DE19962863A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und einem Kühlmittel, mit einem Gehäuse (12), das eine Abgaseintrittsöffnung und eine Abgasaustrittsöffnung (28) sowie einen Abgaseintrittsbereich (14) und einen Abgasaustrittsbereich (16) und dazwischen einen Wärmeübertragungsbereich (18) umschließt. Es ist vorgesehen, daß in das Gehäuse (12) ein dem Wärmeübertragungsbereich (18) zugeordneter, von einem Teilstrom des Abgases durchströmbarer Bypasskanal (20, 20a, 20b) integriert ist, der gegenüber dem Kühlmittel thermisch isoliert ist, wobei der Teilstrom mittels eines Stellelements (22) variabel einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen einem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und einem Kühlmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise gemäß der DE 195 40 683 A1.

Bei modernen, sparsamen Verbrennungsmotoren mit Benzin- oder Diesel- Direkteinspritzung besteht, insbesondere während der Warmlaufphase des Motors, das Problem, daß nicht genügend Abwärme erzeugt wird, um eine ausreichende und schnelle Beheizung des Fahrzeuginnenraumes sicherzu­ stellen. Abhilfe dagegen schafft die Nutzung von Wärme aus dem Abgas des Motors, die diesem über einen separaten Wärmeübertrager entnommen werden kann und dem Kühlkreislauf des Motors zugeführt wird, um damit eine Aufheizung des Kühlkreislaufes mit einem daran angeschlossenen Heizkörper für den Fahrzeuginnenraum zu beschleunigen.

In der Zeitschrift Automobil Entwicklung 04/99 ist ein Heizsystem zur Nut­ zung von Abgas-Wärme für den Innenraum von Kraftfahrzeugen beschrie­ ben, bei dem Wärme aus dem Abgas eines Verbrennungsmotors entnom­ men wird, indem eine Klappe den Abgasstrom aus dem bekannten Aus­ puffsystem umleitet. Der Abgasstrom wird statt dessen während der Warm­ laufphase in ein zweites, parallel verlaufendes Auspuffrohr geleitet. In dem parallelen Auspuffrohr, im folgenden Bypass genannt, ist ein Wärmeübertra­ ger vorgesehen, durch den kaltes Kühlmittel fließt und auf das Wärme vom heißen Abgasstrom übertragen wird. Das derart aufgeheizte Kühlmittel ge­ langt dann zum Heizkörper, der den Fahrzeuginnenraum aufheizt. Nach der Warmlaufphase wird die Klappe wieder umgestellt und der Wärmeübertrager damit umgangen, um den Kühlmittelkühler nicht zu stark mit Wärme zu be­ aufschlagen.

Nachteilig an einem solchen bekannten Wärmeübertrager für Abgas ist, daß für die beiden parallel verlaufenden Auspuffrohre ein zusätzlicher Bauraum­ bedarf im beziehungsweise am Fahrzeug erforderlich ist. Zum anderen ist - je nach Stellung der Abgasklappe - das jeweils von Abgas durchströmte Auspuffrohr stärkeren thermischen Dehnungen unterworfen als das nicht durchströmte Auspuffrohr, so daß in dem Bereich, in dem die beiden Rohre Y- beziehungsweise T-förmig aneinander liegen, starke thermische Span­ nungen auftreten.

Aus der DE 195 40 683 A1 ist ein Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Abgas eines Verbrennungsmotors und dem Kühlmittel bekannt. Dieser Wärmeübertrager besteht aus einem Bündel von mit Abgas durchströmten Rohren, die vom Kühlmittel umströmt sind, so daß eine Wär­ meübertragung zwischen dem Abgasstrom und dem Kühlmittel stattfinden kann. Dieser Wärmeübertrager ist von einem Gehäuse umschlossen, das im wesentlichen der Kontur des Bündels folgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der ein­ gangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die mit thermischen Deh­ nungen verbundenen Spannungen vermindert werden und daß der Bau­ raumbedarf verringert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß in das Gehäuse ein dem Wärme­ übertragungsbereich zugeordneter, von einem Teilstrom des Abgases durchströmbarer Bypasskanal integriert ist, der gegenüber dem Kühlmittel thermisch isoliert ist, wobei der Teilstrom mittels eines Stellelements variabel einstellbar ist. Durch eine solche Integration des Bypasskanals in das Ge­ häuse des Wärmeübertragers wird der Bauraumbedarf für die gesamte An­ ordnung deutlich vermindert. Außerdem wird der Aufwand für die Montage der Anordnung aus Wärmeübertrager und Bypass im Kraftfahrzeug verrin­ gert, da es als komplettes Modul in den Abgastrakt eingesetzt werden kann. Darüber hinaus werden die thermischen Spannungen im Verzweigungsbe­ reich der Abgaszuleitungen vermindert beziehungsweise vollständig vermie­ den, da die Y- oder T-förmigen Verzweigungsbereiche der Zuleitungen voll­ ständig entfallen und der Wärmeübertrager statt dessen nur über jeweils eine Zuleitung und eine Ableitung mit Abgas beaufschlagt wird, wobei das Stellelement ebenfalls in das Gehäuse des Wärmeübertragers integriert ist. Aufgrund der verminderten thermischen Spannungen können die einzelnen Bauteile aus einem dünneren Material hergestellt sein, was sich in vermin­ dertem Gewicht und geringeren Kosten niederschlägt. Das Stellelement kann verschiedene Stellungen einnehmen, so daß der Abgasstrom entweder vollständig durch den Wärmeübertragungsbereich oder vollständig durch den Bypasskanal oder aber - mit verschiedenen Verhältnissen zueinander - teilweise durch den Bypasskanal geleitet wird.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 vorgesehen, daß der Bypasskanal gegenüber dem Wärmeübertragungsbereich durch eine Trennwand fluiddicht abgedichtet ist. Dabei sorgt die Trennwand in ers­ ter Linie dafür, daß eine Ausbreitung des Kühlmittels auf den Wärmeüber­ tragungsbereich begrenzt ist. Darüber hinaus kann die Trennwand derart gestaltet sein, daß sie eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen dem Bypasskanal und dem Wärmeübertragungsbereich verhindert, womit dem Fall Rechnung getragen ist, in dem das Abgas durch den Bypasskanal ge­ leitet wird und daher eine Wärmeübertragung auf das Kühlmittel im Wärme­ übertragungsbereich nicht erwünscht ist.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, daß in dem Wärmeübertragungsbereich wenigstens bereichsweise vonein­ ander beabstandete, parallel verlaufende und vom Kühlmittel umströmte Ab­ gasrohre zur Führung eines Abgasstromes der Brennkraftmaschine ange­ ordnet sind, deren Enden mit dem Abgaseintrittsbereich und dem Abgas­ austrittsbereich fluiddicht verbunden sind. Dadurch ist eine zuverlässige Ab­ dichtung zwischen den Abgas führenden Abgasrohren und dem um die Ab­ gasrohre fließenden Kühlmittel gewährleistet.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 4 und 5 vorgese­ hen, daß die Strömungswege des Abgasstromes jeweils derart gestaltet sind, daß der Druckverlust des Abgasstromes bei einer Durchströmung der Abgasrohre und bei einer alternativen Durchströmung der Bypassrohre je­ weils annähernd gleich ist, und daß im Bypasskanal Bypassrohre zur Füh­ rung des Abgasstromes angeordnet sind. Durch eine derartige Anordnung von mehreren Bypassrohren innerhalb des Bypasskanals kann der Druck­ verlust bei der Durchströmung des Bypasskanals durch Wahl der Rohrab­ messungen jeweils dem des Wärmeübertragungsbereichs angepaßt werden. Bei einer Umschaltung zwischen dem Wärmeübertragungsbereich und dem Bypass wird diese Abstimmung des Abgasgegendrucks für den Motor somit nicht beeinflußt.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 6 und 7 vorgese­ hen, daß das Stellelement als Abgasventil im Abgaseintrittsbereich und/oder im Abgasaustrittsbereich angeordnet ist und entweder den Bypasskanal oder die Abgasrohre des Wärmeübertragungsbereichs gegenüber der Ab­ gaseintrittsöffnung oder der Abgasaustrittsöffnung fluiddicht abdichtet, wobei das Abgasventil als Blech ausgebildet ist, das an der dem Abgaseintrittsbe­ reich oder Abgasaustrittsbereich abgewandten Seite fest gelagert und nach Art eines Biegebalkens elastisch verformbar ist. Dadurch kann auf ein Scharnier vollständig verzichtet werden.

In weiter Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 8 vorgesehen, daß das Stellelement durch einen Thermostat antreibbar ist. Dabei wird durch die Volumenänderung einer das Thermostat antreibenden Phasen­ wechselsubstanz die notwendige Verstellarbeit aufgebracht. Wenn dieses Substanz vom zufließenden Kühlmittel umströmt wird und die Phasenwech­ seltemperatur an die gewünschte Schalttemperatur für den Wechsel zwi­ schen dem Wärmeübertrager und dem Bypass angepaßt wird, so wird auto­ matisch dafür gesorgt, daß das Kühlmittel durch Wärmezufuhr aus dem Ab­ gas möglichst schnell die gewünschte Betriebstemperatur erreicht und nach anschließender Rückstellung keine weitere Wärme aus dem Abgas ent­ nommen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärme­ übertragers;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Darstellung des Wärmeüber­ tragers der Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Darstellung des Wärmeüber­ tragers der Fig. 1;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers mit run­ der Querschnittsfläche;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Wärmeübertragers mit rechteckiger Querschnittsfläche.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Wärmeübertrager 10 mit einem Gehäuse 12, das den Wärmeübertrager umschließt. Das Gehäuse 12 besitzt einen Abgaseintrittsbereich 14, in den Abgas aus einem nicht darge­ stellten Auspuffsystem eintritt, und einen Abgasaustrittsbereich 16, aus dem das Abgas den Wärmeübertrager wieder verläßt. Zwischen dem Abgasein­ trittsbereich 14 und dem Abgasaustrittsbereich 16 ist ein Wärmeübertra­ gungsbereich 18 sowie ein parallel dazu verlaufender Bypasskanal 20 an­ geordnet. Sowohl der Wärmeübertragungsbereich 18 als auch der Bypass­ kanal besitzen dabei eine Verbindung zum Abgaseintrittsbereich 16 und zum Abgasaustrittsbereich 18.

Innerhalb des Abgasaustrittsbereichs 16 ist ein Stellelement 22 angeordnet, das aus einem einseitig fest eingespannten, gewelltem und flexiblem Blech 24 besteht. Dieses Blech 24 kann über einen Stellantrieb 26 verstellt wer­ den, so daß das Blech 24 aufgrund der einseitigen festen Einspannung nach Art eines Biegebalkens elastisch verformt wird. Je nach Stellung des Blechs 24 wird entweder der Bypasskanal 20 oder der Wärmeübertragungsbereich 18 gegenüber einer Abgasaustrittsöffnung 28 abgedichtet oder eine Zwi­ schenstellung eingestellt.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen den Wärmeübertrager 10 in einer teilweise ge­ schnittenen Darstellung. Im Innern des Wärmeübertragungsbereich 18 sind bereichsweise voneinander beabstandete, parallel verlaufende Abgasrohre 30 angeordnet, die von einem Kühlmittel umströmt sind. Das Kühlmittel wird über einen Kühlmitteleintritt 32 in den Wärmeübertragungsbereich 18 ein­ geleitet und nach der Durchströmung und einem möglichen Wärmeaus­ tausch mit dem Abgasstrom durch einen Kühlmittelaustrittsbereich 34 wieder abgeleitet. Innerhalb der Abgasrohre 30 sind turbulenzerzeugende Strö­ mungskörper in Form von Winglets 36 angeordnet, die für eine gute Durch­ mischung des Abgases sorgen und mögliche Ablagerungen verhindern. Ein derartiger Abgas-Wärmeübertrager ist aus der DE 195 40 683 A1 der An­ melderin bekannt, auf den ausdrücklich Bezug genommen wird. In dem By­ passkanal 20 sind Bypassrohre 38 zur Führung des Abgasstromes eingelas­ sen, die derart gestaltet sind, daß der Druckverlust des Abgasstromes bei einer Durchströmung des Abgasrohre oder bei einer alternativen Durchströ­ mung der Bypassrohre annähernd gleich ist. Im Bereich zwischen dem Wärmeübertragungsbereich 18 und dem Bypasskanal 20 ist eine Trennwand 40 angeordnet, die einerseits eine Fluidbegrenzung für das Kühlmittel im Wärmeübertragungsbereich 18 gegenüber dem Bypasskanal 20 darstellt, und andererseits aufgrund eingelassener Sicken und/oder Noppen 42 eine Beabstandung zwischen dem Bypassrohren 38 und dem Wärmeübertra­ gungsbereich 18 bewirken und somit eine unbeabsichtigte Wärmeübertra­ gung vermindern.

Alternativ zu den oben genannten geometrischen Formen des Wärmeüber­ tragers kann der Wärmeübertrager 10a auch, wie in Fig. 4 dargestellt, eine im Querschnitt kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, wobei die Abgas­ rohre 30a konzentrisch um einen zentralen Bypasskanal 20a geführt sind. Des weiteren ist, wie in Fig. 5 dargestellt, eine im Querschnitt etwa recht­ eckförmige Ausgestaltung möglich, bei der die Abgasrohre 30b schachbrett­ artig über die Querschnittsfläche aufgeteilt sind, wobei einige der Abgasroh­ re 30b durch den Bypasskanal 20b ersetzt sind.

Claims (8)

1. Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Abgas ei­ ner Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und einem Kühlmittel, mit einem Gehäuse (12), das eine Abgaseintrittsöffnung und eine Abgas­ austrittsöffnung (28) sowie einen Abgaseintrittsbereich (14) und einen Abgasaustrittsbereich (16) und dazwischen einen Wärmeübertragungs­ bereich (18) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse (12) ein dem Wärmeübertragungsbereich (18) zugeordneter, von einem Teilstrom des Abgases durchströmbarer Bypasskanal (20, 20a, 20b) in­ tegriert ist, der gegenüber dem Kühlmittel thermisch isoliert ist, wobei der Teilstrom mittels eines Stellelements (22) variabel einstellbar ist.

2. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypasskanal (20, 20a, 20b) gegenüber dem Wärmeübertragungsbereich (18) durch eine Trennwand (40) fluiddicht abgedichtet ist.

3. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmeübertragungsbereich (18) wenigs­ tens bereichsweise voneinander beabstandete, parallel verlaufende und vom Kühlmittel umströmte Abgasrohre (30, 30a, 30b) zur Führung eines Abgasstromes der Brennkraftmaschine angeordnet sind, deren Enden mit dem Abgaseintrittsbereich (14) und dem Abgasaustrittsbereich (16) fluid­ dicht verbunden sind.

4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypasskanal (20, 20a, 20b) Bypassrohre (38) zur Führung des Abgasstromes angeordnet sind.

5. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege des Abgasstromes jeweils derart gestaltet sind, daß der Druckverlust des Abgasstromes bei einer Durchströmung der Abgasrohre (30, 30a, 30b) und bei einer alternativen Durchströmung der Bypassrohre (38) jeweils annähernd gleich ist.

6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (22) als Abgasventil im Abgas­ eintrittsbereich (14) und/oder im Abgasaustrittsbereich (16) angeordnet ist und entweder den Bypasskanal (20, 20a, 20b) oder die Abgasrohre (30, 30a, 30b) des Wärmeübertragungsbereichs gegenüber der Abgas­ eintrittsöffnung oder der Abgasaustrittsöffnung (28) fluiddicht abdichtet.

7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasventil als Blech ausgebildet ist, das an der dem Abgaseintrittsbereich (14) oder Abgasaustrittsbereich (16) ab­ gewandten Seite fest gelagert und nach Art eines Biegebalkens elastisch verformbar ist.

8. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (22) durch einen Thermostat an­ treibbar ist.