DE10232763A1

DE10232763A1 - Abgasrückführkühler

Info

Publication number: DE10232763A1
Application number: DE10232763A
Authority: DE
Inventors: Franz Schweinzer; Marko-Dejan Vide; Jan Marek
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: US6612293B2; DE10232763B4; AT5579U1; US20030037774A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasrückführkühler (9), welcher in einer von einem Auslasssystem (3) abzweigenden und zu einem Einlasssystem (2) einer Brennkraftmaschine (1) führenden Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist, wobei der Abgasrückführkühler (9) als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium (12) gefülltes Wärmerohr (11) aufweist, dessen erstes Ende (13) vom Abgas der Abgasrückführleitung (4) beaufschlagt ist und dessen zweites Ende (15) mit einer Wärmesenke in Kontakt steht. Um auf einfache und platzsparende Weise eine effiziente Kühlung der rückgeführten Abgase zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Längsachse (9') des Abgasrückführkühlers (9) parallel zur Achse (11') des zumindest einen Wärmerohres (11) ausgerichtet ist, sodass die Abgasführung im Abgasrückführkühler (9) im Wesentlichen axial erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasrückführkühler, welcher in einer von einem Auslasssystem abzweigenden und zu einem Einlasssystem einer Brennkraftmaschine führenden Abgasrückführleitung angeordnet ist, wobei der Abgasrückführkühler als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium gefülltes Wärmerohr aufweist, dessen erstes Ende vom Abgas der Abgasrückführleitung beaufschlagt ist und dessen zweites Ende mit einer Wärmesenke in Kontakt steht.
Es ist bekannt, zur Absenkung der NOx-Emissionen bei Brennkraftmaschinen eine Teilstrom des Abgases aus dem Auslasssystem in das Einlasssystem rückzuführen. Die Verringerung der NOx-Emissionen erfolgt dabei direkt bei der Verbrennung, einerseits durch eine Reduktion der Flammentemperatur und andererseits durch eine Reduktion der Brenngeschwindigkeit. Obwohl also durch die Abgasrückführung die Temperatur des angesaugten Frischluft-Abgas-Gemisches erhöht wird, haben die oben genannten Mechanismen während der Verbrennung den Effekt einer Brenngastemperaturerniedrigung. Um die NOx-Emissionen weiter zu senken, ist es vorteilhaft, beide Komponenten des angesaugten Gasgemisches (Frischluft und rückgeführtes Abgas) zusätzlich noch soweit wie möglich abzukühlen. Eine Brennkraftmaschine dieser Art ist beispielsweise aus der DE 43 19 380 A1 bekannt. Der Abgasrückführkühler ist üblicherweise als einfacher Luft/Luft- oder Luft/Wasser-Wärmetauscher ohne ein den Aggregatzustand änderndes Arbeitsmedium ausgebildet.
Aus der US 3,962,869 A und der US 4,107,922 A ist eine Brennkraftmaschine mit einem Wärmerohr-Wärmetauscher im Auslasssystem bekannt, welcher dem Abgas Wärme im Bereich eines Auslasssammlers entzieht und einem Abgasreaktor zuführt.
Aus der RU 2 070 655 C1 ist ferner eine Brennkraftmaschine mit einem Wärmerohr-Wärmetauscher bekannt, welcher Wärme dem Abgas des Auslasssystems entzieht, und einem Vergaser des Einlasssystems zuführt.
Aus der US 3,662,542 A ist eine Abgasheizeinrichtung bekannt, mit welcher dem heißen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine im Wärmetauscher-Prinzip Energie entnommen und für die Beheizung von Fahrzeuginnenräumen verwendet wird. Die Vorrichtung ist allerdings nicht in einer Abgasrückführleitung eingebaut, sondern im Auspuffsystem der Brennkraftmaschine.
Ein in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine zentrisch angeordnetes Wärmerohr ist beispielsweise aus der US 3,737,286 A bekannt, dieses dient allerdings nicht zur Abgaskühlung sondern zu einer Nachverbrennung der Abgase unter Luftzugabe.
Wärmerohr-Wärmetauscher, welche nach dem sogenannten Heat-Pipe-Prinzip arbeiten, weisen eine oder mehrere geschlossene und evakuierte Röhren auf. Jede Röhre bildet einen geschlossenen Kreislauf. Der Wärmetransport erfolgt dabei durch die Zirkulation eines speziellen Arbeitsmediums in der Röhre. Durch stetiges Verdampfen und anschließendes Kondensieren des verdampfbaren Arbeitsmediums, beispielsweise Methanol, wird die an einem Ende des Rohres zugeführte Wärme am anderen Ende des Rohres durch Kondensation des Arbeitsmediums an eine Wärmesenke abgegeben.
Ein als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgebildeter Abgasrückführkühler, weicher zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium gefülltes Wärmerohr aufweist, dessen erstes Ende in der Abgasrückführleitung angeordnet ist und dessen zweites Ende mit einer Wärmesenke verbunden ist, ist aus der AT-GM 3.888 bekannt geworden. Das in der Abgasrückführleitung angeordnete erste Ende jedes Wärmerohres wird vom rückgeführten Abgas umströmt, wobei die Strömungsrichtung des Abgases im Wesentlichen normal auf die Achse jedes Wärmerohres (Querströmung) gerichtet ist. Das mit einer Wärmesenke verbundene zweite Ende wird vom gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium umströmt. Die Wärmesenke kann dabei durch den Kühlkreislauf des Motors oder den Heizkreislauf für den Fahrzeuginnenraum gebildet sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasrückführkühler der eingangs genannten Art derart weiterzubilden dass bei vergleichbarer Leistung mit möglichst wenigen Wärmerohren eine konstruktiv einfache, leichte und platzsparend ausgeführte Bauform erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Längsachse des Abgasrückführkühlers parallel zur Achse des zumindest einen Wärmerohres ausgerichtet ist, sodass die Abgasführung im Abgasrückführkühler im Wesentlichen axial erfolgt. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter Bauteil, bei welchem aufgrund der Längsdurchströmung eine Verbesserung der Kühlleistung bei einer Verringerung der Druckverluste auftritt.
Eine besonders gute Kühlung des rückgeführten Abgases ergibt sich, wenn das Gehäuse des Abgasrückführkühlers rohrförmig ausgebildet ist und von einer Halteplatte in einen ersten, vom Abgas durchströmten Teil sowie in einen zweiten, von einem Kühlmedium durchströmten Teil unterteilt ist, wobei die Halteplatte ein Bündel von Wärmerohren hält, deren erste Enden in den vom Abgas durchströmten Teil und deren zweite Enden in den vom Kühlmedium durchströmten Teil des Abgasrückführkühlers ragen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmerohre in zumindest einem konzentrischen Kreis um ein zentrales Wärmerohr angeordnet sind, wobei der vom Abgas durchströmte Teil des Abgasrückführkühlers an einem Ende eine im Wesentlichen axiale Abgaseinlassöffnung und am davon abgewandten Ende eine im Wesentlichen radiale Abgasauslassöffnung aufweist. In einer bevorzugten Anordnung kann z. B. ein zentrales Wärmerohr von sechs Wärmerohren in einem konzentrischen Kreis umgeben sein. Zur Verbesserung der gleichmäßigen Anströmung der einzelnen Wärmerohre kann ausgehend von der Abgaseinlassöffnung ein sich in Richtung der Wärmerohre aufweitender Diffusor angeordnet sein, wobei das zentrale Wärmerohr die übrigen Wärmerohre überragen und in den Bereich des Diffusors reichen kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der vom Abgas durchströmte Teil des Abgasrückführkühlers im Bereich der Abgasauslassöffnung zwei konzentrisch angeordnete Rohre aufweist, welche einen torusförmigen Raum bilden, wobei das an den Diffusor anschließende, innere Rohr zusammen mit der Trägerplatte eine Spaltöffnung bildet. Der Abgasstrom wird somit zunächst längs der einzelnen Wärmerohre geführt und tritt im Bereich der Halteplatte in den torusförmigen Raum über in welchem die Abgasauslassöffnung angeordnet ist. Dadurch wird eine Kurzschlussströmung von der Abgaseinlassöffnung direkt zur Auslassöffnung und eine ungleichmäßige Beaufschlagung der einzelnen Wärmerohre vermieden. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn die Spaltöffnung schräg verläuft und im Bereich der Abgasauslassöffnung den geringsten Abstand zur Trägerplatte aufweist. Auf der Seite der Abgasauslassöffnung kann das innere Rohr auch bis zur Halteplatte herangeführt sein.
Entsprechend einem allfälligen Wärmegefälle im Abgasrückführkühler können die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke unterschiedlich sind. Innerhalb ein und desselben Abgasrückführkühlers kann darüber hinaus bei zumindest zwei Wärmerohren die Art des Arbeitsmediums und/oder dessen Füllstand unterschiedlich sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Schemazeichnung einer Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Abgasrückführkühler,
Fig. 2 einen Längsschnitt des Abgasrückführkühlers, sowie die
Fig. 3 und 4 Radialschnitte des Abgasrückführkühlers gemäß Linien III-III bzw. IV-IV in Fig. 2.
Funktionsgleiche Teile sind in den einzelnen Darstellungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist ein Einlasssystem 2 und ein Auslasssystem 3 auf. Mit 2a ist ein Einlasssammler des Einlasssystems 2 und mit 3a ein Auslasssammler des Auslasssystems 3 bezeichnet. Zur Rückführung von Abgas zweigt vom Auslasssystem 3 eine Abgasrückführleitung 4 ab und mündet in das Einlasssystem 2, wobei im Bereich der Mündung eine Düse-Diffusoreinheit 5 angeordnet sein kann. Die Düse-Diffusoreinheit 5 kann gegebenenfalls über eine Bypassleitung 6, in welcher ein Steuerventil 7 vorgesehen ist, umgehbar ausgeführt sein.
Zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases ist in der Abgasrückführleitung 4 ein Abgasrückführ-Steuerventil 8 angeordnet. In der Abgasrückleitung 4 ist der erfindungsgemäße Abgasrückführkühler 9 (Details siehe Fig. 2) vorgesehen, mit welchem die Temperatur des rückgeführten Abgases und somit die Brennraumtemperatur weiter abgesenkt werden kann, um die NOx-Emissionen zu reduzieren. Der Abgasrückführkühler 9 ist als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgeführt und arbeitet nach dem Prinzip von bekannten Heat-Pipe-Systemen. Der Wärmerohr-Wärmetauscher weist eine Anzahl von geschlossenen Wärmerohren 11 auf, deren Innenraum evakuiert ist und ein verdampfbares Arbeitsmedium, beispielsweise Alkohol, Wasser, etc., beinhaltet. Das Gehäuse 10 des Abgasrückführkühlers 9 ist rohrförmig ausgebildet und von einer Halteplatte 12 in einen ersten, vom Abgas durchströmten Teil 13 sowie in einen zweiten, von einem Kühlmedium durchströmten Teil 14 unterteilt. Die Halteplatte 12 weist ein Bündel von Wärmerohren 11 auf, deren erste Enden 15 in den vom Abgas durchströmten Teil 13 und deren zweite Enden 16 in den vom Kühlmedium durchströmten Teil 14 des Abgasrückführkühlers 9 ragen. Insbesondere bei einem flüssigen Kühlmedium können sich die zweiten Enden 16 in einem geschlossenen Kühlkanal eines Kühlkreislaufes 22 befinden, welcher beispielsweise ein Motorkühlkreislauf bzw. ein Heizungskreislauf für den Fahrgastinnenraum sein kann. Mit Bezugszeichen 23 ist ein Wärmetauscher zur Ableitung der Wärme des Kühlkreislaufes 22, beispielsweise der Kühler oder ein Heizungsradiator, bezeichnet.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist zur Verbesserung der Abgasführung sowie zur Anhebung des Wirkungsgrades die Längsachse 9' des Abgasrückführkühlers 9 parallel zu den Achsen 11' der Wärmerohre 11 ausgerichtet, sodass die Abgasführung im Abgasrückführkühler 9 im Wesentlichen axial erfolgt. Ausgehend von der Abgaseinlassöffnung 17 ist ein sich in Richtung der Wärmerohre 11 aufweitender Diffusor 19 angeordnet. Weiters weist der vom Abgas durchströmte Teil 13 des Abgasrückführkühlers 9 zwei konzentrisch angeordnete Rohre auf, welche im Bereich der Abgasauslassöffnung 18 einen torusförmigen Raum 20 bilden, wobei das an den Diffusor 19 anschließende, innere Rohr 19' zusammen mit der Trägerplatte 12 eine Spaltöffnung 21 für den Übertritt des Abgases in den torusförmigen Raum 20 bildet. Um eine direkte Verbindung zwischen Abgaseinlass- und Abgasauslassöffnung zu vermeiden, kann der Spalt 21 in Bezug auf die Halteplatte 12 schräg verlaufen und auf der Seite der Abgasauslassöffnung 18 den geringsten Abstand zur Halteplatte 12 aufweisen.
Der vom Kühlwasser durchströmte Teil 14 des Abgasrückführkühlers 9 weist eine Einlassöffnung 24 für den Kühlwassereintritt sowie eine Auslassöffnung 25 für den Kühlwasseraustritt auf.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt im Bereich der Achse der Abgasauslassöffnung 18, welche das Abgas aus dem torusförmigen Raum 20 abführt.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt auf der Höhe der Einlassöffnung 24 für das Kühlwasser, wobei die in das Kühlwasser eintauchenden Enden der Wärmerohre 11 erkennbar sind.
Durch das in den Teil 13 des Abgasrückführkühlers 9 geleitete Abgas werden die ersten Enden 15 der Wärmerohre 11 und somit das darin enthaltene Arbeitsmedium erwärmt, wodurch dieses verdampft und dem Abgas Wärme entzieht. Die zweiten Enden 16 werden durch das Kühlmedium im Teil 14 gekühlt, wodurch das dampfförmige Arbeitsmedium im Bereich der zweiten Enden 16 kondensiert und dabei Wärme an das Kühlmedium abgibt. Das kondensierte Arbeitsmedium gleitet entlang der Innenwand der Wärmerohre 11 nach unten zu den ersten Enden 15 der Wärmerohre. Dieser "freie" Umlauf des Arbeitsmediums kann durch den Einbau eines Kapillarenkörpers 26 (siehe Fig. 3 und 4) entlang der gesamten Länge der Wärmerohrinnenwand in eine Art "Zwangsumlauf" übergeführt werden. Der Kapillarenkörper 26, der vorzugsweise aus mehreren Lagen eines Drahtgeflechtes bzw. aus einem porösen Metallschwamm besteht, verbessert sowohl den Transport des kondensierten Arbeitsmediums zur Wärmequelle als auch die Verdampfungsbedingungen.
Die Wärmerohre 11 sind vorteilhafterweise in zumindest einem konzentrischen Kreis (siehe Fig. 3 und Fig. 4) um ein zentrales Wärmerohr 11 angeordnet.
Der erfindungsgemäße Abgasrückführkühler erlaubt eine einfache und effektive Kühlung des rückgeführten Abgases, kann sehr kompakt ausgeführt werden, arbeitet mit hohem Wirkungsgrad, weist kurze Ansprechzeiten auf und besitzt einen sehr geringen Strömungswiderstand.

Claims

1. Abgasrückführkühler (9), welcher in einer von einem Auslasssystem (3) abzweigenden und zu einem Einlasssystem (2) einer Brennkraftmaschine (1) führenden Abgasrückführleitung (4) angeordnet ist, wobei der Abgasrückführkühler (9) als Wärmerohr-Wärmetauscher ausgebildet ist und zumindest ein geschlossenes evakuiertes und mit einem Arbeitsmedium gefülltes Wärmerohr (11) aufweist, dessen erstes Ende (15) vom Abgas der Abgasrückführleitung (4) beaufschlagt ist und dessen zweites Ende (16) mit einer Wärmesenke in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (9') des Abgasrückführkühlers (9) parallel zur Achse (11') des zumindest einen Wärmerohres (11) ausgerichtet ist, sodass die Abgasführung im Abgasrückführkühler (9) im Wesentlichen axial erfolgt.

2. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) des Abgasrückführkühlers (9) rohrförmig ausgebildet ist und von einer Halteplatte (12) in einen ersten, vom Abgas durchströmten Teil (13) sowie in einen zweiten, von einem Kühlmedium durchströmten Teil (14) unterteilt ist, wobei die Halteplatte (12) ein Bündel von Wärmerohren (11) hält, deren erste Enden (15) in den vom Abgas durchströmten Teil (13) und deren zweite Enden (16) in den vom Kühlmedium durchströmten Teil (14) des Abgasrückführkühlers (9) ragen.

3. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (11) in zumindest einem konzentrischen Kreis um ein zentrales Wärmerohr (11) angeordnet sind.

4. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Abgas durchströmte Teil (13) an einem Ende eine im Wesentlichen axiale Abgaseinlassöffnung (17) und am davon abgewandten Ende eine im Wesentlichen radiale Abgasauslassöffnung (18) aufweist.

5. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Abgaseinlassöffnung (17) ein sich in Richtung der Wärmerohre (11) aufweitender Diffusor (19) angeordnet ist.

6. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Wärmerohr (11) die übrigen Wärmerohre (11) überragt und in den Bereich des Diffusors (19) reicht.

7. Abgasrückführkühler (9) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Abgas durchströmte Teil (13) des Abgasrückführkühlers (9) im Bereich der Abgasauslassöffnung (18) zwei konzentrisch angeordnete Rohre aufweist, welche einen torusförmigen Raum (20) bilden, wobei das an den Diffusor (19) anschließende, innere Rohr (19') zusammen mit der Trägerplatte (12) eine Spaltöffnung (21) bildet.

8. Abgasrückführkühler (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltöffnung (21) schräg verläuft und im Bereich der Abgasauslassöffnung (18) den geringsten Abstand zur Trägerplatte (12) aufweist.

9. Abgasrückführkühler (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke durch ein flüssiges Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser des Motorkühlkreislaufes (22), gebildet ist.

10. Abgasrückführkühler (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser und/oder die Eintauchtiefen der Wärmerohre (11) in das rückgeführte Abgas und/oder in die Wärmesenke unterschiedlich sind.

11. Abgasrückführkühler (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Wärmerohre (11) verschiedene Arten von Arbeitsmedien - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgasrückführkühlers (9) - aufweisen.

12. Abgasrückführkühler (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Wärmerohre (11) unterschiedliche Füllstände des Arbeitsmediums (12) - entsprechend dem Wärmegefälle des Abgasrückführkühlers (9) - aufweisen.