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Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager für einen Verbrennungsmotor. Der Abgaswärmeübertrager umfasst ein Rohrbündel mit abgasführenden Rohren sowie ein von einem Kühlmittel durchströmbares Gehäuse, das das Rohrbündel umschließt und welches einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist.
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Abgaswärmeübertrager werden bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um das heiße, vom Verbrennungsmotor abgeführte Abgas abzukühlen, bevor dieses dem Verbrennungsmotor wieder zugeführt wird. Im Betriebseinsatz des Abgaswärmeübertragers wird die Wärme des Abgases über die abgasführenden Rohre an das die abgasführenden Rohre umströmende Kühlmittel übertragen. Das Kühlmittel ist zumeist Wasser oder ein Wasser-Glykol Gemisch. Das Kühlmittel gelangt durch einen Kühlmitteleinlass in das Innere des Gehäuses und verlässt den Abgaswärmeübertrager nach Durchströmen des Gehäuses bzw. Umströmen des Rohrbündels über den am Gehäuse ausgebildeten Kühlmittelauslass.
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Bei heutigen Kraftfahrzeugen ist der zur Verfügung stehende Einbauraum für derlei Abgaswärmeübertrager mitunter sehr begrenzt. Insoweit kann es notwendig sein, dass der Abgaswärmetauscher zumindest abschnittsweise in ein anderes Bauteil, etwa einen Ottopartikelfilter, hineinragend verbaut wird. Die Kühlmittelzuführung und Kühlmittelabführung müssen insoweit an demselben Gehäuseendabschnitt bzw. Gehäuselängssegment angeordnet sein. Dies begünstigt jedoch einen hinsichtlich der Effizienz des Wärmeübertragers nachteiligen Kurzschluss der Kühlmittelströmung innerhalb des Gehäuses. Um einen solchen Kurzschluss der Kühlmittelströmung zu unterbinden, ist aus der
EP 2 559 962 B1 bekannt, zwischen dem Gehäuse und dem Rohrbündel eine mehreckig ausgeführte Kühlmittelleiteinrichtung auszubilden, sodass mehrere Einströmkanäle gebildet sind, die in einer zur Längsachse radialen Richtung jeweils durch die Kühlmittelleiteinrichtung und die Gehäuseinnenwand begrenzt sind. Der Abgaswärmeübertrager weist dadurch allerdings einen insgesamt komplexen Aufbau auf und ist dementsprechend teuer in der Fertigung. Zudem ist bei dieser Bauform konzeptbedingt im Zentrum des Wärmetauschers ein lokales Temperaturmaximum („hot spot“) zu erwarten, da das Kühlmittel bei einer Zuführung über den Außenbereich hier nur erschwert „vordringt“.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen effizienten Abgaswärmeübertrager mit einer vereinfachten und technisch verbesserten Strömungsführung des Kühlmittels anzugeben, der einfach zu fertigen ist und dessen Kühlmittelzuführung und -abführung an demselben Endabschnitt des Gehäuses realisiert werden können, um den vorgenannten Einbau des Abgaswärmeübertragers zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgaswärmeübertrager mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch, dass der Kühlmitteleinlass bei dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager durch ein Einlassrohr gebildet ist, das sich durch den zweiten Gehäuseboden des Gehäuses und das Rohrbündel soweit axial in Richtung auf den ersten Gehäuseboden erstreckt, dass der Kühlmitteleinlass in axialer Richtung zwischen dem Kühlmittelauslass und dem ersten Gehäuseboden angeordnet ist, kann einer unerwünschten Kurzschlussverbindung der Kühlmittelströmung zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass zuverlässig entgegengewirkt werden. Das Kühlmittel kann dem Gehäuse dabei über denselben End- bzw. Längsabschnitt (= Längssegment) des Gehäuses zu- und abgeführt werden. Durch den in Richtung der Längsachse gegebenen axialen Abstand des Kühlmitteleinlasses zum Kühlmittelauslass wird zugleich eine langstreckige Umspülung sowie in der Folge eine für die Wärmeübertragung ausreichend lange Kontaktzeit des Kühlmittels mit den abgasführenden Rohren des Rohrbündels ermöglicht. Im Betriebseinsatz strömt somit das Kühlmittel über das Einlassrohr in das Gehäuse. Ein zentral im Gehäuseinneren lokalisiertes Temperaturmaximum kann so vermieden werden. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann darüber hinaus mit besonders kompakten Abmessungen und einer kleinen Anzahl von Teilen auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise realisiert werden. Dadurch, dass das Einlassrohr über (durch) den zweiten Gehäuseboden in das Gehäuse hineingeführt ist, kann der Kühlmittelauslass besonders nahe zum zweiten Gehäuseboden positioniert sein. Das abgasseitige Längs- oder Endsegment des Abgaswärmetauschers kann bei Bedarf in ein anderes Bauteil, insbesondere den Partikelfilter eines Ottomotors, einragend verbaut werden.
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Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Einlassrohr zentral im Gehäuse verlaufend angeordnet. Mit anderen Worten ist das Einlassrohr auf der Längsachse des Gehäuses verlaufend angeordnet. Die Längsachse des Einlassrohrs und Längsachse des Gehäuses fallen bei dieser Ausführungsform also zusammen. Dadurch kann eine besonders homogene Umströmung der abgasführenden Rohre mit dem Kühlmittel erreicht werden.
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Dass Einlassrohr weist nach einer Weiterbildung der Erfindung zum ersten Gehäuseboden einen Abstand a auf, der kleiner ist, als der Innendurchmesser d des Einlassrohrs. Dadurch wird im Betriebseinsatz des Abgaswärmeübertragers eine besonders effektive Verwirbelung und Vermischung des aus dem Einlassrohr austretenden Kühlmittels mit dem im Gehäuse befindlichen Kühlmittelvolumen ermöglicht.
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Der erste Gehäuseboden kann zwecks einer nochmals effektiveren Durchmischung des einströmenden Kühlmittels mit dem bereits im Gehäuse befindlichen Kühlmittel zumindest ein Anströmelement aufweisen, das der Einlassöffnung des Kühlmitteleinlasses in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet ist bzw. sich von dem ersten Gehäuseboden in Richtung auf das Einlassrohr wegerstreckt. Das zumindest ein Anströmelement ist vorzugsweise auf der Längsmittelachse des Einlassrohrs angeordnet. Das Anströmelement kann sich nach einer Ausführungsform der Erfindung in das Einlassrohr hineinerstrecken. Besonders vorteilhaft ist das Anströmelement kegelförmig ausgeführt.
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Zur Strömungsführung und weiteren Durchmischung des Kühlmittels können im Gehäuseinneren Strömungsumlenkelemente vorgesehen sein. Die Strömungsumlenkelemente können beispielsweise innenseitig am Gehäuse oder auch an den abgasführenden Rohren angeordnet sein.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann das Einlassrohr an seinem freien Endabschnitt mehrere seitliche (Kühlmitteldurchtritts-)Öffnungen aufweisen, um eine zusätzliche Verwirbelung des Kühlmittels im Gehäuseinneren zu erreichen. Die kumulative Öffnungsfläche dieser Öffnungen ist dabei vorzugswiese kleiner, als die als eigentlicher Kühlmitteleinlass des Einlassrohrs dienende endseitige Rohröffnung. Diese Öffnungen können, in Einströmungsrichtung des Kühlmediums betrachtet, vorzugsweise direkt vor einem vorstehend genannten zusätzlichen Strömungsumlenkungselement positioniert sein, um eine gezielte Umströmung dieser Elemente zu gewährleisten und somit lokale Temperaturmaxima durch sonst zu geringe Kühlmittelströme in diesen Bereichen (Totgebiete) zu reduzieren bzw. vollständig zu verhindern.
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Eine besonders kompakte axiale Bauform des Abgaswärmeübertragers kann dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse einen seitlichen Abgasauslass aufweist.
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Nach der Erfindung kann der Abgasauslass von einem Gehäuseendtopf gebildet sein. Der Gehäuseendtopf kann insbesondere am zweiten Gehäuseboden des Gehäuses umlaufend befestigt, insbesondere mit diesem verschweißt, sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann der Gehäuseendtopf mit dem übrigen Gehäuse umlaufend verschweißt sein. Der Abgasauslass kann erfindungsgemäß in einer zur Längsachse radialen Richtung an der Mantelfläche des Gehäuseendtopfs angeordnet sein.
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Nach der Erfindung kann/können der erste und/oder der zweite Gehäuseboden umlaufend mit dem übrigen Gehäuse verbunden, insbesondere mit diesem verschweißt, sein.
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Aufgrund der unter Betriebsbedingungen gegebenen Wärmebelastung des Abgaswärmeübertragers besteht dieser vorzugsweise insgesamt aus Metall, insbesondere aus Edelstahl.
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Das Gehäuse des Abgaswärmeübertragers weist vorzugsweise eine kreisrunde Grundform auf. Dadurch kann der Abgaswärmeübertrager abschnittsweise in ein dazu korrespondierendes rohrförmiges Bauteil, etwa einen eingangs genannten Partikelfilter, eingeschoben werden. Das Gehäuse kann außenseitig mit einem bevorzugt ringförmig geschlossenen Montageflansch versehen sein. Dadurch kann der Abgaswärmeübertrager vereinfacht an dem anderen Bauteil lösbar befestigt werden. Der Montageflansch ist dabei vorzugsweise relativ zum ersten Gehäuseboden in einer axialen Richtung zum zweiten Gehäuseboden versetzt angeordnet, um einen Eingriff des Gehäuses in das andere Bauteil zu ermöglichen.
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Die abgasführenden Rohre können eine kreisrunde, eine elliptische oder eine polygonale, insbesondere rechteckige, Querschnittsform aufweisen. In der Regel ist die kreisrunde Querschnittsform am einfachsten und kostengünstigsten zu realisieren. So wird insbesondere deren Dichtsitz an den beiden Rohrböden des Abgaswärmetauschers vereinfacht.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die abgasführenden Rohrelemente zusätzlich eine (makroskopisch) strukturierte Außenoberfläche zwecks einer Oberflächenvergrößerung auf. So können die Rohrelemente insbesondere Ein- und/oder Ausprägungen (Noppen) aufweisen. Die Ein- und/oder Ausprägungen können längs des jeweiligen Rohrelements in einem regelmäßigen Muster oder einem sich über den Verlauf der Rohrlänge verändernden Muster angeordnet sein.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben für die Schilderung der Erfindung vielmehr beispielhaften Charakter.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager in einer perspektivischen Ansicht;
- 2 zeigt den Abgaswärmetauscher gemäß 1 in einem Längsschnitt;
- 3 zeigt einen Abgaswärmeübertrager mit im Gehäuseinneren angeordneten Strömungsumlenkelementen für ein Kühlmittel;
- 4 zeigt einen Detailausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abgaswärmetauschers mit einem am ersten Gehäuseboden angeordnetem Anströmelement für das in das Gehäuseinnere einströmende Kühlmittel.
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In den 1 und 2 ist ein Abgaswärmeübertrager 10 für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Der Abgaswärmeübertrager 10 weist ein Gehäuse 12 mit einer Längsachse 14 auf. Das Gehäuse 12 umfasst einen ersten und einen zweiten Gehäuseboden 16, 18, durch die in axialer Richtung ein Gehäuseinneres 20 abgegrenzt ist. Der erste und der zweite Gehäuseboden 16, 18 sind hier umlaufend mit dem übrigen Gehäuse 12 fluiddicht verschweißt. Das Gehäuse 12 bzw. das Gehäuseinnere 20 ist von einem Kühlmittel K durchströmbar. Dazu weist das Gehäuse 12 eine Kühlmittelzuführung mit einem Kühlmitteleinlass 22 und eine Kühlmittelabführung mit einem Kühlmittelauslass 24 auf.
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Innerhalb des Gehäuses 12 ist ein Rohrbündel 26 mit einer Vielzahl von abgasführenden Rohren 28 angeordnet. Die abgasführenden Rohre 28 sind hier zueinander parallel verlaufend angeordnet und erstrecken sich in Richtung der Längsachse 14 des Gehäuses 12 vom ersten Gehäuseboden 16 bis zum zweiten Gehäuseboden 18. Die beiden Rohrböden 16, 18 weisen jeweils zu den abgasführenden Rohren 28 korrespondierende Ausnehmungen 30 (1) auf, in die sich die abgasführenden Rohre 28 hineinerstrecken. Die abgasführenden Rohre 28 sind mit den beiden Rohrböden 16, 18 vorzugsweise jeweils umlaufend fluiddicht verschweißt. Der Abgaseinlass des Abgaswärmeübertragers 10 für das abzukühlende Abgas E ist insgesamt mit 32 bezeichnet.
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Das Gehäuse 12 weist einen Gehäuseendtopf 34 auf, der mit einem seitlichen Abgasauslass 36 versehen ist. Der Abgasauslass 36 ist mit anderen Worten in einer zur Längsachse 14 radialen Richtung an der Mantelfläche 38 des Gehäuseendtopfs 34 angeordnet. Der Gehäuseendtopf 34 ist hier mit dem zweiten Gehäuseboden 18 sowie mit dem übrigen Gehäuse 12 umlaufend und fluiddicht verschweißt. Im Betriebseinsatz des Abgaswärmeübertragers 10 strömt das Abgas E über den Abgaseinlass 32 in die abgasführenden Rohre 28 und tritt über den Abgasauslass 36 aus dem Abgaswärmeübertrager 10 wieder aus.
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Der Kühlmitteleinlass 22 ist hier durch ein Einlassrohr 40 gebildet, das sich in axialer Richtung durch den zweiten Gehäuseboden 18 und das Rohrbündel 26 in Richtung des ersten Gehäusebodens 16 erstreckt. Das Einlassrohr 40 ist hier im Gehäuse zentral auf der Längsachse 14 verlaufend angeordnet. Das Einlassrohr weist eine kreisrunde Querschnittsform auf. Der Kühlmitteleinlass 22, also die endseitige Öffnung des Einlassrohrs 40, ist so in axialer Richtung zwischen dem Kühlmittelauslass 24 und dem ersten Gehäuseboden 16 angeordnet. Das Einlassrohr 40 weist zum ersten Gehäuseboden 16 vorzugsweise einen Abstand a auf, der kleiner ist, als der Innendurchmesser d des Einlassrohrs, wie dies in 4 gezeigt ist. Insgesamt können die abgasführenden Rohre 28 dadurch nahezu über ihre gesamte axiale Längserstreckung von dem Kühlmittel K umspült und eine effiziente Wärmeübertragung von dem heißen Abgas E auf das Kühlmittel K erreicht werden. Mit anderen Worten wird eine Kurzschlussströmung des Kühlmittels K durch das Gehäuse 12 vermieden.
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Das Gehäuse 12 des Abgaswärmeübertragers 10 weist hier eine kreisrunde Querschnittsform auf.
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Dadurch, dass der Kühlmitteleinlass und auch der Kühlmittelauslass vom Abgaseinlass 32 jeweils axial beabstandet angeordnet sind, kann der Abgaswärmeübertrager 10 mit seinem mit 42 bezeichneten Längssegment in ein anderes Bauteil 44 (2), etwa einen Partikelfilter eines Ottomotors, eingeschoben werden. Zur Befestigung des Abgaswärmeübertragers 10 an dem anderen Bauteil dient ein, vorzugsweise ringförmig geschlossen ausgeführter, Montageflansch 46, der außenseitig am Gehäuse 12 befestigt ist.
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3 zeigt einen weiteren Abgaswärmeübertrager 10, der sich von dem in den 1 und 2 dargestellten Abgaswärmeübertrager 10 im Wesentlichen darin unterscheidet, dass im Gehäuseinneren 20 zusätzlich Strömungsumlenkelemente 48 für das Kühlmittel K angeordnet sind, um eine nochmals weiter verbesserte Durchmischung des durch das Gehäuse 12 strömenden Kühlmittels K zu gewährleisten. Die Strömungsumlenkelemente 48 können an den abgasführenden Rohren 28 bzw. innenseitig am Gehäuse 12 befestigt sein. Darüber hinaus kann das Einlassrohr zusätzlich zum Kühlmitteleinlass 20 seitliche Einströmöffnungen 50 umfassen, um eine nochmals stärkere Durchmischung des Kühlmittels K im Gehäuseinneren 20 zu begünstigen. Die kumulative Öffnungsfläche A1 dieser seitlichen Öffnungen ist dabei vorteilhaft kleiner als die Öffnungsfläche A2 , insbesondere kleiner als 50% der Öffnungsfläche A2 , des Kühlmitteleinlasses 22.
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Gemäß dem in 4 gezeigten Detailausschnitt eines Abgaswärmeübertragers 10 kann der erste Gehäuseboden 16 ein Anströmelement 52 für das Kühlmittel K aufweisen, das sich vom ersten Gehäuseboden 16 in Richtung auf das Einlassrohr 40 wegerstreckt. Das Anströmelement 52 kann insbesondere in Form eines Kegels ausgebildet sein.
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Mit Blick auf die im Betriebseinsatz gegebene Wärmebelastung des Abgaswärmeübertragers 10 ist dieser vorteilhaft insgesamt aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, gebildet.
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Bei den vorstehenden im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschriebenen Wärmeübertragern weisen die abgasführenden Rohre 28 jeweils eine kreisrunde Querschnittsform auf. Gemäß der in 5 gezeigten Bauart können die abgasführenden Rohre 28 auch eine ovale/elliptische Querschnittsform aufweisen. Vorstellbar ist darüber hinaus auch eine polygonale, insbesondere rechteckige, Querschnittsform der abgasführenden Rohre 28. Es versteht sich, dass auch das Gehäuse 12 des Wärmeübertragers 10 eine elliptische oder polygonale Querschnittsform aufweisen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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