DE10355649B4

DE10355649B4 - Längsdurchströmter Abgaskühler

Info

Publication number: DE10355649B4
Application number: DE10355649A
Authority: DE
Inventors: Rolf Lange; Markus Mehring
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2023-11-29
Also published as: DE10355649A1

Abstract

Längsdurchströmter Abgaskühler (1) bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor mit einem von einer Gehäusewandung (4) umgebenden Abgaseintrittsbereich (5) und einem Abgaszuführrohr (7) und einem Abgasaustrittsbereich (6) und einem Abgasabführrohr und mit einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragungsbereich (3) und mit einem in den Wärmeübertragungsbereich (3) integrierten isolierten Bypasskanal (2) sowie einem Stellelement (12) zur Steuerung der Abgasströme durch den Wärmeübertragungsbereich (3) oder den Bypasskanal (2), wobei mittels des Stellelementes (12) nur die Eintritts- oder Austrittsöffnung des Bypasskanals (2) schließbar oder zu öffnen ist und wobei das Abgas bei geöffneter Stellung des Stellelementes (12) durch den Bypasskanal (2) strömt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Abgaszuführrohr (7) in den Bypasskanal (2) einläuft, wobei ein sich durch den Abgaseintrittsbereich (5) erstreckender Abschnitt (2a)
– durch ein separates Überbrückungselement (14) gebildet ist, das sowohl mit dem Ende des Abgaszuführrohres (7) als auch mit dem Bypasskanal (2) dicht verbunden ist und als radiale Öffnungen (18,...

Description

Die Erfindung betrifft einen längsdurchströmten Abgaskühler bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.
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, muss das Abgas an dem Kühler vorbei geleitet bzw. so gebündelt werden, dass eine Kühlung nicht mehr bzw. nur noch marginal stattfindet. Dies wird durch eine steuerbare Bypassfunktion realisiert, wobei das Abgas zeitweise umgeleitet wird.
Es sind Lösungen bekannt, bei denen mittels einer separaten Bypassrohrleitung der AGR-Kühler gänzlich umgangen werden kann, wie beispielsweise aus der US 4,147,141 , wobei die Ventileinrichtung auch direkt an den Abgaskühler im Bereich des Einlasses angesetzt sein kann ( DE 198 41 927 A1 ).
Aus der US 6,141,961 A ist ein seitlich umflossenes Abgaselement für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bekannt. Es handelt sich nicht um einen AGR-Kühler. Mittels des Abgaselementes soll die Wärme der Abgase für die Flüssigkeitskühlung des Motors verwendet werden und zwar zum Erwärmen der Fahrgastzelle. Das Abgaselement umfasst zwei parallel nebeneinander verlaufende Rohre, ein Hauptrohr und einen Umleitungskanal, der mit einem Wärmetauscher versehen ist. Es soll eine Regulierung des Gasstroms, das in den Wärmetauscher fließt, mittels eines Sperrelements erreicht werden, das unmittelbar die Öffnungen zum Umleitungskanal verschließt oder öffnet.
Es sind darüber hinaus längsdurchströmte Kühleinrichtungen bekannt, wie beispielsweise aus der DE 199 62 863 A1 . Hier ist der Bypass in den Wärmeübertragungsbe reich integriert. Das beschriebene Wärmetauschersystem ist kein AGR-Kühler, sondern dient dazu, während der Warmlaufphase des Motors die Wärme des Abgases zu nutzen, um eine ausreichende und schnelle Beheizung des Fahrzeuginnenraumes sicher zustellen. Über einen Wärmetauscher soll dem Abgas Wärme entzogen und dem Kühlkreislauf des Motors zugeführt werden, um damit eine Aufheizung des Kühlkreislaufs mit einem daran angeschlossenen Heizkörper für den Fahrzeuginnenraum zu beschleunigen. Ein solcher Wärmeübertrager umfasst ein Gehäuse mit einem Abgaseintritts- und einem Abgasaustrittsbereich und einem Wärmeübertragungsbereich, wobei in den Wärmeübertragungsbereich ein Bypasskanal integriert ist. Mittels eines Stellelementes, das aus einem einseitig fest eingespannten und verstellbaren Blech besteht, können entweder der Bypasskanal oder der Wärmeübertragungsbereich abgedichtet oder Zwischenstellungen eingestellt werden. Ein solches Stellelement in Form eines verstellbaren Blechs eignet sich allerdings nicht dazu, eine Steuerung des Abgasflusses in einer Ausführung eines Wärmeübertragungsbereichs mit einem nicht randnahen Bypass zu übernehmen.
Die bekannten AGR-Kühler mit separater Bypassrohrleitung weisen ungünstige Strömungseigenschaften auf, die mit Druckverlusten verbunden sind. Sie können innere Undichtigkeiten auf der Gasseite aufweisen. Zudem handelt es sich um technisch aufwendige Lösungen.
Aus der DE 101 44 293 A1 ist längsdurchströmter Abgaskühler für die Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor bekannt, bei dem in einem Abgaseinrittsbereich mittels eines Stellelementes eine Steuerung der Abgasströme zwischen einem Wärmeübertragungsbereich und einem Bypasskanal erfolgt. Das Stellelement ist so angeordnet, dass nur die Eintritts- oder die Austrittsöffnung des Bypasskanals schließbar oder öffenbar ist, so dass bei einer geöffneten Stellung des Stellelementes das Abgas durch den Bypasskanal strömt.
Nachteilig an dem bekannten Abgaskühler ist, dass der in den Bypasskanal führende Rohrabschnitt nicht unmittelbar mit dem Abgaszuführrohr verbunden ist. Es muss stets ein Ringspalt zwischen dem Rohrabschnitt und einer Gehäusewandung vorge sehen sein, damit das Abgas bei geschlossener Stellung des Stellelementes in den Wärmeübertragungsbereich strömen kann.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen längsdurchströmten Abgaskühler mit innenliegendem Bypasskanal dahingehend weiterzuentwickeln, dass dieser in allen Stellungen, d.h. Durchströmen des Bypasskanals oder des Wärmeübertragungsbereichs oder Zwischenstellungen, hohe Dichtheitsanforderungen erfüllt. Druckverluste innerhalb des Systems bzw. der Baueinheit sollen so gering wie möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Abgaskühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach der Erfindung läuft das Abgaszuführrohr bzw. AGR-Rohr in den Bypasskanal ein. Der sich hierbei durch den Abgaseintrittsbereich erstreckende Abschnitt weist bypasskanalseitig radial angeordnete Durchströmungsöffnungen auf. Mittels eines Stellelementes, das in Fließrichtung hinter den Öffnungen im Zuleitungsabschnitt angeordnet ist, wird die Bypasskanalöffnung verschlossen oder geöffnet oder es können Zwischenstellungen eingestellt werden. Es wird hierbei nur der Bypasskanal verschlossen oder geöffnet. Die Durchströmungsöffnungen liegen nicht im Einflussbereich des Stellelementes bzw. das Stellelement regelt nicht den Querschnitt der Durchströmungsöffnungen. Die Durchströmungsöffnungen sind stets offen. Das Abgas strömt in der geschlossenen Stellung des Stellelementes durch die jeweiligen radialen Durchströmungsöffnungen in den Abgaseintrittsbereich und dann durch den Wärmeübertragungsbereich. Bei geöffnetem Bypasskanal nimmt das Abgas den Weg des geringsten Widerstandes und strömt im Wesentlichen durch den Bypasskanal und nicht durch die nach wie vor offenen Durchströmungsöffnungen. In entsprechender Weise kann das Steuerelement am Abgasaustrittsbereich des Kühlers angeordnet sein. Bei dem vorgeschlagenen AGR-Kühler handelt es sich nicht um einen absolut schließenden bzw. schaltenden Kühler, weil die Durchströmungsöffnungen immer offen sind. Der Kühler nach der Erfindung schafft indes mit minimalem technischem Aufwand einen hohen Nutzen. Um Druckverluste innerhalb des Systems so gering wie möglich zu halten, weist der Durchlass bzw. Bypasskanal auf beiden Seiten einen Mindestquerschnitt auf, ohne den vorhandenen Bauraum zu überschreiten. Aufgrund der vorgeschlagenen Konstruktion wird ein AGR-Kühler mit hoher innerer Dichtigkeit geschaffen. Sowohl durch den Bypasskanal als auch durch die Durchströmöffnungen und den Wärmeübertragungsbereich weist das Abgas ein gutes Strömungsverhalten auf. Zudem lässt sich durch das steuerbare bzw. geregelt einstellbare Element die Abgasmenge, die durch den Wärmeübertragungsbereich strömt, stufenlos einstellen. Insgesamt wird ein Abgas-Kühler mit einem kleinen Bauraum und einfachem Aufbau bei hohem Wirkungsgrad und hohen Dichtigkeiten mit hoher Variabilität der Steuerung bzw. Regelung des Abgases geschaffen. Der die Öffnungen aufweisende Abschnitt kann durch das Abgaszuführrohr, das den Bypasskanal bildende Rohr oder durch ein separates Überbrückungselement gebildet werden. Mittels des Überbrückungselementes wird eine schnelle und variable Montage geschaffen. Zudem können auch Unterschiede zwischen dem Durchmesser des Rohres und des Bypasskanals überbrückt werden.
Die radialen Durchströmöffnungen im Zuleitungsabschnitt können rund oder im Wesentlichen rund ausgebildet sein. Um Druckverluste zu reduzieren, empfiehlt sich eine Form, bei der die Abmessungen in der einen Richtung länger sind als in einer hierzu senkrechten Richtung. Insbesondere geeignet sind Langlöcher, deren radiale Ausdehnung länger ist als ihre Ausdehnung entlang der Fließrichtung des Abgases, d.h. sie haben eine schlitzförmige Form.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellelement eine Klappe, die drehbar an der Eintritts- oder der Austrittsöffnung des Bypasskanals gelagert ist. Sie ist über einen außerhalb des Kühlers angeordneten Aktuator betätigbar.
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 den Längsschnitt durch einen AGR-Kühler nach der Erfindung in einer den Bypasskanal verschließenden Stellung;
2 den Längsschnitt durch den AGR-Kühler nach 1 in einem um 90° gedrehten Blickwinkel;
3 eine Darstellung eines Teils des längsdurchströmten AGR-Kühlers mit runden Öffnungen im Überbrückungselement;
4 eine Darstellung eines Teils eines längsdurchströmten AGR-Kühlers mit radialen Langlöchern im Überbrückungselement;
5 einen Ausschnitt des Längsschnitts durch den AGR-Kühler der 1 in einer den Bypasskanal öffnenden Stellung;
6 den Längsschnitt nach 5 in einem um 90° gedrehten Blickwinkel;
7 einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch einen AGR-Kühler nach der Ausführungsform, wobei der sich durch den Abgaseintrittsbereich erstreckende Abschnitt das Rohrende des Abgaszuführrohres ist;
8 den Längsschnitt nach 7 in einem um 90° gedrehten Blickwinkel.
Die 1 und 2 zeigen einen längsdurchströmten zylindrischen Abgaskühler 1 bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor, d.h. einen Abgaskühler, bei dem der Bypasskanal 2 längs in einen Wärmeübertragungsbereich 3 integriert ist. Insgesamt wird von einer Gehäusewandung 4 der Wärmeübertragungsbereich 3 sowie ein Abgaseintrittsbereich 5 und am anderen Ende des Kühlers ein Abgasaustrittsbereich 6 umgeben. Die Gehäusewandung 4 des Eintritts- und/oder Austrittsbereichs kann auch als separates Stück auf den Wärmeübertragungsbereich 3 aufgesetzt sein. Ein Abgaszuführrohr 7, das hier teilgeschnitten dargestellt ist, läuft in den Bypasskanal 2 ein. Der sich durch den Abgaseintrittsbereich 5 erstreckende Abschnitt 2a der Zuleitung ist bei der gezeigten Ausführungsform das verlängert ausgebildete, den Bypasskanal 2 bildende Rohr, das mit dem Abgaszuführrohr 7 am Ende der Gehäusewandung 4 dicht verbunden ist.
Der Bypasskanal 2 ist innerhalb des Wärmeübertragungsbereichs 3 mittels eines Luftringspaltes 8 isoliert. Der Kühler 1 ist in eine Gasseite 9 und eine Kühlmittelseite 11, insbesondere Wasserseite, unterteilt. Der Wärmeübertragungsbereich 3 umfasst längsangeordnete gekühlte Rohre 10. Der Bypasskanal 2 ist von dem Wärmeübertragungsbereich 3 gänzlich umfänglich umgeben. Die Rohre 10 des Wärmeübertragungsbereichs 3 sind konzentrisch um den zentralen axialen Bypasskanal 2 geführt. Mittels eines Stellelementes 12 in Form einer Klappe 13, die über einen außerhalb des Kühlers betätigbaren Aktuator betätigt wird, wird der Bypasskanal 2 geschlossen bzw. geöffnet.
Mit Hilfe der 3 werden die konstruktiven Merkmale des AGR-Kühlers verdeutlicht, die eine hohe Dichtigkeit des Kühlers bei hoher Variabilität der Abgasströme und bei hohem Kühlwirkungsgrad gewährleisten. Das Abgaszuführrohr 7 läuft in den Bypasskanal 2 ein. Der sich durch den Abgaseintrittsbereich erstreckende Abschnitt ist mittels eines Überbrückungselementes 14 gebildet, nachfolgend als Adapter bezeichnet. Dieser gewährleistet zudem die Verbindung zwischen dem vom Durchmesser etwas kleineren Abgaszuführrohr 7 und dem Bypasskanal 2. Der Adapter ist innerhalb des Abgaseintrittsbereichs 5 innerhalb der Gehäusewandung 4 des Kühlers angeordnet, wobei sich das Ende 15 der Gehäusewandung 4 an die Außenseite 16 des Rohrendes dichtend anlegt. In Strömungsrichtung vor der Bypasskanal-Eintrittsöffnung (verdeckt) ist die Klappe 13 (verdeckt) drehbar mittels einer Stange 17 gelagert, die sich durch den Adapter erstreckt und die von außen verstellbar ist. In die Adapterwandung sind radial Öffnungen 18 bzw. in etwa kreisrunde Löcher eingebracht und zwar in einem Abschnitt des Adapters, der in Abgasströmungsrichtung vor der Klappe 13 liegt. Im Wärmeübertragungsbereich 3 sind die Abgas durchfließbaren Röhren 10 radial um den Bypasskanal 2 angeordnet, die von Kühlmittel umflossen werden, wobei eine Kühlmittelzuleitung und eine Kühlmittelableitung 19, 20 vorgesehen sind.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Öffnungen 21 im Adapter als Langlöcher ausgebildet sind. Es ist festgestellt worden, dass gerade diese Form wenig Druckverlust bei der Abgasströmung verursacht. Im Gegensatz zur 3 sind hier die von Abgas durchfließbaren Röhren 10 im Wärmeübertragungsbereich 3 zweilagig radial angeordnet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des AGR-Kühlers mit Hilfe der 1, 2 sowie 5 und 6 beschrieben. Abgas wird über das Abgaszuführrohr 7 herantransportiert. Die Klappe 13 befindet sich in der den Bypasskanal 2 verschließenden Stellung (1 und 2). In der Verschlussstellung versperrt die Klappenplatte die Öffnung zum Bypasskanal 2, indem sie quer zur Strömungsrichtung eingestellt ist und an der Innenseite des Bypasskanalrohres abdichtend zur Anlage kommt. Das Abgas strömt durch die radialen Öffnungen 21 im Rohrabschnitt 2a bzw. der Zuleitung zum Bypass in den Abgaseintrittsbereich 5 und von dort in die Röhren 10 des Wärmeübertragungsbereichs 3, die bei der gezeigten Ausführungsform, wie bei der 4, zweischichtig angeordnet sind. Da die Röhren 10 von Kühlmittel umflossen sind, wird das Abgas gekühlt. Sofern keine Kühlung des Abgases gewünscht ist, wird die Klappe 13 vor der Eintrittsöffnung des Bypasskanals 2 in ihre geöffnete Stellung verschwenkt (5 und 6). In dieser Stellung wird die dem Durchmesser des Bypasses entsprechende bzw. etwas größere ausgebildete Klappenplatte längs zur Strömungsrichtung ausgerichtet. Bei geöffnetem Bypasskanal 2 geht das Abgas den Weg des geringsten Widerstandes und wird durch den luftspaltisolierten Bypasskanal 2 geführt und kühlt dementsprechend nicht ab. Obwohl die Öffnungen 21 nicht verschlossen werden, strömt doch das Abgas im Wesentlichen durch den Bypasskanal 2.
Bei den gezeigten Ausführungsformen ist das Stellelement bzw. die Klappe 13 im Abgaseintrittsbereich 5 angeordnet. Sie kann entsprechend auch im Abgasaustrittsbereich 6 mit dem gleichen Effekt und der gleichen Funktionsweise des Kühlers positioniert sein.
Nach den 7 und 8 wird ein längsdurchströmter AGR-Kühler gezeigt, dessen sich durch den Abgaseintrittsbereich 5 erstreckender Abschnitt 2a durch das Rohrende 22 des Abgaszuführrohres 7 gebildet ist. Das verlängerte Rohrende 22 reicht bis zum Bypasskanal 2, dessen Rohrwandung in etwa mit den Rohren 10 des Wärmeübertragungsbereich 3 abschließt. Die Durchströmungsöffnungen 21 sind in die Rohrwandung des Abgaszuführohres 7 eingebracht.

1: längsdurchströmter Abgaskühler
2: Bypasskanal
2a: Abschnitt
3: Wärmeübertragungsbereich
4: Gehäusewandung
5: Abgaseintrittsbereich
6: Abgasaustrittsbereich
7: Abgaszuführrohr
8: Luftringspalt
9: Gasseite des Kühlers
10: von Kühlmittel umflossene Rohre des Wärmeübertragungsbereichs
11: Kühlmittelseite des Kühlers
12: Stellelement
13: Klappe
14: Überbrückungselement
15: Ende der Gehäusewandung
16: Außenseite des Rohres
17: Stange
18: radiale (im Wesentlichen kreisrunde) Öffnungen
19: Kühlmittelzuleitung
20: Kühlmittelableitung
21: Öffnungen in Form von Langlöchern
22: Rohrende des Abgaszuführrohrs

Claims

Längsdurchströmter Abgaskühler (1) bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor mit einem von einer Gehäusewandung (4) umgebenden Abgaseintrittsbereich (5) und einem Abgaszuführrohr (7) und einem Abgasaustrittsbereich (6) und einem Abgasabführrohr und mit einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragungsbereich (3) und mit einem in den Wärmeübertragungsbereich (3) integrierten isolierten Bypasskanal (2) sowie einem Stellelement (12) zur Steuerung der Abgasströme durch den Wärmeübertragungsbereich (3) oder den Bypasskanal (2), wobei mittels des Stellelementes (12) nur die Eintritts- oder Austrittsöffnung des Bypasskanals (2) schließbar oder zu öffnen ist und wobei das Abgas bei geöffneter Stellung des Stellelementes (12) durch den Bypasskanal (2) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgaszuführrohr (7) in den Bypasskanal (2) einläuft, wobei ein sich durch den Abgaseintrittsbereich (5) erstreckender Abschnitt (2a) – durch ein separates Überbrückungselement (14) gebildet ist, das sowohl mit dem Ende des Abgaszuführrohres (7) als auch mit dem Bypasskanal (2) dicht verbunden ist und als radiale Öffnungen (18, 21) aufweist, oder – durch eine verlängerte Rohrführung des Bypasskanals (2) gebildet ist und radiale Öffnungen (18, 21) aufweist, oder – durch das Rohrende (22) des sich in den Bypasskanal (2) erstreckenden oder zumindest an den Bypasskanal (2) angrenzenden Abgasführrohres (7) gebildet ist und radiale Öffnungen (18, 21) aufweist, so dass das Abgas in der geschlossenen Stellung des Stellelementes (12) durch die jeweiligen radialen Öffnungen (18, 21) in den Wärmeübertragungsbereich (3) strömt, und dass das Ende (15) der Gehäusewandung (4) an der Außenseite (16) eines Rohrendes des Abgaszuführrohres (7) und/oder des Überbrückungselementes (14) dichtend anliegt.
Abgaskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Öffnungen (18, 21) in einer Ausdehnungsrichtung länger sind als in einer dazu senkrechten Ausdehnungsrichtung.
Abgaskühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Öffnungen (18, 21) Langlöcher sind oder eine rechteckige Form aufweisen.
Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (12) eine drehbar gelagerte Klappe (13) ist, die vor der Eintrittsöffnung des Bypasskanals (2) angeordnet ist und die über einen außerhalb des Kühlers angeordneten Aktuator betätigbar ist.
Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (2) luftspaltisoliert ist und der Wärmeübertragungsbereich (3) vom Abgas längsdurchströmte Rohre (10) umfasst, die von einem Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, umströmt werden.
Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler (1) zylindrisch ausgebildet ist mit innenliegendem axial angeordnetem Bypasskanal (2), der von den Rohren (10) des Wärmeübertragungsbereichs (3) konzentrisch umgeben ist.