DE10349887A1

DE10349887A1 - Kühler für ein Abgas-Rückführ-System bei einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10349887A1
Application number: DE10349887A
Authority: DE
Inventors: Volker Wenke
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-10-25
Filing date: 2003-10-25
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-10-26
Also published as: DE10349887B4

Abstract

Ein Kühler (1) für ein Abgas-Rückführ(AGR)-System soll bei reduziertem Materialeinsatz und Montageaufwand eine Erhöhung der Wärmeübertragungs-Effektivität aufweisen. Hierzu ist der Durchflusskanal für das zu kühlende Abgas (2) als Kühlprofil (3) ausgebildet, das hinsichtlich seines Querschnitts eine Profilform mit zu einer Kreisform vergrößerter Außenoberfläche aufweist, wobei das Kühlprofil (3) von einem Außenrohr (9) ummantelt ist, durch das das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, strömt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühler für ein Abgas-Rückführ(AGR)-System bei Verbrennungsmotoren mit einem Durchflusskanal für das zu kühlende Abgas, wobei das Abgas im Durchflusskanal von vorbeiströmendem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, gekühlt wird.

Derartige Abgaskühler werden in AGR-(Abgas-Rückführ)-Systemen eingesetzt, die bei Verbrennungsmotoren zur Reduzierung der Emissionswerte des Abgases dienen. Hierbei wird ein Teil der Abgase in das Saugrohr und dann in die Verbrennungskammer des Motors zurückgeführt, um die Verbrennungstemperatur und damit die NOx-Produktion zu erniedrigen. Wenn keine Kühlung des Abgases gewünscht ist, insbesondere beim Start des Motors, wird das Abgas an dem Kühler vorbei geleitet bzw. so gebündelt, dass eine Kühlung nicht mehr bzw. nur noch marginal stattfindet. Dies wird durch eine regelbare Bypassfunktion realisiert, wobei das Abgas zeitweise umgeleitet wird.

Aus der US 4,147,141 ist bekannt, diese Bypassfunktion durch eine separate Bypassrohrleitung zu bilden. Das beschriebene AGR-System umfasst ein Rohr, in das ein AGR-Kühler eingesetzt ist, der mit dem Bypassrohr umgangen werden kann. Gesteuert wird der Abgasstrom mittels einer Regelklappe, die sich an der Abzweigung zwischen dem Bypassrohr und dem AGR-Rohr mit integriertem Kühler befindet.

Auch die DE 199 30 416 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines zur Saugseite eines Verbrennungsmotors zurück geführten Abgasmassenstroms. Allerdings wird die von einem Lader angesaugte Verbrennungsluft zur Kühlung des rückgeführten Abga ses verwandt. Hierzu wird die Abgasrückführ-(AGR-)Leitung auf einem Teilstück ihres Verlaufs durch den Ansaugtrakt des Laders geführt. Die AGR-Leitung kann zur besseren Kühlung des durch sie hindurch strömenden Abgases mit einem die Oberfläche vergrößernden Querschnitt ausgeführt sein. Hierzu kann ein mäanderförmig geformter separater Kühlkörper die AGR-Leitung umgeben, der von der Ansaugluft durchströmt wird. Das zu kühlende Abgas fließt immer durch die zylinderförmige AGR-Leitung.

Herkömmliche AGR-Kühler bestehen aus einer Vielzahl von Rohren, die zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind, oder Lamellen, die jeweils an Endscheiben oder Lochblechen des Kühlers arretiert sind. Das Abgas, das durch das Rohrbündel oder die Lamellen strömt, wird durch daran vorbei fließendes Kühlwasser gekühlt. Diese Baueinheit erfordert einen hohen Montageaufwand und relativ großen Materialeinsatz. Zudem weist der Rohrbündelkühler relativ hohe Druckverluste auf und macht unter Umständen den Einsatz unterschiedlicher Löt- und Fügeverfahren notwendig.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen AGR-Kühler bereitzustellen, der diese Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll ein Kühler geschaffen werden, der bei reduziertem Materialeinsatz und Montageaufwand eine gleiche oder höhere Wärmeübertragungs-Effizienz aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Kühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Kerngedanke der Erfindung ist, den Durchflusskanal für das zu kühlende Abgas selbst als Kühlprofil auszubilden, wobei die Kühlung mittels vorbeistreichendem Kühlwasser erreicht wird. Dieses Kühlprofil, das anstelle des Rohrbündels oder der Lamellen in ein Außenrohr eingesetzt wird, wird den Anforderungen an den AGR-Kühler von den Abmessungen her (d.h. Länge, Außen- und Innendurchmesser) angepasst. Da das Kühlprofil hinsichtlich seines Querschnitts eine Profilform mit zu einer Kreisform vergrößerten Außenoberfläche aufweist, kann auf die Vielzahl der Röhren oder Lamellen bei trotzdem hohem Wärmeübertragungswert verzichtet werden, was den Materialein satz verringert und die Montagezeit verkürzt.

Um – ausgehend von der gleichen Grundbaueinheit – sowohl einen ungeregelten als auch geregelten AGR-Kühler bereitstellen zu können, ist ein Innenrohr in das Kühlprofil eingesetzt. Für einen ungeregelten Kühler wird dieses Innenrohr am Abgaseintrittsbereich bzw. an der Einströmseite und/oder am Abgasaustrittsbereich mit einer entsprechenden Kappe bei der Montage verschlossen. Bei einem geregelten AGR-Kühler wird an die Einströmseite des Innenrohrs ein Stellelement, insbesondere eine Drosselklappe, installiert, welches über einen außen liegenden Steuermechanismus bewegt wird. Der Abgasaustrittsbereich bzw. die Ausströmseite des Innenrohrs ist bei dieser Variante nicht verschlossen. Das Stellelement kann ebenso am Abgasaustrittsbereich angeordnet sein.

Das Außenrohr des Kühlers bzw. der Außenmantel kann rund oder eckig oder nach einer bevorzugten Ausführungsform zur Steigerung der Kühlleistung profiliert sein bzw. einen von der Kreisform abweichenden, profilierten Querschnitt aufweisen. Durch geeignete Profilierung des Außenmantels in Abhängigkeit der Profilkammern des Durchflusskanals bzw. des Kühlprofils kann das vorbei streichende Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, gezwungen werden, in den engeren Bereichen zwischen den Profilkammern vorbei zufließen. Dies ist mit einer Steigerung der Kühlleistung verbunden.

Das Außenrohr bzw. -profil und das Innenprofil können aus einem Stück gefertigt sein. Ebenso können sich sowohl das Außen- als auch das Innenprofil aus mehreren Segmenten zusammensetzen. Die Segmente, die über den Querschnitt das Gesamtprofil ergeben, werden beispielsweise durch Löten oder Rollnahtschweißen oder andere Fügeverfahren miteinander verbunden.

Ein solches Profil oder Profilsegment besteht aus einer Mehrzahl von benachbarten Profilkammern, die beispielsweise in ein Blech durch Umformen eingebracht werden. Die Übergänge zwischen den Profilkammern sind entweder eckig oder rund und kommen auf dem Innenrohr zur Anlage.

Das Kühlprofil bzw. die Profilsegmente können eine glatte Oberflächenkontur aufweisen. Sie können aber zur Effektivitätssteigerung selbst auch nochmals profiliert sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Längsansicht des Kühlprofils des erfindungsgemäßen AGR-Kühlers;
2 eine Querschnittsdarstellung der 1;
3 die Detaildarstellung P der 2;
4 eine Querschnittsdarstellung eines Profilsegmentes des Kühlprofils;
5 eine Querschnittsdarstellung eines AGR-Kühlers mit profiliertem Durchflusskanal und profiliertem Außenrohr;
6 eine Schnittansicht längs eines geregelten AGR-Kühlers im Einbauzustand.
1 zeigt die Längsansicht (Achse y) des Durchflusskanals eines Abgas-Kühlers 1 für ein Abgas-Rückführ(AGR)-System eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt). Dieser Durchflusskanal, durch den das zu kühlende Abgas 2 strömt und anschließend in das Saugrohr des Verbrennungsmotors eintritt, ist als Kühlprofil 3 mit einer im Querschnitt zu einer Kreisform vergrößerten Außenoberfläche ausgebildet. Das Kühlprofil 3 kann aus mehreren sternförmig zueinander angeordneten, zur Kreisform gebogenen, Profilkammern 4 bestehen, wie dies anhand von 2 gezeigt wird und mit 3 als Detailansicht des Ausschnitts P verdeutlicht wird.
Innerhalb des Profilkammer-Kreises bzw. Profilkammer-Mantels ist ein zylindrisches Innenrohr 5 angeordnet, das ebenfalls zum Durchströmen von Abgas dient. Sowohl nach innen als auch nach außen hin beschreiben die Profilkammern 4 mit ihren inneren und äußeren Übergängen (6, 7) gemeinsame Kreise.
Das Kühlprofil 3 setzt sich aus einem, vorzugsweise aus mehreren Profilsegmenten 8 zusammen, wie dies in 4 gezeigt ist. Die Abmessungen der Profilkammern 4 und der Profilsegmente 8 können je nach Anforderung angepasst sein. Dies bezieht sich beispielsweise auf die Länge der Profilkammern (w), den Abstand der inneren Profilkammer-Übergänge vom Kühlprofil-Mittelpunkt (x), die Breite der einzelnen Profilkammern (y) sowie auf die Radien der Übergänge zwischen den einzelnen Profilkammern (z). Die Länge der Blechabschnitte w₁ und w₂ berücksichtigen die Blechdicke und unterscheiden sich geringfügig.
Während mit 3 die Ausführungsform mit eckigen Übergangsradien (z_e) gezeigt ist, stellt 4 die Ausführungsform mit runden Übergängen (z_r) dar, die in Kontakt mit dem Innenrohr 5 kommen.
Ein solches Kühlprofil 3 aus kreisförmig zueinander angeordneten, sich in ihrer Längsrichtung axial zum Durchflusskanal erstreckenden Profilkammern 4 mit etwa rechteckigen Querschnitten wird als Inlet in ein Außenrohr 9 bzw. einen Außenmantel integriert. Dieser Außenmantel kann aus einem oder mehreren profilierten Segmenten 10 hergestellt sein, wie dies aus 5 hervorgeht. Drei Mantelsegmente 10 werden an ihren Übergängen 11 miteinander verbunden, beispielsweise geschweißt oder gelötet. Eine gleichmäßige wellige Profilierung des Außenmantels 9 wird so gewählt, dass die Täler 12 des Profils entsprechend der Zwischenräume 13 der Profilkammern angeordnet sind, während sich die Erhebungen 14 in Verlängerung zu den Profilkammern befinden. Auf diese Weise werden die Zwischenräume 13 strömungstechnisch so beeinflusst, dass das durchfließende Kühlwasser gezwungen ist, auch in den engen, inneren Zwischenräumen 13 der Profilkammern 4, zu fließen, so dass ein hoher Kühlgrad realisiert wird.
Ein Beispiel für einen geregelten AGR-Kühler zeigt 6. Der AGR-Kühler 1, bestehend aus einem zylindrischen Innenrohr 5, dem radial hierzu angeordneten Kühlprofil 3 sowie dem Außenmantel 9, ist mit einer Abgas führenden Leitung verbunden, die durch einen Diffusor bzw. eine Diffusorkappe 15 gebündelt wird. In diesem Abgaseintrittsbereich 16 bzw. Strömungseintrittsbereich ist am Innenrohr 5 als Stellelement 17 eine Drosselklappe angeordnet, die mittels einer Lagerwelle 18 an der Klappenlagerung 19 befestigt ist und hinsichtlich ihrer Öffnungs- und Verschlussstellung steuerbar ist. Das Kühlprofil 3 ist mittels eines Trennblechs 20 innerhalb des Außenmantels 9 arretiert. Für den Fall, dass das Abgas gekühlt werden soll, ist die Drosselklappe 17 geschlossen, so dass das Abgas durch die Diffusorkappe 15 in das Kühlprofil 3 einströmt und durch das vorbei streichende Kühlwasser gekühlt wird. Ist eine Kühlung nicht oder weniger stark gewünscht, wird die Drosselklappe 17 geöffnet. Das Abgas fließt aufgrund des geringeren Widerstandes durch das Innenrohr 5 und bleibt im Vergleich wärmer.
Nachfolgend wird die Herstellung eines beispielhaften AGR-Kühlers, auf den die Erfindung nicht beschränkt ist, beschrieben. Die Segmente 8 des Kühlprofils können beispielsweise durch Biegen bzw. Falten von geeignet zugeschnittenen Blechen geformt werden. Es werden nach der gezeigten Ausführungsform, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist, drei dieser Profilsegmente 8 oder ein Profil durch Löten oder Rollnahtschweißen oder andere Fügeverfahren miteinander verbunden. Zusammen mit einem integrierten Innenrohr 5, das durch einen Lötprozess mit dem Kühlprofil 3 verbunden wird, werden sie an ihren Enden an zwei Loch- bzw. Trennblechen 20 fixiert und in einem Außenrohr 9 bzw. Außenmantel befestigt.
Die Segmente 10 des Außenmantels oder ein Profil werden in die oben beschriebene Wellenform gepresst und miteinander verbunden. Zusammen mit zwei Endkappen zum vollständigen Verschließen des Innenrohrs 5 vorne und hinten werden für einen ungeregelten Kühler daher nur zum Beispiel acht Bauteile benötigt (zwei Lochbleche 20, drei Profilsegmente 8, ein Innenrohr 5 und zwei Endkappen (nicht gezeigt)). Zu der Baueinheit eines herkömmlichen Kühlers aus einem Rohrbündel oder Lamellen bedeutet dies eine enorme Ersparnis von Einzelbauteilen. Zum Vergleich besteht eine solche bekannte Baueinheit aus zum Beispiel insgesamt 21 Bauteilen mit 19 Rohren sowie zwei Lochblechen.
Bei einem geregelten AGR-Kühler (6) kommt anstelle der beiden Endkappen ein Stellelement 17, beispielsweise die beschriebene Drosselklappe, zum Einsatz, so dass hier nur noch sieben Bauteile verbaut werden müssen.
Insgesamt zeichnet sich daher der vorgeschlagene Kühler durch einen niedrigen Materialanteil aus, wobei die Fertigungskosten im Verhältnis gesenkt werden können. Es können beliebige Profilformen für das Kühlprofil zur optimalen Einstellung des Kühlgrades konstruiert werden. Durch die Bauweise mit Hilfe von Segmenten für das Kühlprofil und/oder den Außenmantel ist eine komplexe Geometrie bei Herstellungsmethoden für die Massenproduktion einstellbar.

1: AGR-Kühler
2: Abgas
3: Kühlprofil
4: Profilkammer
5: Innenrohr
6: innerer Übergang zwischen zwei benachbarten Profilkammern
7: äußerer Übergang zwischen zwei benachbarten Profilkammern
8: Profilsegment
9: Außenrohr oder Außenmantel
10: Segment des Außenmantels
11: Übergänge der Segmente des Außenmantels
12: Täler der Profilierung des Außenmantels
13: Zwischenraum zwischen benachbarten Profilkammern 4
14: Erhebungen der Profilierung des Außenmantels
15: Diffusorkappe
16: Abgaseintrittsbereich
17: Stellelement, Drosselklappe
18: Lagerwelle
19: Klappenlagerung
20: Trennblech oder Lochblech
w: Länge der Profilkammern bis zum Kühlprofil-Mittelpunkt
x: Abstand der inneren Profilkammern-Übergänge vom Kühlprofil-Mittelpunkt
y: Breite der Profilkammer
z: Übergangsradius zwischen zwei benachbarten Profilkammern (z_e = eckig; z_r=
: rund)

Claims

Kühler (1) für ein Abgas-Rückführ(AGR)-System mit einem Durchflusskanal für das zu kühlende Abgas (2), wobei das Abgas im Durchflusskanal von vorbeiströmendem Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusskanal als Kühlprofil (3) hinsichtlich seines Querschnitts eine Profilform mit zu einer Kreisform vergrößerter Außenoberfläche aufweist, wobei das Kühlprofil (3) von einem Außenrohr (9) ummantelt ist, durch das das Kühlmedium strömt.
Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (1) ein von dem Kühlprofil (3) umgebendes Innenrohr (5) aufweist, dessen Abgaseintritts- (16) und/oder Abgasaustrittsbereich verschließbar sind.
Kühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen ungeregelten Kühler der Abgaseintrittsbereich des Innenrohrs mit einer fest montierten Kappe verschlossen ist.
Kühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für einen geregelten Kühler am Abgaseintrittsbereich (16) oder am Abgasaustrittsbereich des Innenrohrs (5) ein Stellelement (17) angeordnet ist, das die Strömung von Abgas durch das Innenrohr (5) steuert, insbesondere verhindert oder zulässt.
Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (9) einen von der Kreisform abweichenden, profilierten Querschnitt aufweist.
Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlprofil (3) und/oder das Außenrohr (9) entweder einteilig hergestellt sind oder sich aus mindestens zwei Profilsegmenten (8, 10) über den Querschnitt zusammensetzen.
Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergänge (11) zwischen den einzelnen, durch die Profilform ausgebildeten Profilkammern (4) des Kühlprofils (3), durch die das zu kühlende Abgas strömt, eckig (z_e) oder mit Radien (z_r) ausgeführt sind.
Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Kühlprofils (3), mit der die Profilkammern (4) ausgeformt sind, selbst wiederum profiliert ist.
Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (5) und das Kühlprofil (3) in Lochblechen (20) am Abgaseintritts- und Abgasaustrittsbereich des Kühlers angeordnet sind.