DE102017130094B4 - Exhaust gas heat exchanger and method for operating the exhaust gas heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Abgaswärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zwei Kühlkassetten (6, 8), wobei jede Kühlkassette (6, 8) ein eigenes äußeres Gehäuse (5, 7) aufweist und ein Kühlmedium um die Kühlkassetten (6, 8) geleitet ist und Abgas (A) durch die Kühlkassetten (6, 8) geleitet ist, wobei der Abgaswärmetauscher (1) ferner einen Bypasskanal (4) aufweist und ein Eingangsdiffusor (2) zur Zuführung des Abgases (A) vorhanden ist sowie ein Ausgangsdiffusor (3) zum Abführen des Abgases (A) und wobei das Kühlmedium (15) seitlich in das Gehäuse (7) zugeführt sowie aus dem Gehäuse (5) abgeführt wird, wobei in dem Eingangsdiffusor (2) und/oder in dem Ausgangsdiffusor (3) eine Übergabestelle (17) für das Kühlmedium vorgesehen ist, zur fluidleitenden Verbindung des ersten Gehäuses (5) mit dem zweiten Gehäuse (7)Exhaust gas heat exchanger (1) for a motor vehicle, comprising two cooling cassettes (6, 8), each cooling cassette (6, 8) having its own outer housing (5, 7) and a cooling medium being passed around the cooling cassettes (6, 8) and exhaust gas (A) is passed through the cooling cassettes (6, 8), the exhaust gas heat exchanger (1) also having a bypass duct (4) and an inlet diffuser (2) for supplying the exhaust gas (A) and an outlet diffuser (3) for discharging it of the exhaust gas (A) and the cooling medium (15) being fed laterally into the housing (7) and discharged from the housing (5), a transfer point (17) in the inlet diffuser (2) and / or in the outlet diffuser (3) ) is provided for the cooling medium, for the fluid-conducting connection of the first housing (5) to the second housing (7)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher sowie ein Verfahren zum Betreiben des Abgaswärmetauschers.The present invention relates to an exhaust gas heat exchanger and a method for operating the exhaust gas heat exchanger.
Aus dem Stand der Technik sind Abgaswärmetauscher bekannt. Diese werden auch als AGR-Kühler bzw. EGR-Kühler bezeichnet. Sie werden eingesetzt, um bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen die entstehenden NOx-Emissionen zu verringern. Die Abgaswärmetauscher reduzieren dabei die Temperatur des rückgeführten Abgases und führen es dem Verbrennungsprozess wieder zu. Dabei sinkt die Verbrennungstemperatur im Brennraum selber, wodurch die Entstehung der NOx-Emissionen gehemmt wird.Exhaust gas heat exchangers are known from the prior art. These are also referred to as EGR coolers or EGR coolers. They are used to reduce the resulting NOx emissions from internal combustion engines in motor vehicles. The exhaust gas heat exchangers reduce the temperature of the recirculated exhaust gas and feed it back into the combustion process. The combustion temperature in the combustion chamber itself drops, which inhibits the occurrence of NOx emissions.
Da die NOx-Emissionen im Verbrennungsprozess mit steigender Temperatur zunehmen, besteht insbesondere bei modernen Verbrennungsmotoren mit höherer Leistung bzw. Leistungsanforderung die Notwendigkeit einer erhöhten Temperaturabsenkung der rückgeführten Abgase.Since the NOx emissions in the combustion process increase as the temperature rises, there is a need for an increased temperature reduction in the recirculated exhaust gases, particularly in the case of modern internal combustion engines with higher performance or performance requirements.
In verschiedenen Betriebszuständen des jeweiligen Verbrennungsmotors werden jedoch unterschiedliche Kühlleistungen benötigt. Dies sind beispielsweise die Kaltstartphase, der Stadtverkehr oder aber auch auf einer Autobahnfahrt, bei der über einen längeren Zeitraum eine hohe Leistung des Verbrennungsmotors gefordert wird.However, different cooling capacities are required in different operating states of the respective internal combustion engine. These are, for example, the cold start phase, city traffic or also on a motorway trip, during which a high output of the internal combustion engine is required over a longer period of time.
Es sind daher aus dem Stand der Technik steuerbare Abgaswärmetauscher bekannt, die unterschiedliche Kühlleistungen aufweisen oder gar im Bypassbetrieb betrieben werden können, sodass zunächst gar keine Abgaskühlung stattfindet.Controllable exhaust gas heat exchangers are therefore known from the prior art, which have different cooling capacities or can even be operated in bypass mode, so that initially no exhaust gas cooling takes place at all.
Beispielsweise ist aus der
Die
Aus der
Auch ist aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Abgaswärmetauscher mit unterschiedlichen Kühlleistungen bereitzustellen, der zudem einen einfachen Aufbau zur Erstmontage sowie verringerte potentielle Schwachstellen im späteren Betrieb aufweist.The object of the invention is to provide a compact exhaust gas heat exchanger with different cooling capacities, which also has a simple structure for initial assembly as well as reduced potential weak points in later operation.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.The aforementioned object is achieved with an exhaust gas heat exchanger according to the features in claim 1.
Ein verfahrenstechnischer Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben eines Abgaswärmetauschers mit den Merkmalen im Anspruch 10 gelöst.A procedural part of the object is also achieved with a method for operating an exhaust gas heat exchanger having the features in
Vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous refinements of the present invention are the subject of the dependent claims.
Der Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass dieser ein äußeres Gehäuse aufweist und in dem Gehäuse eine Kühlkassette angeordnet ist. Die Kühlkassette kann beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein, jedoch auch als Rohrbündel. Nunmehr wird ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser in das Gehäuse eingeführt und umströmt dabei die Kühlkassette, wird also außen um die Kühlkassette geleitet. Das Abgas wird durch die Kühlkassette geleitet. Es findet somit ein Wärmeaustausch zwischen Kühlmedium und Abgas statt. Der Abgaswärmetauscher weist ferner einen Bypasskanal auf.The exhaust gas heat exchanger for a motor vehicle is characterized in that it has an outer housing and a cooling cassette is arranged in the housing. The cooling cassette can be designed, for example, as a plate heat exchanger, but also as a tube bundle. A cooling medium, preferably cooling water, is now introduced into the housing and in the process flows around the cooling cassette, that is to say is passed around the outside of the cooling cassette. The exhaust gas is passed through the cooling cassette. There is thus an exchange of heat between the cooling medium and the exhaust gas. The exhaust gas heat exchanger also has a bypass duct.
Auf einer Eingangsseite ist ein Eingangsdiffusor zur Zuführung des Abgases vorhanden. Auf einer Ausgangsseite ist ein Ausgangsdiffusor zum Abführen des Abgases vorhanden. Das Kühlmedium wird seitlich in das Gehäuse zugeführt sowie abgeführt. Hierzu können entsprechende Anschlussstellen vorhanden sein.An inlet diffuser for supplying the exhaust gas is provided on an inlet side. An outlet diffuser for discharging the exhaust gas is provided on an outlet side. The cooling medium is fed into and removed from the side of the housing. Appropriate connection points can be available for this purpose.
Erfindungsgemäß zeichnet sich der Abgaswärmetauscher nunmehr dadurch aus, dass zwei Kühlkassetten in dem Abgaswärmetauscher selbst verbaut sind. Jede dieser Kühlkassetten weist ein eigenes äußeres Gehäuse auf. Zusätzlich ist dann der Bypasskanal, auch Bypassleitung genannt, ausgebildet. Jeweils endseitig beziehungsweise stirnseitig sind Diffusoren vorgesehen. Dies ist ein Eingangsdiffusor auf der Seite, an der dem Abgaswärmetauscher das Abgas zugeführt wird. Dies ist ferner ein Ausgangsdiffusor, auf der Seite, an der das Abgas von dem Abgaswärmetauscher selbst wiederum abgeführt wird. Die Diffusoren sind bevorzugt als Gussbauteile ausgebildet. Nunmehr ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Übergabestelle zur Durchleitung des Kühlmediums von einer ersten Kühlkassette in eine zweite Kühlkassette ausgebildet ist. Diese Übergabestelle ist in dem Ausgangsdiffusor und/oder in dem Eingangsdiffusor ausgebildet. Der gesamte Abgaswärmetauscher ist als verlötetes Bauteil hergestellt. Die Übergabestelle für das Kühlmedium ist somit integraler Bestandteil des Diffusors.According to the invention, the exhaust gas heat exchanger is now characterized in that two cooling cassettes are installed in the exhaust gas heat exchanger itself. Each of these cooling cassettes has its own outer housing. In addition, the bypass channel, also called bypass line, is then formed. In each case at the end or at the front diffusers are provided. This is an inlet diffuser on the side where the exhaust gas is fed to the exhaust gas heat exchanger. This is also an outlet diffuser on the side on which the exhaust gas is in turn discharged from the exhaust gas heat exchanger itself. The diffusers are preferably designed as cast components. It is now further provided according to the invention that a transfer point is formed for the passage of the cooling medium from a first cooling cassette into a second cooling cassette. This transfer point is formed in the output diffuser and / or in the input diffuser. The entire exhaust gas heat exchanger is manufactured as a soldered component. The transfer point for the cooling medium is thus an integral part of the diffuser.
Erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass auf externe Schlauchverbindungen zum Koppeln zweier unterschiedlicher Kühlkassetten verzichtet werden kann. Die Kühlkassetten sind parallel übereinander bzw. nebeneinander angeordnet.The advantage according to the invention is that external hose connections for coupling two different cooling cassettes can be dispensed with. The cooling cassettes are arranged in parallel one above the other or next to one another.
Dadurch, dass jedoch jede Kühlkassette ein eigenes äußeres Gehäuse hat, können sich die Kühlkassetten in gewissem Maße, je nach Beanspruchung, unterschiedlich stark und unabhängig voneinander thermisch ausdehnen. Die Anzahl der Teile beim Zusammenbau des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers sind reduziert. Durch die integrierte Übergabestelle treten insbesondere keine Undichtigkeiten oder sonstigen Leckagen in diesem Bereich auf.However, because each cooling cassette has its own outer housing, the cooling cassettes can, to a certain extent, depending on the load, expand thermally to different degrees and independently of one another. The number of parts when assembling the exhaust gas heat exchanger according to the invention are reduced. In particular, the integrated transfer point means that there are no leaks or other leaks in this area.
Die beiden Diffusoren, mithin der Eingangsdiffusor und der Ausgangsdiffusor sind bevorzugt als einstückiges und werkstoffeinheitliches Gussbauteil hergestellt. Die Bypassleitung, das erste Gehäuse der ersten Kühlkassette und das zweite Gehäuse der zweiten Kühlkassette sind jeweils über den Eingangsdiffusor auf einer Eintrittsseite und über den Ausgangsdiffusor auf einer Austrittsseite miteinander verbunden.The two diffusers, and therefore the inlet diffuser and the outlet diffuser, are preferably produced as a one-piece cast component made of the same material. The bypass line, the first housing of the first cooling cassette and the second housing of the second cooling cassette are each connected to one another via the inlet diffuser on an inlet side and via the outlet diffuser on an outlet side.
Damit nunmehr eine Übergabestelle zur Durchleitung des Kühlmediums ausgebildet ist, steht insbesondere an dem Eingangsdiffusor und/oder an dem Ausgangsdiffusor ein Steg über. Oberseitig und unterseitig des überstehenden Steges werden dann das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse angeordnet. Der Steg selbst weist eine Öffnung auf, insbesondere ein Langloch. Diese Öffnung bildet dann die Übergabestelle zwischen erstem Gehäuse und zweitem Gehäuse aus. An dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse sind, korrespondierend zu der Öffnung des Steges, daher entsprechend auch Öffnungen vorhanden, sodass hier das Kühlmedium, welches insbesondere Kühlwasser ist, übertreten kann. Die Öffnung in dem Steg des Diffusors kann auch zweigeteilt ausgebildet sein. Diese Zweiteilung dient der Stabilität des Steges selbst. Der Steg kann als verlängerter Blechfortsatz oder Stegblech bezeichnet werden. Zur Herstellung der Öffnung wird zunächst der Diffusor als Gussbauteil hergestellt und dann durch mechanisches Nachbearbeiten, beispielsweise Fräsen, die Öffnung aus dem Steg ausgeschnitten. Der Steg gilt gleichzeitig als Abstandshalter zwischen den beiden Gehäusen der jeweiligen Kühlkassette. Der somit entstehende Abstand zwischen den beiden Gehäusen dient gleichzeitig dem Toleranzausgleich zur Aufnahme der Kühlkassetten in dem Gussdiffusor selbst, jedoch auch zur thermischen und örtlichen Trennung.So that a transfer point is now formed for the passage of the cooling medium, a web protrudes in particular on the inlet diffuser and / or on the outlet diffuser. The first housing and the second housing are then arranged on the top and bottom of the protruding web. The web itself has an opening, in particular an elongated hole. This opening then forms the transfer point between the first housing and the second housing. Corresponding to the opening of the web, there are accordingly also openings on the first housing and the second housing, so that the cooling medium, which is in particular cooling water, can pass over here. The opening in the web of the diffuser can also be designed in two parts. This division in two serves the stability of the web itself. The web can be referred to as an extended sheet metal extension or web plate. To produce the opening, the diffuser is first produced as a cast component and then the opening is cut out of the web by mechanical reworking, for example milling. The web also acts as a spacer between the two housings of the respective cooling cassette. The resulting distance between the two housings also serves to compensate for tolerances for accommodating the cooling cassettes in the cast diffuser itself, but also for thermal and local separation.
Die einzelnen Bauteile des Abgaswärmetauschers sind insgesamt miteinander verlötet. Mithin sind die äußeren Gehäuse und der Bypasskanal in den jeweiligen Diffusor eingelötet. Durch diesen Lötvorgang kann gleichzeitig der die Übergabestelle berandende Bereich ebenfalls mit verlötet werden, sodass die Übergabestelle an ihren äußeren Rändern fluiddicht mit dem jeweiligen Gehäuse gekoppelt ist.The individual components of the exhaust gas heat exchanger are soldered together as a whole. The outer housing and the bypass duct are therefore soldered into the respective diffuser. As a result of this soldering process, the area bordering the transfer point can also be soldered at the same time, so that the transfer point is coupled to the respective housing at its outer edges in a fluid-tight manner.
Durch die somit integrierte Führung des Kühlmediums entfällt eine sonstige übliche externe Schlauch- oder Rohrverbindung. Es ergibt sich ferner ein Bauraumvorteil, da der gesamte Abgaswärmetauscher mit weniger Bauteilen kompakter ausgelegt werden kann. Ganz besonders bevorzugt ist die Übergabestelle jedoch im Ausgangsdiffusor angeordnet. Das Kühlmedium durchströmt somit zunächst eine zweite Kühlkassette und tritt an der Übergabestelle in die erste Kühlkassette über, durchströmt die erste Kühlkassette und tritt dann wiederum aus. Das Kühlmedium kann immer den gesamten Abgaswärmetauscher, also das erste Gehäuse und das zweite Gehäuse, durchströmen. Je nach Schaltungsprinzip, mithin wie das Abgas durch den Abgaswärmetauscher geführt wird, kann dann eine voneinander verschiedene Kühlleistung des Abgaswärmetauschers bereitgestellt werden.The routing of the cooling medium that is integrated in this way eliminates the need for any other customary external hose or pipe connection. There is also an advantage in terms of installation space, since the entire exhaust gas heat exchanger can be designed to be more compact with fewer components. However, the transfer point is very particularly preferably arranged in the exit diffuser. The cooling medium thus initially flows through a second cooling cassette and passes over to the first cooling cassette at the transfer point, flows through the first cooling cassette and then exits again. The cooling medium can always flow through the entire exhaust gas heat exchanger, that is to say the first housing and the second housing. Depending on the circuit principle, i.e. how the exhaust gas is routed through the exhaust gas heat exchanger, a mutually different cooling output of the exhaust gas heat exchanger can then be provided.
Hierzu ist in dem Eingangsdiffusor und/oder in dem Ausgangsdiffusor jeweils mindestens eine Stellklappe vorgesehen. Besonders bevorzugt sind in dem Eingangsdiffusor zwei Stellklappen vorgehen. Die Stellklappen sind zentral in dem Eingangsdiffusor angeordnet. Die zwei Stellklappen sind auch weiterhin bevorzugt um eine Achse gelagert, sind jedoch auf voneinander verschiedenen Seiten dieser Achse angeordnet.For this purpose, at least one control flap is provided in the inlet diffuser and / or in the outlet diffuser. Two adjustable flaps are particularly preferred in the inlet diffuser. The flaps are arranged centrally in the entrance diffuser. The two adjustable flaps are also preferably mounted about an axis, but are arranged on mutually different sides of this axis.
Hierdurch ist es möglich, den Abgaswärmetauscher in verschiedenen Modi zu betreiben. Somit betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben des Abgaswärmetauschers.This makes it possible to operate the exhaust gas heat exchanger in different modes. The invention thus also relates to a method for operating the exhaust gas heat exchanger.
Zunächst kann der Abgaswärmetauscher im Bypassbetrieb betrieben werden. Dies ist insbesondere beispielsweise bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine der Fall. Das Abgas soll somit keiner Kühlung unterzogen werden. Das Abgas wird dann insbesondere durch den Bypasskanal geleitet.First of all, the exhaust gas heat exchanger can be operated in bypass mode. This is the case in particular, for example, when the internal combustion engine is cold-started. The exhaust gas should thus not be subjected to cooling. The exhaust gas is then passed in particular through the bypass duct.
Wird eine normale Kühlleistung des Abgases gefordert, so kann das Abgas durch eine Kühlkassette geführt werden. In der Kühlkassette erfolgt ein Austausch von Wärme zwischen Abgas und Kühlmedium. Das Abgas wird somit gekühlt.If a normal cooling capacity of the exhaust gas is required, the exhaust gas can be passed through a cooling cassette. In the cooling cassette, heat is exchanged between the exhaust gas and the cooling medium. The exhaust gas is thus cooled.
Wird eine demgegenüber größere Kühlleistung des Abgases gefordert, so kann der Abgaswärmetauscher im Parallelbetrieb bzw. in einer Parallelschaltung betrieben werden. Das zu kühlende Abgas strömt somit durch beide Kühlkassetten parallel. Es wird aufgrund der Parallelschaltung eine große Querschnittsfläche mit dem Abgas durchströmt, wodurch ein geringer Druckverlust zu verzeichnen ist. Insbesondere zum vorbeschriebenen Monobetrieb oder aber dem nachfolgend beschriebenen Reihenbetrieb.If, on the other hand, a greater cooling capacity of the exhaust gas is required, the exhaust gas heat exchanger can be operated in parallel or in a parallel connection. The exhaust gas to be cooled thus flows through both cooling cassettes in parallel. Due to the parallel connection, the exhaust gas flows through a large cross-sectional area, which results in a low pressure loss. In particular for the mono operation described above or the series operation described below.
Wird eine noch größere Kühlleistung gefordert, so kann der Abgaswärmetauscher in einem Reihenbetrieb bzw. einer Reihenschaltung betrieben werden. Das Abgas wird somit zunächst über den Eingangsdiffusor durch eine erste Kühlkassette geleitet und an dem Ausgangsdiffusor umgeleitet in die zweite Kühlkassette. Das Abgas durchströmt dann die zweite Kühlkassette. Wiederum im Eingangsdiffusor wird dann das Abgas umgeleitet in den Bypasskanal. Dadurch, dass die Querschnittsfläche bei Durchströmen des gesamten Abgases jeweils durch eine Kühlkassette nach der anderen geringer ist, zudem am jeweiligen Ende der Kühlkassette eine Umlenkung des Abgases erfolgt, ist hier jedoch der Druckverlust höher.If an even greater cooling capacity is required, the exhaust gas heat exchanger can be operated in series operation or in a series connection. The exhaust gas is thus first passed through a first cooling cassette via the inlet diffuser and diverted at the outlet diffuser into the second cooling cassette. The exhaust gas then flows through the second cooling cassette. Again in the inlet diffuser, the exhaust gas is then diverted into the bypass duct. Because the cross-sectional area is smaller when the entire exhaust gas flows through one cooling cassette after the other, and the exhaust gas is also deflected at the respective end of the cooling cassette, the pressure loss is higher here.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
-
1 einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher in einer Längsschnittansicht; -
2 einen Ausgangsdiffusor mit Übergabestelle in Perspektivansicht, -
3 eine schematische Längsschnittansicht, in welcher das Kühlmedium durch den Wärmetauscher geführt wird, -
4 den Abgaswärmetauscher im Bypassbetrieb, -
5 den Abgaswärmetauscher im Monobetrieb, -
6 den Abgaswärmetauscher im Parallelbetrieb und -
7 den Abgaswärmetauscher im Reihenbetrieb.
-
1 an exhaust gas heat exchanger according to the invention in a longitudinal sectional view; -
2 an exit diffuser with transfer point in perspective view, -
3 a schematic longitudinal sectional view in which the cooling medium is passed through the heat exchanger, -
4th the exhaust gas heat exchanger in bypass operation, -
5 the exhaust gas heat exchanger in mono operation, -
6th the exhaust gas heat exchanger in parallel operation and -
7th the exhaust gas heat exchanger in series operation.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieser Erfindung dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.In the figures, the same reference symbols are used for identical or similar components of this invention, even if a repeated description is omitted for reasons of simplicity.
In dem Ausgangsdiffusor
Erfindungsgemäß ist nunmehr ein Steg
An einem jeweils umlaufenden Flansch
Ferner ist das Abgas
Das Ein- und Ausströmen des Kühlmittels
Gemäß
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1 -1 -
- AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
- 2 -2 -
- EingangsdiffusorEntrance diffuser
- 3 -3 -
- AusgangsdiffusorExit diffuser
- 4 -4 -
- BypasskanalBypass duct
- 5 -5 -
- erstes Gehäusefirst housing
- 6 -6 -
- erste Kühlkassettefirst cooling cassette
- 7 -7 -
- zweites Gehäusesecond housing
- 8 -8th -
- zweite Kühlkassettesecond cooling cassette
- 9 -9 -
- Stellklappe zu 3Control flap to 3
- 10 -10 -
- Stellklappe zu 2Control flap for 2
- 11 -11 -
- Stellklappe zu 2Control flap for 2
- 12 -12 -
- Achseaxis
- 13 -13 -
- KühlmitteleingangCoolant inlet
- 14 -14 -
- KühlmittelausgangCoolant outlet
- 15 -15 -
- KühlmittelCoolant
- 16 -16 -
- Stegweb
- 17 -17 -
- ÜbergabestelleTransfer point
- 18 -18 -
- AufnahmeöffnungReceiving opening
- 19 -19 -
- Flanschflange
- 20 -20 -
- Öffnungopening
- 21 -21 -
- Abstand distance
- A -A -
- AbgasExhaust gas
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-
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