnung ist somit ein Vorbeifließen der Abgase an dem Wärmetauscher nicht notwendig.
In der zweiten Anordnung ist das zweite Ende der inneren Röhre verschlossen, z. B. dadurch, dass dieses zweite Ende an einer entsprechend geformten Platte oder einem anders geformten Stopfen anliegt. Das erste Ende ist im Vergleich zur ersten Anordnung in einer anderen Position und ist insbesondere so positioniert und ausgerichtet, dass Abgase, die in den Einlass eintreten, nicht mehr dazu gezwungen werden, zumindest im Wesentlichen vollständig in die innere Röhre einzutreten, wie dies in der ersten Anordnung der Fall ist.
Da insofern in der zweiten Anordnung ein Durchtritt der Abgase vom Einlass zum Auslass durch die innere Röhre versperr ist, müssen Abgase, die durch den Einlass eingeführt werden, durch den Wärmetauscher hindurchtreten oder an diesem vorbeifließen, bevor sie aus dem Auslass austreten. Das heißt im Gegensatz zur ersten Anordnung ist in der zweiten Anordnung ein Vorbeifließen der Abgase an dem Wärmetauscher oder Hindurchtreten durch diesen obligatorisch. Man kann somit die zweite Anordnung als eine Konfiguration des Bypassventils verstehen, in dem die Abgase ihre Wärme an den Wärmetauscher abgeben, während sie in der ersten Anordnung den Wärmetauscher umgehen können und somit keine oder nur in geringem Maße Wärme an diesen abgeben. Es handelt sich somit in der ersten Anordnung um einen Bypass-Modus, während die zweite Anordnung einen Kühlmodus beschreibt.
Im Vergleich zur US 2012/0144814 A1 ist die beschriebene Ausgestaltung von Vorteil, da es keine Klappe gibt, die gegen einen Gegendruck verschwenkt werden muss. Insofern besteht das oben genannte Problem, wie bei einem hohen Gegendruck umgeschaltet werden kann, nicht und es kann daher auf einen leistungsfähigen Betätiger verzichtet werden. Dies führt u.a. dazu, dass das Bypassventil kostengünstiger hergestellt werden kann.
Es wird bevorzugt, dass der Körper ferner eine mittlere Röhre aufweist, die zwischen der inneren und äußeren Röhre vorgesehen ist. Diese definiert mit der äußeren Röhre einen Zwischenraum, in dem der Wärmetauscher vorgesehen ist. Durch das Vorsehen einer solchen mittleren Röhre kann die innere Röhre gut gelagert werden. Insofern erhöht dies die Präzision, mit der die innere Röhre geführt wird, was wiederum zu einer höheren Dichtigkeit des Bypassventils führt, da z. B. vermieden werden kann, dass die mittlere Röhre undicht abschließt aufgrund von Ungenauigkeiten in deren Positionierung.
Es wird weiter bevorzugt, dass die innere Röhre in der mittleren Röhre verschiebbar gelagert ist, so dass sie zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung verschoben werden kann. Diese Ausgestaltung ist einfach zu implementieren und führt daher zu einer hohen Robustheit des Bypassventils.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die innere Röhre an ihrer Außenseite einen oder mehrere Vorsprünge aufweist, wobei die innere Röhre über diese Vorsprünge in der mittleren Röhre mit einem Abstand zu dieser gelagert ist. Entsprechende Vorsprünge, insbesondere solche, welche den Umfang der inneren Röhre umschließen und somit im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind, sind dahingehend von Vorteil, dass sie die innere Röhre von der mittleren Röhre, die wiederum recht nahe an dem Wärmetauscher ist, beabstanden. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass durch das Vorsehen einer Lücke zwischen diesen beiden Röhren eine Ausdehnung der inneren Röhre aufgrund von Wärme nicht automatisch auf die mittlere Röhre und die äußere Röhre oder den zwischen Ihnen gelagerten Wärmetauscher übertragen wird. Daher kann vermieden werden, dass sich das Bypassventil als Ganzes verzieht, was für dessen Funktionsfähigkeit von Nachteil wäre. Außerdem ist das Vorsehen einer solchen doppelten Wand zwischen dem durch die innere Röhre geführten Abgas und dem Wärmetauscher von Vorteil, da eine solche doppelwandige Struktur zu einer besseren Wärmeisolation führt.
Bevorzugt ist die innere Röhre mit einem Schwenkelement gekoppelt, das betätigt werden kann, um die innere Röhre zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung selektiv zu verschieben. Ein solches Schwenkelement ist ein einfaches Mittel, um eine solche Verschiebung zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung zu erzielen.
Weiterhin wird bevorzugt, dass der Wärmetauscher eine oder mehrere Rohrleitungen aufweist, die sich so erstrecken, dass Abgase, die in den Einlass des Bypassventils eintreten, durch diese Rohrleitungen hindurch zu dessen Auslass gelangen können. Weiterhin sind diese Rohrleitungen von einem Raum für ein Kühlmedium umgeben, in dem ein Kühlmedium fließen kann. Der Raum, in dem das Kühlmedium fließen kann, ist von den Rohrleitungen physisch getrennt, das heißt, es findet keine Vermischung zwischen dem Kühlmedium und den Abgasen statt. Ein solcher Wärmetauscher hat eine hohe Wärmetauscheffizienz, da Wärmetauscher mit Rohrleitungen, die direkt durch das Kühlmedium umflossen werden können, gut Wärme an das Kühlmedium abgeben können. Bei einer solchen Ausgestaltung wird bevorzugt, dass die Rohrleitungen eine gewellte Oberfläche aufweisen. Hierdurch haben sie eine höhere Effizienz, was die Übertragung von Wärme an das Kühlmedium angeht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmetauscher einen Raum für Abgase auf, durch den diese Abgase vom Einlass zum Auslass hindurchfließen können. Dieser Raum ist zwischen der mittleren und der äußeren Röhre definiert und hat typischerweise eine ringförmige Gestalt. Dieser Raum wird durch Rippen unterteilt, wobei diese Rippen bevorzugt aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sind. Dieser Raum für Abgase kann von einem Kühlmedium umflossen werden und ist derart von dem Raum, in dem das Kühlmedium fließen kann, getrennt, dass ein Vermischen zwischen dem Kühlmedium und den Abgasen vermieden wird. Durch die Rippen und durch das Umfließen dieses Raumes mit einem Kühlmedium kann Wärme, die durch diesen Raum fließt, effizient abtransportiert werden, was auch zu einem Abgaswärmerückführsystem oder Abgasrückführkühler mit einem Bypass mit einer hohen Effizienz führt.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die innere Röhre zylindrisch ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung der inneren Röhre führt zu einer hohen Zuverlässigkeit des Systems, da die Ausdehnung der Röhre gleichmäßig und insbesondere isotrop ist. Hierbei wird bevorzugt, dass eine Anlageoberfläche des Körpers, mit der die innere Röhre in der ersten Anordnung in Anlage gerät, eine kegelstumpfförmige Oberfläche hat. Wenn die Anlagefläche eine solche kegelstumpfförmige Oberfläche ist, führt auch ein Ausdehnen der inneren Röhre bei einer Erwärmung lediglich dazu, dass die innere Röhre weiter außen mit dieser kegelstumpfförmigen Oberfläche in Anlage gerät. Die Dichtwirkung ist jedoch die gleiche, so dass ein entsprechendes Bypassventil eine hohe Dichtigkeit hat, egal bei welcher Temperatur es betrieben wird. Im Gegensatz dazu gab es bei System wie der US 2012/0144814 A1 das Problem, dass die Anlage der Verschlussklappe bei Erwärmung nicht gut war, da sich die Verschlussklappe ausgedehnt hat. Ein solches Problem wird mit dem vorliegenden System vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
2(a) bis 2(c) zeigen das Bypassventil der 1 in drei verschiedenen Anordnungen.
3(a) und (b) zeigen eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um das Bypassventil zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung umzuschalten.
4(a) und (b) zeigen eine Detailansicht des Bypassventils nach der ersten Ausführungsform.
5(a) bis (c) zeigen ein Bypassventil nach der zweiten Ausführungsform.
6(a) bis (e) zeigen ein Bypassventil nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch. Ein Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem nach der ersten Ausführungsform weist einen Körper 10 auf. Dieser Körper hat einen Einlass 10a und einen Auslass 10b. In einem Mittelteil dieses Körpers ist eine äußere Röhre 12 vorgesehen, die mit dem Einlass 10a und dem Auslass 10b über ein trichterförmiges Verbindungsstück bzw. Übergang 30, 31 jeweils verbunden ist. Wenn Abgase durch den Einlass 10a in den Körper 10 eingeführt werden, treten sie – nach dem Passieren weiterer Komponenten – durch den Auslass 10b aus.
Innerhalb der äußeren Röhre 12 und konzentrisch mit dieser ist eine mittlere Röhre 18 vorgesehen. Innerhalb des zwischen diesen beiden Röhren definierten Zwischenraums ist ein Wärmetauscher 20 mit Rohrleitungen 22 vorgesehen, durch die die Abgase hindurchströmen können, das heißt die Rohrleitungen 22 haben Öffnungen sowohl an der Seite des Einlasses 10a als auch des Auslasses 10b des Körpers 10. An beiden Endseiten dieses ringförmigen Zwischenraums sind Abschlussplatten 26 vorgesehen, durch die sich die Rohrleitungen 22 hindurch beidseitig erstrecken. Die Abschlussplatten 26 definieren zusammen mit der äußeren Röhre 12 und der mittleren Röhre 18 einen ringförmigen abgeschlossenen Raum, durch den sich die Rohrleitungen 22 des Wärmetauschers 20 erstrecken. Der durch die Abschlussplatten 26, die äußere Röhre 12 und die mittlere Röhre 18 definierte Raum ist dazu ausgestaltet, dass man durch ihn ein Kühlmedium fließen lassen kann, ohne dass dieses mit Abgasen, die durch die Rohrleitungen 22 des Wärmetauschers 20 fließen, in Kontakt geraten oder sich vermischen kann. Hier sind Einlässe 13 und Auslässe 15 für ein Kühlmedium vorgesehen, durch die ein Kühlmedium ein und ausfließen gelassen werden kann, um die Abgase, die in den Rohrleitungen 22 fließen, zu kühlen.
Innerhalb der mittleren Röhre 18 und konzentrisch mit dieser ist eine innere Röhre 14 verschiebbar gelagert. Diese Röhre 14 ist derart verschiebbar gelagert, dass sie entlang ihrer Längsrichtung verschoben werden kann. An den Außenseiten der inneren Röhre 14 sind Ausstülpungen bzw. Vorsprünge 24 vorgesehen, welche die Form von Ringen haben. Über diese Vorsprünge 24 wird die innere Röhre 14 bezüglich der mittleren Röhre 18 verschiebbar gelagert. Die innere Röhre 14 weist ein erstes Ende 14a und ein zweites Ende 14b auf, welche beide offen sind. An der Einlassseite des Körpers 10 ist der kegelstumpfförmige bzw. zylindrisch trichterförmige Übergang 30 vorgesehen, der den Einlass 10a mit der äußeren Röhre 12 verbindet. Ein ähnlicher zylindrisch trichterförmiger Übergang 31 ist an der Seite des Auslasses 10b zwischen der mittleren Röhre 12 und dem Auslass 10b vorgesehen.
An der Auslassseite zu der inneren Röhre 14 ist ferner eine Verschlussplatte 28 vorgesehen, die bezüglich des Körpers 10 ortsfest ist. Diese Platte 28 ist so vorgesehen, dass die innere Röhre 14 bei einer Verschiebung in die zweite Anordnung mit deren zweiten Ende 14b gegen diese Platte in Anlage gerät, wodurch das zweite Ende 14b verschlossen wird. Die innere Röhre 14 ist so in die mittlere Röhre 18 eingepasst, dass keine oder nur wenige Leckflüsse auftreten können, wenn das zweite Ende 14b an der Platte 28 anliegt. Anders gesagt besteht, wenn das zweite Ende 14b der inneren Röhre 14 an der Platte 28 anliegt, die einzige signifikante Flussmöglichkeit für Abgase von der Seite des Einlasses 10a zur Seite des Auslasses 10b durch die bereits genannten Rohrleitungen 22.
In 2 wird eine Funktionsweise dieses Bypassventils für ein Abgaswärmerückführsystem schematisch erklärt. 2(a) zeigt die zweite Anordnung des Bypassventils. Zu bemerken ist, dass der Übersichtlichkeit halber in 2 nicht alle Bezugszeichen, die in 1 vorkommen, wiederholt worden sind.
Wie in 2(a) zu sehen ist, liegt die innere Röhre 14 mit ihrem zweiten Ende 14b an der Platte 28 an. Demgemäß können Abgase, die durch den Einlass 10a eintreten, nicht durch die mittlere Röhre 14 zum Auslass 10b gelangen. Diese Abgase müssten daher in dieser zweiten Anordnung durch den Wärmetauscher 20 fließen und würden somit an diesen Wärme abgeben.
Wenn nun ausgehend von dieser Gestaltung die innere Röhre 14 in Richtung der ersten Anordnung bewegt wird, wird der in 2(c) gezeigte Zustand als ein Zwischenstadium erreicht. Hierbei handelt es sich um ein Stadium, das zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung liegt. In einem solchen Zustand könnten Abgase sowohl durch den Wärmetauscher 20 als auch durch die mittlere Röhre 14 fließen.
Bei einer weiteren Verschiebung der mittleren Röhre geht das System nunmehr in den in 2(b) gezeigten Zustand über, welcher der ersten Anordnung entspricht. In diesem Modus liegt der bereits erwähnte Bypass-Modus vor, dessen Ziel es ist, eine Wärmeübertragung weitgehend zu unterbinden. Hierbei liegt die innere Röhre 14 an dem bereits erwähnten trichterförmigen Übergang 30 an. Hierdurch entsteht eine dichtende Anlage zwischen der inneren Röhre 14 und der trichterförmigen Übergang 30, so dass Abgase, die durch den Einlass 10a eintreten, durch die innere Röhre 14 fließen und an deren zweiten Ende 14a austreten. Die Abgase können nun die Platte 28 umfließen und gelangen somit zum Auslass 10b, ohne dass sie dazu gezwungen werden, durch den Wärmetauscher 20 zu fließen. Das heißt diese erste Anordnung beschreibt einen Bypass-Modus, in dem eine Wärmeübertragung zu dem Wärmetauscher 20 bzw. auf das Kühlmedium, das in ihm fließt, nicht zwingendermaßen stattfindet.
3 zeigt, wie man die innere Röhre 14 zwischen den beiden in 2(a) und 2(b) gezeigten Zuständen überführen kann. Hierbei ist eine Kurbel 32 vorgesehen, die um einen Schwenkpunkt 33 verschwenkbar ist und in eine Ausnehmung 34 innerhalb der inneren Röhre 14 eingreift. Durch ein Verschwenken der Kurbel 32 um den Schwenkpunkt 33 kann die innere Röhre 14 zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung verschoben werden. Die Kurbel 32 kann z.B. mit einem Motor oder einer anderen Art von Betätiger verbunden sein, damit sie die gezeigte Verschwenkung durchführt.
Während 1–3 im Wesentlichen schematisch waren, zeigt 4 eine Variante der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail. Wie in 4(a) und 4(b) zu erkennen ist, sind die Vorsprünge 24 durch – vorliegend vier – ringförmige Ausstülpungen gebildet, die einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt parallel zur Längsachse der inneren Röhre 14 haben. Radial außerhalb von diesen befindet sich der Wärmetauscher 20, der in diesem Fall die Form eines einzigen von einem Kühlmedium umflossenen Kanals 22 aus einem gut wärmeleitenden Material mit einer gewellten Oberfläche 23 hat. D.h. während in der in 1 bis 3 gezeigten Variante mehrere Rohrleitungen 22 verwendet werden, reicht es auch aus, eine einzige Rohrleitung 22 zu haben oder stattdessen einen Kanal 22 mit einem ringförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse der inneren Röhre 14 zu verwenden, wie dies vorliegend der Fall ist. In 4(a) ist ferner zu erkennen, dass die Platte 28 zur Seite der inneren Röhre 14 hin gekrümmt ist, was zu einem besseren Abschließen dieser inneren Röhre 14 führt.
In 4(a) ist ein Zustand gezeigt, in dem das System in einem Bypass-Modus ist, das heißt in dem die innere Röhre 14 in der ersten Anordnung ist. Abgase, die durch den Einlass 10a eintreten, gelangen unmittelbar in die Röhre 14 hinein, welche an dem trichterförmigen Übergang 30 anliegt. Sie fließen durch die innere Röhre 14 hindurch, bevor sie an der Platte 28 vorbeifließen, um dann aus dem Auslass 10b auszutreten. Im Gegensatz dazu zeigt 4(b) die zweite Anordnung. Hierbei liegt die innere Röhre 14 an der Platte 28 an, wodurch diese verschlossen ist. Abgase, die durch den Einlass 10a eintreten, werden somit durch den Wärmetauscher 20 hindurch gezwungen, bevor sie an dessen auslassseitigem Ende austreten und dann durch den Auslass 10b des Bypassventils ausgegeben werden.
5(b) zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Ausgestaltung des Wärmetauschers 20 unterscheidet. Der Kürze halber wird auf eine Wiedergabe der Details der ersten Ausführungsform verzichtet, und es werden nur die Unterschiede zu dieser ersten Ausführungsform dargelegt werden.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform mehrere Rohrleitungen 22 auf, die sich entlang der Längsrichtung des Wärmetauschers 20 erstrecken. Wie in 5(c) zu sehen ist, handelt es sich bei diesen Rohrleitungen 22 um Flachrohre, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Eckradien auf der kurzen Seite gehen ineinander über, so dass die kurze Seite eine Halbkreisform aufweist, während die lange Seite gerade ist. Zur Turbulenzerhöhung sind Einprägungen bzw. Vertiefungen auf der geraden, langen Seite des Rohrs vorgesehen. Durch diese Vertiefungen wird der Turbulenzgrad erhöht, insbesondere durch die gezielte Wahl von deren Geometrie und Tiefe, wodurch die Wärmeübertragung erhöht werden kann (was ggf. auch zu einem erhöhten gasseitigen Druckverlust führen kann). Insofern führt diese Ausgestaltung dazu, dass das mit dem Bypassventil ausgestattete Abgaswärmerückführsystem eine erhöhte Effizienz hat. Die einzelnen Rohrleitungen 22 werden bei Gebrauch von einem Kühlmedium umflossen, was sich in einer erhöhten Wärmetauscheffizienz äußert.
Die dritte Ausführungsform wird in 6(a)–(e) gezeigt. Auch hier werden, der Kürze halber, nur die Unterschiede zur ersten Ausführungsform dargelegt werden, die sich auch hier im Wesentlichen in der Gestaltung des Wärmetauschers erschöpfen.
Der Wärmetauscher, der in dem Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem der dritten Ausführungsform verwendet wird, ist ein Wärmetauscher, bei dem die Abgase durch einen im Wesentlichen ringförmigen Kanal 43 fließen gelassen werden, der ähnlich zu dem ringförmigen Kanal ist, wie er in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Zu beiden Seiten des ringförmigen Kanals 43 fließt ein Kühlmedium, welches somit den ringförmigen Kanal sowohl von der Innenseite als auch der Außenseite umgibt. Innerhalb dieses ringförmigen Kanals sind jedoch durchgehende Rippen 42 ausgebildet, die sich von der radialen Innenseite des Kanals 43 zur radialen Außenseite des Kanals 43 erstrecken und die Außen- und Innenwände des Kanals 43 somit verbinden. Diese Rippen sind, insbesondere da sie aus einem wärmeleitenden Material gefertigt sind, dahingehend von Vorteil, dass sie die Wärmeleitung erhöhen. Auch dies erhöht die Effizienz des Abgaswärmerückführsystems. Ansonsten sind Ein- und Auslässe 44 für das Kühlmedium dargestellt. Was die restlichen Details angeht ist die Ausgestaltung identisch zu derjenigen in der ersten und zweiten Ausführungsform.
6(d) zeigt eine Vorderansicht des Wärmetauscher nach der dritten Ausführungsform. Auch hier sind der ringförmige Kanal 43 und die Rippen 42 deutlich sichtbar. 6(e) zeigt den Wärmetauscher nach der dritten Ausführungsform in einer Gesamtansicht.
Allgemein ist zu beachten, dass die vorliegende Ausgestaltung als rotationssymmetrische Struktur nicht zwingend erforderlich ist. Es ist auch möglich, dass z.B. an einer Seite Wärmetauscherbündel vorliegen, während an der anderen Seite ein Bypass vorliegt, oder dass rechts und links Wärmetauscherbündel vorliegen, während der Bypass in der Mitte liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016-61206 [0007]
US 2012/0144814 [0007]
JP 2007-321741 [0007]
JP 2016-102446 [0007]
US 2012/0144814 A1 [0009, 0023, 0030]

Claims

Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass mit: einem Körper (10), der einen Einlass (10a) und einen Auslass (10b) für Abgase aufweist, wobei der Körper eine äußere Röhre (12) und eine innere Röhre (14) aufweist, die in der äußeren Röhre beweglich vorgesehen ist und ein offenes erstes Ende (14a) und ein offenes zweites Ende (14b) aufweist, einem Wärmetauscher (20), der zwischen der inneren Röhre und der äußeren Röhre vorgesehen ist, wobei das Bypassventil so ausgestaltet ist, dass die innere Röhre zwischen einer ersten Anordnung, in der Abgase, die in den Einlass eingeführt werden, im Wesentlichen vollständig in die innere Röhre durch das erste Ende eintreten und in der das zweite Ende der inneren Röhre nicht verschlossen ist, so dass Abgase aus dem zweiten Ende austreten können und dann aus dem Auslass des Körpers austreten, und einer zweiten Anordnung beweglich ist, in welcher das zweite Ende der inneren Röhre verschlossen ist und Abgase, die in den Einlass eingeführt werden, durch den Wärmetauscher hindurchtreten oder an diesem vorbeifließen, so dass sie Wärme mit diesem austauschen können, bevor sie aus dem Auslass austreten.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach Anspruch 1, bei dem der Körper ferner eine mittlere Röhre (18) aufweist, die zwischen der inneren und der äußeren Röhre vorgesehen ist und die mit der äußeren Röhre einen Zwischenraum definiert, in dem der Wärmetauscher vorgesehen ist.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach Anspruch 2, wobei die innere Röhre in der mittleren Röhre verschiebbar gelagert ist, so dass sie zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung verschoben werden kann.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach Anspruch 3, wobei die innere Röhre an ihrer Außenseite einen oder mehrere Vorsprünge (24) aufweist, die bevorzugt den Umfang der inneren Röhre umschließen, wobei die innere Röhre über diese Vorsprünge in der mittleren Röhre mit einem Abstand zu dieser gelagert ist.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die innere Röhre mit einem Schwenkelement (32) gekoppelt ist, das betätigt werden kann, um die innere Röhre zwischen der ersten Anordnung und der zweiten Anordnung selektiv zu verschieben.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Wärmetauscher eine oder mehrere Rohrleitungen (22) aufweist, die sich so erstrecken, dass Abgase, die in den Einlass eintreten, durch diese hindurch zu dem Auslass gelangen können, und wobei diese Rohrleitungen von einem Raum für ein Kühlmedium umgeben sind, in dem ein Kühlmedium fließen kann, wobei der Raum, in dem das Kühlmedium fließen kann, von den Rohrleitungen getrennt ist, und wobei die Rohrleitungen (22) bevorzugt eine gewellte Oberfläche (23) aufweisen.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Wärmetauscher einen Raum für Abgase aufweist, durch den Abgase von dem Einlass zu dem Auslass fließen können, wobei angrenzend an diesen Raum und getrennt davon ein Raum für ein Kühlmedium vorgesehen ist, in dem ein Kühlmedium fließen kann, wobei in dem Raum für Abgase Rippen (42) vorgesehen sind, die bevorzugt den Raum in Flusskanäle unterteilen und die dazu dienen, den Fluss von Wärme hin zu dem Raum für ein Kühlmedium zu unterstützen.
Bypassventil für ein Abgaswärmerückführsystem oder einen Abgasrückführkühler mit einem Bypass nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die innere Röhre zylindrisch ausgebildet ist und bei dem bevorzugt eine Anlagefläche (30), mit der die innere Röhre in der ersten Anordnung in Anlage gerät, eine kegelstumpfförmige Oberfläche hat.
Abgaswärmerückführsystem mit einem Bypassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Abgasrückführkühler mit einem Bypass, aufweisend ein Bypassventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.