DE202015101120U1

DE202015101120U1 - Wärmetauscheranordnung sowie Abgassystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE202015101120U1
Application number: DE201520101120
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2015-03-13
Anticipated expiration: 2025-03-07

Abstract

Wärmetauscheranordnung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine mit Abgas (A) durchströmbare Rohrleitung (2), welche sich zumindest abschnittsweise innerhalb eines Hohlkörpers (3) erstreckt, wobei der Hohlkörper (3) einen zumindest teilweise doppelwandigen und mit einem Fluid (B) durchströmbaren Mantel (8) besitzt, welcher die Rohrleitung (2) zumindest bereichsweise berührt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) und/oder der Mantel (8) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind/ist, durch deren temperaturabhängige reversible Verformbarkeit die Berührung zwischen Mantel (8) und Rohrleitung (2) durch Ausbildung eines Spaltes (15) aufhebbar und durch Überbrückung des Spaltes (15) wieder herstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Wärmetauscheranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Brennkraftmaschinen und Getriebe sind so gefertigt, dass deren beweglichen Bestandteile innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs mechanisch ideal ineinandergreifen. Deren innere Reibung ist daher nur im Bereich einer sogenannten Betriebstemperatur auf ein Minimum reduziert. Das Erreichen und Halten der Betriebstemperatur ist Grundvoraussetzung für einen möglichst verschleißarmen Betrieb, bei gleichzeitig geringem Kraftstoffverbrauch und entsprechend niedrigem Ausstoß an Kohlendioxid (CO₂). Aus diesem Grund wird eine möglichst rasche Erwärmung des jeweiligen Antriebs auf dessen Betriebstemperatur angestrebt, um eine insgesamt wirtschaftliche Nutzung zu ermöglichen.
Da die Temperatur im Betrieb und mit steigender Belastung und Umdrehung steigt, müssen zumindest Brennkraftmaschinen – bei Bedarf auch das zugehörige Getriebe – gekühlt werden. Die Kühlung selbst erfolgt indirekt über wenigstens eines der bei derartigen Antrieben verwendeten Fluide, wie etwa Kühlmittel und/oder Öl. Dabei durchläuft das Fluid einen Kreislauf, welcher eine Kühlanordnung beinhaltet. Am Beispiel einer Brennkraftmaschine kann so dass zur Kühlung verwendete Kühlmittel aus dieser heraus und durch die Kühlanordnung hindurchgeleitet werden. Auf diese Weise wird dem Kühlmittel wenigstens ein Teil der zuvor aufgenommenen Wärme entzogen, bevor es wieder in den Kühlmantel der Brennkraftmaschine rückgeleitet wird. Anschließend ist das so herabgekühlte Kühlmittel wieder in der Lage, von der Brennkraftmaschine ausgehende Wärme aufzunehmen, wodurch diese letztlich eine Kühlung erfährt.
Angesichts des Erfordernisses einer aus Erwärmung und Kühlung bestehenden Temperierung wenigstens eines im Zusammenhang mit dem Antrieb verwendeten Fluids, sind im Stand der Technik bereits diverse Vorrichtungen und Maßnahmen hierzu bekannt.
So offenbart die US 8,522,537 B2 eine Abwärme-Rückgewinnungsvorrichtung, um dem so ausgestatteten Verbrennungsmotor die im Abgas enthaltene Abwärme zumindest teilweise wieder zuzuführen. Hierzu weist die Vorrichtung ein Kühlmittelgehäuse auf, welches eine Kühlmitteleinlassöffnung und eine Kühlmittelauslassöffnung besitzt. Die Öffnungen sind dazu vorgesehen, um ein Strömen von Kühlmittel durch das Kühlmittelgehäuse hindurch zu ermöglichen. Durch das Innere des Kühlmittelgehäuses erstreckt sich eine Abgas führende Bypassleitung, welche mit einem Auspuffrohr des Verbrennungsmotors fluidleitend verbunden ist. Innerhalb des Kühlmittelgehäuses ist ein eine Vielzahl an parallel zueinander verlaufenden Abgasströmungsleitungen umfassender Wärmetauscher angeordnet. Der sich um die Bypassleitung herum erstreckende Wärmetauscher ist durch einen rohrförmigen Isolierkörper gegenüber der Bypassleitung thermisch gedämmt. Zwischen einzelnen Abgasströmungsleitungen sind zusammenhängende Kanäle ausgebildet, welche fluidleitend mit den Öffnungen des Kühlmittelgehäuses verbunden sind. Auf diese Weise können die einzelnen Abgasströmungsleitungen zumindest bereichsweise mit Kühlmittel umspült werden. Weiterhin ist in wenigstens einem der Kanäle eine Ölflussleitung angeordnet, welche endseitig eine sich jeweils aus dem Wärmetauscher und dem Kühlmittelgehäuse heraus erstreckende Öleinlassöffnung und eine Ölauslassöffnung umfasst.
Die jeweils gegenüberliegenden offenen Enden der einzelnen Abgasströmungsleitungen sind dabei mit einer vor und einer hinter dem Wärmetauscher ausgebildeten Kammer des Kühlmittelgehäuses fluidleitend verbunden. Im Bereich besagter Kammern weist die Bypassleitung einzelne Bohrungen auf, so dass durch die Bypassleitung strömendes Abgas in eine der dem Wärmetauscher vorgelagerten Kammern gelangen kann. Von da aus durchströmt das Abgas den Wärmetauscher, um über die dem Wärmetauscher nachgelagerte Kammer und von dort aus durch die Bohrungen hindurch wieder in die Bypassleitung zu gelangen. Der Durchtritt des Abgases durch die Bohrungen ist über ein thermostatgesteuertes, federbelastetes Stromregelventil geregelt, welches dem Wärmetauscher nachgelagert und vor den dort gelegenen Bohrungen der Bypassleitung angeordnet ist. Durch eine entsprechend temperaturabhängig gesteuerte Manipulation des Stromregelventils kann die Bypassleitung zumindest teilweise geöffnet oder geschlossen werden, um den Weg des Abgases durch die Vorrichtung hindurch zu regeln. Durch den so ermöglichten Kontakt des Kühlmittels und/oder des Öls mit dem bereits quasi ab Start der Brennkraftmaschine heißem Abgas kann dessen Abwärme direkt genutzt werden, um beispielsweise die Brennkraftmaschine selbst in kürzester Zeit auf Betriebstemperatur zu bringen.
Mit der US 8,714,238 B2 wurde ein ähnlicher Aufbau für einen Wärmetauscher im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Wärmetauscher dient dem Übertragen der Abwärme des Abgases, um die Brennkraftmaschine selbst sowie den Fahrzeuginnenraum und eine Batterie zu erwärmen. Gleichzeitig soll die durch das strömende Abgas verursachte Geräuschentwicklung reduziert werden. Hierzu weist der Wärmetauscher ein mit einem Einlass und einem Auslass ausgestattetes Gehäuse auf, um mit dem Abgas durchströmt zu werden. Weiterhin ist ein innerhalb des Gehäuses in dessen Randbereich umfangsseitig ausgebildeter Kühlmittelpfad vorgesehen, welcher über geeignete Ein- und Auslassöffnungen mit Kühlmittel durchströmbar ist. Innerhalb des Gehäuses ist ferner ein sich zwischen dem Einlass und dem Auslass des Gehäuses erstreckender zweiter Kühlmittelpfad ausgebildet, welcher rohrförmig innerhalb des Gehäuses angeordnet und zu der Innenfläche des Gehäuses hin beabstandet ist. Aufgrund der Beabstandung zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Kühlmittelpfad ist ein ringspaltförmiger Abgaspfad ausgebildet. Dabei sind der umfangsseitige Kühlmittelpad und der zweite Kühlmittelpad über sich quer zur Strömungsrichtung des Abgases erstreckende Verbindungsleitungen fluidleitend miteinander verbunden. Demgegenüber stellt die rohrförmige Gestalt des zweiten Kühlmittelpfads einen Bypasspfad für das Abgas zur Verfügung, so dass dieses zumindest teilweise um den zweiten Kühlmittelpfad herum oder durch diesen hindurch strömen kann. Eine Kontrolle hierüber erfolgt durch die Ansteuerung eines Ventils, welches stromaufwärts des zweiten Kühlmittelpfads angeordnet ist. Über besagtes Ventil ist der durch den zweiten Kühlmittelpfad hindurchführende Bypasspfad für das Abgas wenigstens teilweise verschließbar.
Aus der US 2011/0099989 A1 geht eine weitere Vorrichtung für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor hervor, welche ein Abgassystem und einen Wärmetauscher umfasst. Das Abgassystem dient dem Leiten eines Abgases des Verbrennungsmotors, während der Wärmetauscher mit Kühlmittel durchströmbar ist. Der Wärmetauscher ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, welches wenigstens zwei Strömungspfade beinhaltet. In einem dieser Strömungspfade ist der Wärmetauscher angeordnet, während der jeweils andere Strömungspfad als Bypass zu dem Wärmetauscher dient. Über die Ansteuerung eines Bypassventils sind die beiden Strömungspfade zumindest teilweise getrennt voneinander mit Abgas durchströmbar, so dass der Wärmetauscher in dem erforderlichen Maße mit heißem Abgas beaufschlagbar ist.
Einen weiteren Aufbau einer Wärmetauscheranordnung für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs beschreibt die US 2011/0220072 A1 . Diese umfasst einen von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Wärmetauscherkörper, welcher einen Abgasstrang der Abgasanlage zumindest abschnittsweise umgreift. Dabei ist der Wärmetauscherkörper doppelwandig aufgebaut und mit einem Ein- sowie Auslass für das Wärmetauschermedium ausgestattet. Bei dem Wärmetauschermedium kann es sich um ein Kühlmittel der Brennkraftmaschine und/oder um Öl eines Getriebeölkreislaufs handeln. Aufgrund der Anordnung des Wärmetauscherkörpers außerhalb des Abgasstrangs ist auf einfache Weise eine bauliche Barriere zwischen dem Abgas und dem Wärmetauschermedium geschaffen. Um deren Wärmeaustausch steuern zu können, weist der Abgasstrang einen den Wärmetauscherkörper umfassenden Bypassstrang auf. Innerhalb des Bypassstrangs ist ein Ventil in Form einer Abgasklappe angeordnet, durch deren ansteuerbare Stellung letztlich der Strom des Abgases durch den Bypassstrang hindurch regelbar ist.
Die bekannten Lösungen ermöglichen allesamt die Übertragung der im Abgas enthaltenen Abwärme auf ein weiter nutzbares Medium, um insbesondere im Kaltstart beispielsweise eine möglichst rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine und/oder eines Getriebes, insbesondere eines Automatikgetriebes, zu ermöglichen. Die Regelung des hierfür notwendigen Abgas-Wärmeaustauschers wird dabei mittels eines Ventils durchgeführt. Da dessen Anordnung innerhalb des Abgasstromes erfolgen muss, ergibt sich hieraus eine erschwerte Herstellung dieser zum Wärmeaustausch ausgebildeten Vorrichtungen.
Hinzu kommt die notwendige Ansteuerung des jeweiligen Ventils, welche zusätzliche Bauteile wie etwa einen Thermostat und geeignete Verbindungen zwischen diesem und dem Ventil erfordert. Überdies verlangen die bekannten Systeme zumeist die Anordnung wenigstens eines Bypasses für das Abgas, um dieses an dem eigentlichen Wärmetauscher vorbeiströmen zu lassen. Insgesamt ist festzustellen, dass sich hieraus ein insgesamt erhöhter Aufwand hinsichtlich der Herstellung und mitunter auch in der Wartung solcher Vorrichtungen ergibt. Angesicht der bisher bekannten Ausgestaltungen bieten Abgas-Wärmetauscher insofern durchaus noch Raum für Verbesserungen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wärmetauscheranordnung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie ein Abgassystem mit einer Wärmetauscheranordnung dahingehend weiterzuentwickeln, dass diese mit einem Minimum an Aufwand integrierbar sowie betreibbar sind und eine insgesamt wirtschaftliche Herstellung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauscheranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Abgassystem mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Gemäß der Erfindung wird nachfolgend eine Wärmetauscheranordnung aufgezeigt, welche dem Austausch von Wärme zwischen dem Abgas einer Brennkraftmaschine und einem Fluid dient. Besonders bevorzugt kann das Fluid dabei der zumindest teilweisen Aufnahme von Abwärme aus dem Abgas dienen, um diese im Anschluss an die Brennkraftmaschine und/oder ein Getriebe abzugeben. In vorteilhafter Weise kann es sich bei dem Fluid beispielsweise um ein Kühlmittel im Sinne von Kühlwasser und/oder um ein Öl handeln, beispielsweise um Motoröl und/oder Getriebeöl.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung umfasst eine Rohrleitung, welche sich zumindest abschnittsweise innerhalb eines Hohlkörpers erstreckt. Der Hohlkörper kann die Rohrleitung dabei vollständig umgreifen oder aber nur einen Teil ihres Umfangs. Bevorzugt kann die Rohrleitung sich dabei an wenigstens einem ihrer beiden Enden über den Hohlkörper hinaus erstrecken. Die Rohrleitung ist dazu ausgebildet, mit Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt zu werden. Hierzu kann die Wärmetauscheranordnung beispielsweise über ihre Rohrleitung mit einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine fluidleitend verbunden werden. Hierzu kann die Wärmetauscheranordnung beispielsweise in einen Abgasstrang der Abgasanlage integriert sein, so dass die Rohrleitung quasi einen Teil des Abgasstrangs bildet. Denkbar ist auch, dass es sich bei der Rohrleitung bereits um einen Abschnitt einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine handelt, welcher von dem Hohlkörper der Wärmetauscheranordnung umgriffen ist. In diesem Fall wäre die in Rede stehende Rohrleitung insofern nicht als Teil der Wärmetauscheranordnung anzusehen, da diese selbst den Abgasstrang nicht mit umfasst.
Der Hohlkörper ist so ausgestaltet, dass dieser einen Mantel besitzt, welcher zumindest teilweise doppelwandig ausgebildet ist. Doppelwandig im Sinne der Erfindung meint, dass der Mantel wenigstens zwei zumindest bereichsweise zueinander beabstandete Wände besitzt, welche eine Innenwand und eine Außenwand bilden. Wesentlich hierbei ist eine Ausgestaltung des doppelwandigen Mantels derart, dass dieser mit einem Fluid durchströmbar ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Mantel des Hohlkörpers die Rohrleitung zumindest bereichsweise berührt. Mit anderen Worten weisen hierbei die Innenwand des Hohlkörpers und eine Außenfläche der Rohrleitung einen zumindest bereichsweisen Kontakt miteinander auf, so dass eine Übertragung von Wärme zwischen der Rohrleitung und dem Hohlkörper ermöglicht ist. Konkret kann auf diese Weise die Abwärme des durch die Rohrleitung strömenden Abgases im Wesentlichen durch Wärmeleitung zumindest teilweise auf das den Hohlkörper durchströmende Fluid übertragen werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmetauscheranordnung zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist oder diese wenigstens aufweist. Hiernach kann beispielsweise die Rohrleitung zumindest teilweise besagte Formgedächtnislegierung aufweisen. Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann der Mantel des Hohlkörpers zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung gebildet sein oder diese wenigstens aufweisen.
Rohrleitung und/oder Mantel sind in Bezug auf die Verwendung der Formgedächtnislegierung dabei dergestalt, dass der zumindest bereichsweise zwischen diesen bestehende Kontakt durch eine zuvor festgelegte Verformung der Rohrleitung und/oder des Mantels manipulierbar ist. Ziel hierbei ist es, die bekannte temperaturabhängige reversible Verformbarkeit der Formgedächtnislegierung in der Form zu nutzen, dass die voreingestellte Berührung bzw. der Kontakt zwischen Mantel und Rohrleitung durch die Ausbildung eines Spaltes zwischen diesen aufhebbar ist. Im Gegensatz hierzu ist besagte Berührung bzw. der Kontakt zwischen diesen wieder herstellbar, indem der zuvor noch bestehende Spalt durch eine zumindest bereichsweise erfolgende Rückverformung des Mantels und/oder der Rohrleitung wieder überbrückt wird.
Der sich hieraus ergebende Vorteil liegt in der sich quasi selbst regelnden Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung. Ursächlich hierfür ist deren Anteil an der Formgedächtnislegierung. Diese Formgedächtnislegierungen weisen die Eigenart auf, dass sich deren kristalline Struktur in Abhängigkeit eines außerhalb der Schmelztemperatur liegenden Temperaturbereichs verändert. Hierdurch ist es möglich, dass ein aus einer Formgedächtnislegierung bestehendes Werkstück bei dessen Erwärmung wieder seine ursprüngliche Form annimmt.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Werkstück aus einer Formgedächtnislegierung zunächst bei hohen Temperaturen hergestellt und anschließend bei demgegenüber tiefen Temperaturen plastisch verformt wird. Hierdurch weist das so erstellte Werkstück – beispielsweise unter normalen Umgebungstemperaturen – seine durch die plastische Verformung erhaltene Formgestalt auf, während es bei entsprechender Erwärmung wieder seine ursprüngliche Formgestalt von vor seiner plastischen Verformung einnimmt.
Auf diese Weise ist es nun möglich, eine ohne das Erfordernis zusätzlicher Bauteile wie etwa Ventile und/oder Thermostate erfolgende Regelung der Wärmetauscheranordnung zu ermöglichen. Denn solange ein zumindest bereichsweiser Kontakt zwischen Rohrleitung und Mantel des Hohlkörpers besteht, kommt es zu einer Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Fluid. Sobald dieser Kontakt bzw. diese Berührung vollständig aufgehoben wird, entfällt der zuvor noch bestehende Übertragungsweg über die Wärmeleitung.
Da die Wärmeleitung in diesem Zusammenhang einen gegenüber den anderen Übertragungswegen wie Konvektion und Wärmestrahlung größeren Anteil einnimmt, kann so auf einfache Weise die Übertragung der Abwärme des Abgases auf das Fluid geregelt werden. Dank der durch die zumindest bereichsweise reversible Verformbarkeit der Wärmetauscheranordnung – hinsichtlich der hier in Rede stehenden Wärmeleitung – kann diese mit einem Minimum an Aufwand sowohl in bestehende als auch neue Abgassysteme integriert und betrieben werden. Aufgrund der Begrenzung auf die ohnehin erforderlichen Bauteile ist folglich auch eine insgesamt wirtschaftliche Herstellung für eine solche Wärmetauscheranordnung ermöglicht.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens kann die Wärmetauscheranordnung so ausgebildet sein, dass deren Regelung hinsichtlich der Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung auf Basis der Temperatur des Abgases erfolgt. Hierzu kann die mit dem strömenden Abgas im direkten Kontakt stehende Rohrleitung derart zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung ausgebildet sein, dass diese den Kontakt bzw. die Berührung mit dem Mantel des mit dem Fluid durchströmbaren Hohlkörpers ab einer vorbestimmten Temperatur des Abgases unterbricht. Mit anderen Worten ist die Rohrleitung hierbei der Lage, die Wärmeleitung zu dem Mantel aufgrund ihrer zumindest teilweisen reversiblen Verformbarkeit zu unterbrechen, indem durch ihr entsprechend radiales Zurückweichen ein Spalt zu der Innenwand des Mantels ausgebildet wird.
Die hierfür maßgebliche Temperatur des Abgases kann bevorzugt bei einem Wert von wenigstens 300° C liegen, wobei der somit einseitig offene Temperaturbereich nach oben hin von den jeweils höchstens erreichbaren Abgastemperaturen begrenzt ist. Demgegenüber kann der Wert für die Temperatur des Abgases grundsätzlich in einem Bereich von 200° C bis 400° C liegen. Selbstverständlich kann besagter Bereich auch zwischen 250° C und 350° C liegen. Zielführend ist, wenn der jeweils relevante Temperaturbereich oder ein Betrag für die Ausbildung des Spalts situationsbedingt festgelegt wird. So können entsprechende Werte oder Wertebereiche beispielsweise in Abhängigkeit der gewählten Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung vorgegeben werden. Besonders bevorzugt kann die Rohrleitung derart ausgebildet sein, dass diese sich bei Erreichen der maßgeblichen Temperatur des Abgases unter Ausbildung eines Ringspalts gleichmäßig radial von der Innenwand des Mantels zurückzieht.
Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann die Wärmetauscheranordnung so ausgebildet sein, dass deren Regelung hinsichtlich der Wärmeübertragung mittels Wärmeleitung auf Basis der Temperatur des jeweiligen Fluids erfolgt. Hierzu kann der mit dem Fluid im direkten Kontakt stehende Mantel des Hohlkörpers derart zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung ausgebildet sein, dass dieser den Kontakt bzw. die Berührung mit der mit dem Abgas durchströmbaren Rohrleitung ab einer vorbestimmten Temperatur des Fluids unterbricht. Mit anderen Worten ist der Mantel des Hohlkörpers hierbei in der Lage, die Wärmeleitung zu der Rohrleitung aufgrund seiner zumindest teilweisen reversiblen Verformbarkeit zu unterbrechen, indem durch sein entsprechendes radiales Zurückweichen ein Spalt zu der Außenfläche der Rohrleitung ausgebildet wird.
Aus dieser Ausgestaltung ergibt sich die Möglichkeit einer einfachen Kombination beispielsweise mit einem bereits bestehenden Abgassystem; näherhin mit dessen Abgasstrang. Hiernach kann dieses unter Beibehaltung des Abgasstrangs weiter Verwendung finden, da die erfindungsgemäße Regelung der Wärmetauscheranordnung über die temperaturabhängige reversible Verformbarkeit des Mantels des Hohlkörpers erfolgt.
Die in dieser Ausgestaltung zur Ausbildung des Spalts maßgebliche Temperatur des Fluids kann bevorzugt bei einem Wert von wenigstens 90° C liegen, wobei der somit einseitig offene Temperaturbereich nach oben hin von den jeweils höchstens erreichbaren Fluidtemperaturen begrenzt ist. Demgegenüber kann der Betrag für die Temperatur des Fluids grundsätzlich in einem Bereich von 70° C bis 100° C liegen. Selbstverständlich kann besagter Bereich auch zwischen 80° C und 95° C liegen. Zielführend ist, wie auch zuvor, wenn der jeweils relevante Temperaturbereich oder ein Betrag für die Ausbildung des Spalts situationsbedingt festgelegt wird. So können entsprechende Werte oder Wertebereiche beispielsweise in Abhängigkeit der gewählten Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung vorgegeben werden.
Bevorzugt kann in Bezug auf den Hohlkörper grundsätzlich nur die Innenwand seines Mantels zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung gebildet sein oder diese zumindest mit umfassen, also aufweisen. Hierdurch behält die Außenwand unabhängig von der Temperatur des Fluids und/oder des Abgases ihre ursprüngliche Form im Wesentlichen bei, so dass sich die äußeren Abmessungen des Hohlkörpers im Betrieb nicht verändern. Demgegenüber ist die Formveränderung der zur Unterbrechung oder zur Herstellung der Wärmeleitung auf die entsprechend innenliegende Innenwand des Mantels begrenzt.
Auch wenn die Rohrleitung der Wärmetauscheranordnung über weite Teile aus der Formgedächtnislegierung gebildet sein kann oder diese zumindest mit umfassen kann, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn sich der Einsatz der Formgedächtnislegierung auf einen innerhalb des Hohlkörpers gelegenen Teil und/oder Abschnitt der Rohrleitung beschränkt. Auf diese Weise stellt sich die gewünschte Verformung der Rohrleitung nur in von außen nicht sichtbaren Bereichen der Wärmetauscheranordnung ein. Zudem wäre eine außerhalb des Hohlkörpers erfolgende Verformung der Rohrleitung ohne Effekt auf die gewünschte Unterbrechung oder Herstellung des Kontakts bzw. der Berührung für die Wärmeleitung. Gleichwohl kann ein auch außerhalb des Hohlkörpers gelegener Bereich der Rohrleitung eine derartige, auf die Formgedächtnislegierung zurückzuführende Verformbarkeit aufweisen, beispielsweise für optische Kontrollzwecke.
Ergänzend vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung dahingehend weiterentwickelt sein, dass deren Hohlkörper in Bezug auf das Medium allseitig geschlossen ist, wobei er einen Einlass und einen Auslass für das Fluid aufweist. Besonders bevorzugt können Einlass und/oder Auslass in Form von Anschlüssen ausgebildet sein, um beispielsweise eine schnelle fluidleitende Verbindung zu entsprechenden Leitungen herstellen bzw. trennen zu können. Dabei sieht die Erfindung vor, dass der Einlass und der Auslass in einer fluidleitenden Verbindung mit dem durch das Fluid durchströmbaren Inneren des Mantels des Hohlkörpers stehen können.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung können der Einlass und/oder der Auslass an der Außenwand des doppelwandig aufgebauten Mantels des Hohlkörpers angeordnet sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache Erreichbarkeit des Einlasses und/oder des Auslasses zwecks Verbindung mit anderen Einrichtungen und/oder Bauteilen. Demgegenüber können Einlass und/oder Auslass selbstverständlich auch an einer Stirnseite des Hohlkörpers angeordnet sein, sofern es der jeweilige Bauraum zulässt oder sonstige Anforderungen hiermit einhergehen. Die Wahl hinsichtlich der Anordnung von Ein- und/oder Auslass obliegt dabei dem Fachmann, welcher hierzu – neben dem jeweiligen Bauraum – beispielsweise auch etwaige Anforderungen hinsichtlich der Strömung des Fluids innerhalb des Mantels des Hohlkörpers als Kriterium heranziehen wird.
Bei dem Hohlkörper kann es sich nach der Erfindung bevorzugt um einen Zylinder handeln, durch welchen hindurch sich die Rohrleitung erstreckt. Hiernach kann besagter Hohlkörper zylindrisch ausgebildet sein. Alternativ oder in Ergänzung hierzu ist z. B. auch eine rohrförmige Ausgestaltung denkbar. Die genannten Ausgestaltungsmöglichkeiten des Hohlkörpers sind dabei keinesfalls auf dessen kreisrunde bzw. rotationssymmetrische Ausgestaltung beschränkt. Tatsächlich kann dessen Querschnitt diverse Formen sowie Querschnittssprünge aufweisen, welche geeignet sind, die Rohrleitung in der erfindungsgemäßen Weise zu umgreifen. Insofern ist hinsichtlich der geeigneten Ausgestaltung des Hohlkörpers zielführend, wenn diese Formgebungen beispielsweise unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraums gewählt werden.
Die Längsrichtung der Rohrleitung kann in vorteilhafter Weise parallel oder fluchtend mit der Längsrichtung des beispielsweise zylindrischen oder rohrförmigen Hohlkörpers verlaufen, so dass die beiden Enden der Rohrleitung zu jeweils einem der beiden Enden bzw. Stirnseiten des Hohlkörpers ausgerichtet sind.
In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass der für das Einströmen des Fluids in den Mantel des Hohlkörpers ausgebildete Einlass und der für das anschließende Ausströmen ausgebildete Auslass in einer parallel zur Längsrichtung der Rohrleitung verlaufenden Richtung zueinander beabstandet sein können. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Mantels im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung der so umspülten Rohrleitung verläuft. Hierbei können beispielsweise etwaige Einbauten im Inneren des doppelwandigen Mantels des Hohlkörpers angeordnet sein, um den Strom an Fluid gezielt innerhalb des Mantels zu lenken. Auf diese Weise kann das Fluid nach seinem Eintritt in den Mantel über den Einlass beispielsweise spiralförmig um die Rohrleitung herum geführt werden, bevor es den Mantel durch den Auslass wieder verlässt.
Die nunmehr vorgestellte Wärmetauscheranordnung ermöglicht deren überaus wirtschaftlichen Aufbau sowie Betrieb. Hierfür maßgeblich ist insbesondere deren einfache Ausgestaltung ohne zusätzliche Bauteile wie beispielsweise Regelemente oder die Notwendigkeit einer zusätzlichen Bypassleitung. Durch den Einsatz der zumindest bereichsweise eingesetzten Formgedächtnislegierung erfolgen die Herstellung und Aufhebung des für die Wärmeleitung notwendigen Kontaktes bzw. der Berührung zwischen den unmittelbar mit dem Fluid und dem Abgas in Kontakt stehenden Bereichen der Wärmetauscheranordnung quasi autonom.
Die Erfindung ist ferner auf ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine gerichtet. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich in besonders bevorzugter Weise um die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Das erfindungsgemäße Abgassystem weist einen sich im eingebauten Zustand des Abgassystems zwischen der Brennkraftmaschine und einem Endschalldämpfer erstreckenden Abgasstrang auf, welcher eine Wärmetauscheranordnung besitzt. Bei der Wärmetauscheranordnung kann es sich in vorteilhafter Weise um die zuvor aufgezeigte erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung handeln.
Besagte Wärmetauscheranordnung umfasst eine sich zumindest abschnittsweise innerhalb eines Hohlkörpers erstreckende Rohrleitung, welche mit Abgas der Brennkraftmaschine ist. Dabei kann die Rohrleitung in Sinne eines Teilstücks unmittelbar innerhalb des Abgasstrangs angeordnet sein. Mit anderen Worten wurde hierzu der zunächst wenigstens zwei Abschnitten umfassende Abgasstrang unter Eingliederung der in Rede stehenden Rohrleitung ohne etwaigen Bypass fluidleitend miteinander verbunden. Alternativ hierzu kann die Rohrleitung direkt einen Abschnitt des Abgasstrangs bilden. Der Hohlkörper selbst besitzt einen zumindest teilweise doppelwandigen und mit einem Fluid durchströmbaren Mantel, welcher die Rohrleitung zumindest bereichsweise berührt.
Erfindungsgemäß ist die Rohrleitung oder der Mantel zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet. Alternativ hierzu könne sowohl Rohrleitung als auch Mantel zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung gebildet sein der diese zumindest umfassen. Aufgrund der temperaturabhängige reversiblen Verformbarkeit der aus der Formgedächtnislegierung gebildeten oder diese umfassenden Bereiche der Wärmetauscheranordnung ist so die Berührung zwischen Mantel und Rohrleitung durch Ausbildung eines entsprechenden Spaltes aufhebbar und durch Überbrückung des Spaltes wieder herstellbar.
Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit der zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung näher erläutert, so dass an dieser Stelle auf die vorherigen Ausführungen verwiesen wird.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in geschnittener Darstellung in einem ersten Zustand,
2 die Wärmetauscheranordnung aus 1 in einer zweien Variante in gleicher Darstellungsweise im ersten Zustand sowie
3 die Wärmetauscheranordnungen aus den 1 und 2 in gleicher Darstellungsweise in einem jeweils zweiten Zustand.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel nur einmal beschrieben sind.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung 1 in schematischer Darstellungsweise in einem ersten Zustand. Dieser dient dem Austausch von Wärme zwischen einem Abgas A einer nicht näher gezeigten Brennkraftmaschine und einem Fluid B. Bei dem Fluid B kann es sich beispielsweise um ein Kühlmittel handeln.
Hierzu umfasst die Wärmetauscheranordnung 1 eine Rohrleitung 2, welche sich vorliegend in einer Längsrichtung x erstreckt. Die Rohrleitung 2 ist dazu ausgebildet, um mit dem Abgas A in eine Strömungsrichtung C durchströmt zu werden. Hierzu kann die Rohrleitung 2 beispielsweise direkt in einen nicht näher gezeigten Abgasstrang eines Abgassystems der Brennkraftmaschine integriert sein. Wahlweise kann es sich bei der Rohrleitung 2 auch um einen Abschnitt besagten Abgasstrangs handeln.
Um die Rohrleitung 2 herum erstreckt sich ein Hohlkörper 3, welcher vorliegend die Form eines Zylinders aufweist. Hierdurch erstreckt sich die Rohrleitung 2 zumindest abschnittsweise innerhalb des Hohlkörpers 3, wobei deren jeweiligen Enden 4, 5 gegenüber den sich in Längsrichtung x gegenüberliegenden offenen Enden 6, 7 des Hohlkörpers 3 vorspringen. Mit anderen Worten ragen die beiden Enden 4, 5 der Rohrleitung 2 aus dem Hohlkörper 3 heraus.
Der Hohlkörper 3 ist so aufgebaut, dass dieser einen doppelwandigen Mantel 8 besitzt. Hierzu sind eine Außenwand 9 und eine Innenwand 10 des Mantels 8 derart zueinander beabstandet und an den Enden 6, 7 des Hohlkörpers 3 verschlossen, dass ein so gebildetes Inneres 11 des Mantels 8 mit dem Fluid B durchströmbar ist.
Wie zu erkennen, stehen dabei die Innenwand 10 des Mantels 8 und eine Außenfläche 12 der Rohrleitung 2 zumindest bereichsweise in Berührung bzw. weisen einen entsprechenden Kontakt zueinander auf. Besagte Berührung beschränkt sich dabei auf einen Kontaktbereich D zwischen der Außenfläche 12 der Rohrleitung 2 und der Innenwand 10 des Mantels 8. Auf diese Weise ist es möglich, von dem Abgas A auf die Rohrleitung 2 übergehende Abwärme über die Innenwand 10 des Mantels 8 auf das Fluid B zu übertragen.
Um die so über das Fluid B aus dem Abgas A aufgenommene Wärme an anderer Stelle übertragen zu können, weist der Mantel 8 des Hohlkörpers 3 an dessen Außenwand 9 angeordnete Anschlüsse auf, von denen einer einen Einlass 13 und der andere einen entsprechenden Auslass 14 für das Fluid B bildet. Hierzu sind der Einlass 13 und der Auslass 14 mit dem Inneren 11 des Mantels 8 fluidleitend verbunden. Einlass 13 und Auslass 14 sind in einer parallel zur Längsrichtung x der Rohrleitung 2 verlaufenden Richtung zueinander beabstandet. Auf diese Weise kann das Fluid B über den Einlass 13 in eine Einströmrichtung E in das Innere 11 des Mantels 8 einströmen und diesen durchströmen, bevor es diesen in eine Ausströmrichtung F wieder über den Auslass 14 verlässt. Von hier aus kann das so erwärmte Fluid B beispielsweise direkt in einen Kühlmantel der Brennkraftmaschine eingeleitet werden, wo es durch zumindest teilweise Abgabe der aufgenommenen Wärme zu einer raschen Erwärmung der Brennkraftmaschine beiträgt.
In der hier gezeigten ersten Variante der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung 1 ist zumindest die Innenwand 10 des Mantels 8 des Hohlkörpers 3 wenigstens bereichsweise aus einer nicht näher ersichtlichen Formgedächtnislegierung gebildet. Ersichtlich weist der Mantel 8 des Hohlkörpers 3 einen Querschnittssprung auf, welcher die Berührung mit der Rohrleitung 2 im Kontaktbereich D überhaupt ermöglicht.
2 zeigt eine – weiterhin im ersten Zustand befindliche – zweite alternative Ausgestaltung der Wärmetauscheranordnung 1 aus 1. Im Unterschied zu der ersten Variante in 1 ist vorliegend nicht der Mantel 8 des Hohlkörpers 3, sondern vielmehr die Rohrleitung 2 wenigstens bereichsweise aus der nicht näher ersichtlichen Formgedächtnislegierung gebildet. Ersichtlich weist hierbei die Rohrleitung 2 selbst einen innerhalb des Hohlkörpers 3 gelegenen Querschnittssprung auf, um die Berührung mit der Innenwand 10 des Mantels 8 im Kontaktbereich D zu ermöglichen.
3 ist ein zweiter Zustand der Wärmetauscheranordnung 1 aus den 1 und 2 zu entnehmen. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass die Innenwand 10 des Mantels 8 des Hohlkörpers 3 und die Außenfläche 12 der Rohrleitung 2 keine Berührung mehr untereinander aufweisen. Wie zu erkennen, liegt der nunmehr fehlenden Berührung ein umlaufender Spalt 15 zugrunde. Die Ausbildung des Spaltes 15 ist auf die Verwendung der Formgedächtnislegierung zurückzuführen. Aufgrund der temperaturabhängigen reversiblen Verformbarkeit der aus der Formgedächtnislegierung gebildeten Teile der Wärmetauscheranordnung 1 sind diese so ausgestaltet, dass sie unter Einfluss von Wärme in ihre ursprüngliche Form zurückweichen. Im Falle der in 1 gezeigten ersten Variante ist durch den Einfluss der ansteigenden Wärme des Fluids B die Innenwand 10 des Mantels 8 des Hohlkörpers 3 radial nach außen zurückgewichen. Demgegenüber liegt der Ausbildung des Spaltes 15 ausgehend von der zweiten Variante aus 2 der Umstand zugrunde, dass hier die Rohrleitung 2 selbst radial nach innen zurückgewichen ist.
Im Ergebnis zeigt der in 3 ersichtliche Zustand den Fall, in dem keine weitere Wärmeleitung mehr zwischen Abgas A und Fluid B stattfindet. Sobald das Abgas A und/oder das Fluid B eine vorbestimmte Temperatur unterschreiten/unterschreitet, weichen die relevanten Bereiche der Wärmetauscheranordnung 1 wieder in ihre aus den 1 und 2 ersichtlichen Stellungen zurück. Auf diese Weise kann sich erneut der Kontaktbereich D zwischen der Außenfläche 12 der Rohrleitung 2 und der Innenwand 10 des Mantels 8 einstellen, um eine weitere bzw. erneute Wärmeleitung zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscheranordnung
2: Rohrleitung von 1
3: Hohlkörper von 1
4: erstes Ende von 2
5: zweites Ende von 2
6: erstes Ende von 3
7: zweites Ende von 3
8: Mantel von 3
9: Außenwand von 8
10: Innenwand von 8
11: Inneres von 8
12: Außenfläche von 2
13: Einlass von 3 an 9
14: Auslass von 3 an 9
15: Spalt zwischen 12 und 10
A: Abgas in 2
B: Fluid in 8
C: Strömungsrichtung von A
D: Kontaktbereich zwischen 10 und 12
E: Einströmrichtung von B
F: Ausströmrichtung von B

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8522537 B2 [0005]
US 8714238 B2 [0007]
US 2011/0099989 A1 [0008]
US 2011/0220072 A1 [0009]

Claims

Wärmetauscheranordnung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine mit Abgas (A) durchströmbare Rohrleitung (2), welche sich zumindest abschnittsweise innerhalb eines Hohlkörpers (3) erstreckt, wobei der Hohlkörper (3) einen zumindest teilweise doppelwandigen und mit einem Fluid (B) durchströmbaren Mantel (8) besitzt, welcher die Rohrleitung (2) zumindest bereichsweise berührt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) und/oder der Mantel (8) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind/ist, durch deren temperaturabhängige reversible Verformbarkeit die Berührung zwischen Mantel (8) und Rohrleitung (2) durch Ausbildung eines Spaltes (15) aufhebbar und durch Überbrückung des Spaltes (15) wieder herstellbar ist.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Ausbildung der mit dem Abgas (A) in direktem Kontakt stehenden Rohrleitung (2) aus der Formgedächtnislegierung derart, dass die Berührung zwischen Mantel (8) und Rohrleitung (2) ab bei einer Temperatur des Abgases (A) in einem Bereich von 200° C bis 400° C durch Ausbildung des Spalts (15) vollständig aufhebbar ist.
Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Ausbildung des mit dem Fluid (B) in direktem Kontakt stehenden Mantels (8) des Hohlkörpers (3) aus der Formgedächtnislegierung derart, dass die Berührung zwischen Mantel (8) und Rohrleitung (2) bei einer Temperatur des Fluids (B) in einem Bereich von 70° C bis 100° C durch Ausbildung des Spalts (15) vollständig aufhebbar ist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (8) des Hohlkörpers (3) nur im Bereich seiner Innenwand (10) zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung gebildet ist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) an einem innerhalb des Hohlkörpers (3) angeordneten Abschnitt zumindest teilweise aus der Formgedächtnislegierung gebildet ist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) einen jeweils fluidleitend mit dem Inneren (11) des doppelwandigen Mantels (8) verbundenen Einlass (13) und Auslass (14) für das Fluid (B) aufweist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (13) und/oder der Auslass (14) an einer Außenwand (9) des doppelwandigen Mantels (8) des Hohlkörpers (3) angeordnet sind/ist.
Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist, wobei dessen Einlass (13) und Auslass (14) für das Fluid (B) in einer parallel zu einer Längsrichtung (x) der Rohrleitung (2) verlaufenden Richtung zueinander beabstandet sind.
Abgassystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen sich im eingebauten Zustand zwischen der Brennkraftmaschine und einem Endschalldämpfer erstreckenden Abgasstrang mit einer Wärmetauscheranordnung (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine sich zumindest abschnittsweise innerhalb eines Hohlkörpers (3) erstreckende und mit Abgas (A) durchströmbare Rohrleitung (2) umfasst, welche als Teilstück unmittelbar innerhalb des Abgasstrangs angeordnet ist oder einen Abschnitt des Abgasstrangs bildet, wobei der Hohlkörper (3) einen zumindest teilweise doppelwandigen und mit einem Fluid (B) durchströmbaren Mantel (8) besitzt, welcher die Rohrleitung (2) zumindest bereichsweise berührt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (2) und/oder der Mantel (8) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind/ist, durch deren temperaturabhängige reversible Verformbarkeit die Berührung zwischen Mantel (8) und Rohrleitung (2) durch Ausbildung eines Spaltes (25) aufhebbar und durch Überbrückung des Spaltes (15) wieder herstellbar ist.