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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager mit einem Gehäuse und einem ersten Fluidpfad und einem zweiten Fluidpfad, die mediengetrennt und wärmegekoppelt sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasrückführeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgaswärmeübertrager.
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Gattungsgemäße Abgaswärmeübertrager sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die Rohre des Abgaswärmeübertragers müssen zum einen eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen. Zum anderen müssen die Rohre eine gute Wärmekopplung zwischen dem Fluid innerhalb der Rohre und dem Fluid außerhalb des Rohrs ermöglichen. Die beiden Anforderungen stehen dabei jedoch im Widerspruch zueinander. Für eine möglichst gute Wärmeübertragung werden geringe Wandstärken benötigt, während für eine gute mechanische Stabilität eher hohe Wandstärken benötigt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines Abgaswärmeübertragers bereitzustellen, die sich insbesondere durch bessere Wärmeübertragungsfähigkeit bei gleichbleibender mechanischer Stabilität auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken Helix-förmige Rohre für den Abgaswärmeübertrager zu verwenden, die zusätzlich Einprägungen aufweisen. Die Helixform der Rohre erhöht die mechanische Stabilität, da durch die Helixform eine axiale Elastizität erreicht werden kann, wodurch Spannungen innerhalb des Wärmeübertragers reduziert werden können. Des Weiteren ist die Helixform resistenter gegen druckbedingte Verformungen als beispielsweise Flachrohre. Darüber hinaus bewirkt die Helixform eine Verwirbelung des Fluids, das durch die Rohre strömt, wodurch eine turbulente Strömung erzielt und Wärmeübertrag verbessert werden können. Durch die Einprägungen in dem Helixrohr wird diese Verwirbelung weiter verbessert, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Fluid, das durch die Rohre strömt und der Wand der Rohre ebenfalls weiter verbessert wird. Die Helixform und die Einprägungen in den Rohren bewirken auch eine Verwirbelung des Fluids, das außerhalb der Rohre strömt, so dass auch die Wärmeübertragung zwischen der Rohrwand und dem Fluid außerhalb der Rohre verbessert wird. Insgesamt kann somit eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Fluid innerhalb der Rohre und dem Fluid außerhalb der Rohre erzielt werden.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter „Helix-förmig“ verstanden, dass ein nicht kreisrunder Querschnitt vorliegt, der entlang einer Haupterstreckungsachse rotiert, eine Kreisbahn beschreibt und/oder verdrillt ist. Ein helixförmiges Rohr weist also einen nicht kreisrunden Querschnitt auf und ist entlang seiner Achse beispielsweise verdrillt ist.
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Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Rohre einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Dieser elliptische Querschnitt ist dann entlang der Rohrachse verdrillt. Ein elliptischer Querschnitt weist eine besonders hohe Druckstabilität auf, da weder flache noch geknickte Bereiche der Rohrwand vorliegen.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Einprägungen an einer Schmalseite der Rohre ausgebildet sind. Durch die Ausbildung der Einprägungen an der Schmalseite wird an der Stelle der Einprägungen der Strömungsquerschnitt der Rohre weniger stark eingeschränkt, als an anderen Stellen des Rohrs. Dadurch reduziert sich der durch die Einprägungen erzeugte Druckverlust im Vergleich zu anderen Positionierungen der Einprägungen.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen stehen die Begriff Schmalseite und Breitseite in Relation zueinander. Insbesondere ist die Schmalseite schmaler als die Breitseite. Bei einem elliptischen Querschnitt der Rohre liegt die Schmalseite an den Bereichen, die jeweils von der langen Halbachse des elliptischen Querschnitts geschnitten werden. Somit verläuft die Schmalseite schraubenförmig umlaufend um das Rohr, entsprechend verläuft auch die Breitseite schraubenförmig umlaufend entlang des Rohrs.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Einprägungen an einer Breitseite der Rohre ausgebildet sind. Die Anordnung der Einprägungen an der Breitseite bewirkt einen besonders großen Einfluss auf die Strömung innerhalb des Rohres. Dadurch kann, gegenüber anderen Positionierungen der Einprägungen, eine stärkere Verwirbelung des Fluids innerhalb des Rohres und somit eine stärkere Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und der Rohrwand erzielt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Einprägungen eine langegestreckte Form aufweisen. Die langgestreckte Form bewirkt stromlinienförmige Einprägungen, welche den Strömungswiderstand durch das Rohr weniger stark erhöhen, als beispielsweise kreisrunde Einprägungen. Dennoch können durch die langgestreckten Einprägungen die Oberfläche des Rohrs und somit die Wärmeübertragung zwischen dem Fluid innerhalb des Rohrs und der Rohrwand erhöht werden.
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In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter einer langgestreckten Form verstanden, dass eine Ausdehnung in einer Längsrichtung größer ist als in der dazu senkrecht liegenden Querrichtung. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen Längsausdehnung und Querausdehnung größer als 2:1, vorzugsweise größer als 4:1 und besonders bevorzugt größer als 10:1.
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Eine günstige Variante sieht vor, dass die Rohre jeweils an mindestens einem benachbarten Rohr zumindest punktförmig anliegen. Durch die Helixform können die Rohre derart dicht aneinander gestapelt werden, dass sie zumindest punktförmig aneinander anliegen und dennoch ein durchströmbarer Zwischenraum zwischen Rohren gebildet ist. Insbesondere ist dieser durchströmbare Zwischenraum auch in Querrichtung zu den Rohren durchströmbar. Somit ermöglicht die Helixform, dass sich die Rohre gegenseitig abstützen und somit die mechanische Stabilität des Rohrbündels erhöht wird. Im Ergebnis kann dadurch wiederum die Wandstärke der Rohre reduziert werden, so dass die Wärmeübertragung verbessert werden kann.
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Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass ein quer zu einer Haupterstreckungsrichtung der Rohre durchströmbarer Hohlraum zwischen Rohren gebildet ist. Dieser Hohlraum bildet dann zum Teil den zweiten Fluidpfad, welcher somit durch die Rohrwände thermisch mit dem ersten Fluidpfad gekoppelt ist. Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der zweite Fluidpfad zumindest teilweise durch den Hohlraum zwischen den Rohren gebildet ist. Dadurch ist der zweite Fluidpfad über die Rohrwand der Helix-förmigen Rohre mit dem ersten Fluidpfad thermisch gekoppelt.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass durch den ersten Fluidpfad Abgas einer Brennkraftmaschine geleitet ist und dass durch den zweiten Fluidpfad ein Kühlmittel geleitet ist. Dadurch kann das Kühlmittel das durch den ersten Fluidpfad geleitete Abgas abkühlen.
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Ferner beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken eine Abgasrückführeinrichtung für eine Brennkraftmaschine zum zumindest teilweisen Rückführen von in der Brennkraftmaschine erzeugten Abgasen in die Brennkraftmaschine, mit einem Abgaswärmeübertrager auszustatten, wobei die rückgeführten Abgase durch den Abgaswärmeübertrager geleitet sind, um die Abgase zu kühlen. Somit übertragen sich die Vorteile des Abgaswärmeübertragers auf die Abgasrückführeinrichtung, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Prinzipskizze eines Abgaswärmeübertragers,
- 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Teilabschnitt eines Helix-förmigen Rohrs, wobei Polygonlinien dargestellt sind, um die Form des Rohres zu illustrieren,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellungen einer zweiten Variante eines Helix-förmigen Rohrs,
- 4 eine der 2 entsprechende Darstellungen einer dritten Variante des Helix-förmigen Rohrs,
- 5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer vierten Variante eines Helix-förmigen Rohrs, und
- 6 ein Diagramm, bei welchem die mittels der Wärmeübertragerrohre erzielte Temperaturdifferenz über dem in den Rohren vorliegenden Druckverlust jeweils nominiert auf ein Helix-förmiges Rohr ohne Einprägungen dargestellt ist.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte erste Variante eines Abgaswärmeübertragers 10 kann beispielsweise dazu verwendet werden, in einem Abgasrückführsystem das Abgas zu kühlen, bevor es den Brennräumen der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird. Der Abgaswärmeübertrager 10 umfasst ein Gehäuse 12, in welchem eine erster Fluidpfad 14 und ein zweiter Fluidpfad 16, die mediengetrennt und wärmegekoppelt sind, ausgebildet sind. Ferner weist der Abgaswärmeübertrager 10 einen Einlass 18 für den ersten Fluidpfad 14 und einen Auslass 20 für den ersten Fluidpfad 14 auf. Des Weiteren weist der Abgaswärmübertrager 10 einen Einlass 22 für den zweiten Fluidpfad 16 und einen Auslass 24 für den zweiten Fluidpfad 16 auf.
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Der Abgaswärmeübertrager 10 weist ein Rohrbündel 26 auf, welches durch mehrere nebeneinander angeordnete Rohre 28 gebildet ist. Das Rohrbündel 26 bildet zumindest einen Teil des ersten Fluidpfads 14, der in einem Wärmekontakt mit dem zweiten Fluidpfad 16 steht. Die Rohre 28 des Rohrbündels 26 verbinden jeweils eine Einlasskammer 30 mit einer Auslasskammer 32 des ersten Fluidpfads 14. Ein Fluid, dass durch den ersten Fluidpfad 14 strömt, wird durch den Einlass 18 in das Gehäuse 12 des Abgaswärmeübertragers 10 eingeleitet. Von dort strömt es in die Einlasskammer 30, von der Einlasskammer 30 durch das Rohrbündel 26 zur Auslasskammer 32 und schließlich aus der Auslasskammer 32 durch den Auslass 20 aus dem Gehäuse 12.
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Die Einlasskammer 30 und die Auslasskammer 32 sind gegenüber einem Hohlraum 34, der zwischen den Rohren 28 innerhalb des Gehäuses 12 gebildet ist, durch Trennwände 36 abgedichtet. Der Hohlraum 34 bildet zumindest einen Teil des zweiten Fluidpfads 16, der im Wärmekontakt mit dem ersten Fluidpfad 14 steht. Der Hohlraum 34 ist insbesondere zwischen den Rohren 28 innerhalb des Gehäuses 12 und zwischen den beiden Trennwänden 36 gebildet. Ein Fluid, das durch den zweiten Fluidpfad 16 strömt, strömt durch den Einlass 22 in das Gehäuse 12 ein. Das Fluid verteilt sich innerhalb des Hohlraums 34 und strömt durch den Hohlraum 34 zu dem Auslass 24, durch welchen es aus dem Gehäuse 12 strömt.
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Somit stehen das Fluid, das durch den ersten Fluidpfad 14 strömt, und das Fluid, das durch den zweiten Fluidpfad 16 strömt, in Kontakt mit den Rohren 28. Somit kann über die Rohre 28 Wärme zwischen dem ersten Fluidpfad 14 und dem zweiten Fluidpfad 16 ausgetauscht werden.
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Die Rohre 28 des Rohrbündels 26 sind Helix-förmig ausgebildet. Das heißt sie weisen einen nicht kreisrunden Querschnitt auf, der entlang einer Haupterstreckungsachse 38 der Rohre 28 rotiert. Das Rohr 28 ist also verdrillt. Vorzugsweise weisen die Rohre 28 einen elliptischen Querschnitt auf, der entlang der Haupterstreckungsachse 38 der Rohre 28 verdrillt ist.
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Um die Wärmeübertragung zu verbessern weisen die Rohre 28 Einprägungen 40 auf, welche im Bereich der Einprägungen 40 den Querschnitt des Rohrs 28 verändern, insbesondere verkleinern. Dadurch wird die Oberfläche der Rohrwand 39 vergrößert und somit die Kontaktfläche zwischen dem Rohr 28 und dem jeweiligen Fluid im ersten Fluidpfad 14 oder im zweiten Fluidpfad 16 vergrößert.
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Darüber hinaus erzeugen die Einprägungen 40 auch Turbulenzen innerhalb und außerhalb der Rohre 28, so dass die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden innerhalb und außerhalb der Rohre 28 zu den Rohren 28 und damit auch untereinander verbessert wird.
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Bei der in 2 dargestellten Variante sind die Einprägungen 40 an einer Breitseite 42 der Rohre 28 angeordnet. Durch den elliptischen Querschnitt weisen die Rohre 28 eine Breitseite 42 auf, welche schraubenförmig und das Rohr 28 umläuft. Des Weiteren sind entsprechend zwei Schmalseiten 44 gebildet, welche ebenfalls schraubenförmig um das Rohr 28 umlaufen. Die Schmalseiten 44 und die Breitseiten 42 sind in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Bezogen auf einen elliptischen Querschnitt werden die Schmalseiten 44 von den langen Halbachsen der Ellipsen geschnitten und die Breitseiten 42 von den kurzen Halbachsen der Ellipse des jeweiligen Querschnitts.
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Bei der in 3 dargestellten Variante sind die Einprägungen 40 jeweils an der Schmalseite 44 der Rohre 28 ausgebildet. Gegenüber der in 2 dargestellten Variante wird somit die Querschnittsfläche im Bereich der Einprägungen 40 weniger stark reduziert, so dass der erzeugte Druckverlust durch die Einprägungen 40 verringert werden kann. Allerdings wird dadurch ebenfalls die Erhöhung der Wärmeübertragung verringert.
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Bei der beispielhaft in 4 dargestellten Variante sind die Einprägungen 40 sowohl an den Breitseiten 42 als auch an den Schmalseiten 44 angeordnet. Dadurch kann eine Wirkung erzielt werden, die sowohl was die Wärmeübertragung, als auch den Druckverlust angeht, zwischen den beiden Varianten, die in 2 und 3 dargestellt sind, liegt.
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Eine in 5 dargestellte Variante weist Einprägungen 40 auf, die langgestreckt sind. Das heißt der Querschnitt der Einprägungen 40 ist nicht kreisrund. Stattdessen sind die Einprägungen 40 eher tropfenförmig ausgebildet, so dass ein geringerer Strömungswiderstand durch die Einprägungen 40 erzielt wird. Dadurch kann gegenüber den in den 2 bis 4 dargestellten Varianten eine erhöhte Wärmeübertragung bei vergleichbarem Druckverlust erzielt werden.
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In 6 ist beispielhaft ein Diagramm dargestellt, bei welchem eine in den Rohren 28 erzielte Temperaturabsenkung ΔT, normiert auf ein helikales Rohr 28 ohne Einprägungen 40, über den in den Rohren 28 verursachte Druckverlust ΔP, ebenfalls normiert auf ein helikales Rohr 28 ohne Einprägungen, dargestellt ist. Jeweils bei 100% ist ein Messpunkt 46 für ein helikales Rohr 28 ohne Einprägungen 40 dargestellt.
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Des Weiteren ist mit dem Bezugszeichen 48 ein Messpunkt für ein helikales Rohr 28 mit Einprägungen 40 an der Schmalseite 44, welches der Variante aus 3 entspricht, dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 50 ist ein Messpunkt für ein helikales Rohr 28 mit Einprägungen 40 an der Breitseite 42 und der Schmalseite 44, welches der Variante aus 4 entspricht, dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 52 ist ein Messpunkt für ein helikales Rohr 28 mit stromlinienförmigen Einprägungen 40, das der Variante aus 5 entspricht, dargestellt. Schließlich ist noch ein Messpunkt mit dem Bezugszeichen 54 gekennzeichnet, welcher einem Rohr 28 mit Einprägungen 40 an der Breitseite 42 entspricht, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist.
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Erkennbar ist, dass die Einprägungen 40 eine Erhöhung der Temperaturabsenkung ΔT (Ordinate) bewirken. Allerdings bewirken die Einprägungen 40 auch durchweg eine Erhöhung des Druckverlusts ΔP (Abszisse).
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Betrachtet man die Messwerte 48, 50 und 54, welche den Varianten aus den 2, 3 und 4 entsprechen, kann man erkennen, dass die Anordnung der Einprägungen 40 an der Schmalseite 44 einen schwächeren Druckverlust ΔP zur Folge hat, allerdings auch eine geringere Temperaturabsenkung ΔT bewirkt. Die Einprägungen 40 an der Breitseite 42 bewirken eine größere Temperaturabsenkung ΔT allerdings auch einen größeren Druckverlust ΔP. Das Rohr 28, dass sowohl an der Breitseite 42 als auch an der Schmalseite 44 Einprägungen 40 aufweist, liegt sowohl bei der Temperaturreduktion ΔT als auch beim Druckverlust ΔP zwischen den beiden Werten 48 und 54. Die stromlinienförmige Ausbildung der Einprägungen 40 bewirken die größte Temperaturreduktion ΔT, während der Druckverlust ΔP etwa dem Rohr entspricht, das sowohl an der Breitseite 42 als auch an der Schmalseite 44 Einprägungen aufweist.
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Daher kann durch die langgestreckten Einprägungen 40 ein besseres Verhältnis zu Temperaturreduktion und Druckverlust erzielt werde, als mit den kreisrunden Einprägungen.
