DE60119740T2

DE60119740T2 - Abgaskühler mit umgehungsleitung und abgasrückführventil

Info

Publication number: DE60119740T2
Application number: DE60119740T
Authority: DE
Inventors: William Stewart LEEDHAM; Thomas Matthew STONEHOUSE
Original assignee: Serck Heat Transfer Ltd
Current assignee: Garrett Thermal Systems Ltd
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: DE60119740D1; WO2002010574A1; EP1305512B1; GB0018406D0; BR0111968A; AU2001275722A1; CN1437680A; EP1305512A1; ATE326627T1; US20030150434A1; CN1270072C; US6807955B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kühler zur Verwendung in einem Abgasrückführungs (AGR)-System in einer Verbrennungsmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Abgaskühler, der eine Umgehungsleitung aufweist, welche ermöglicht, dass Abgase entweder durch den Kühler durchgehen und dabei gekühlt werden oder durch die Umgehungsleitung durchgehen und dabei Kühlung vermeiden.
AGR-Systeme führen zum Zweck der Verringerung von NOx-Emissionen mindestens einen Teil der Maschinenabgase in das Maschinenlufteintrittsystem zurück. Es besteht eine allgemeine Erfordernis, Fahrzeugabgasemissionen, einschließlich NOx, in Anbetracht strenger Umweltkontrollen sogar noch weiter zu verringern. Das britische Patent Nr. 2,303,177 offenbart ein AGR-System, in dem ein Teil der von einer Maschine produzierten Abgase von einer Abgasleitung der Maschine in eine Saugleitung der Maschine zurückgeführt wird. In diesem System ist ein Kühler angeordnet, um den zurückgeführten Teil der Abgase zu kühlen, und eine Umgehungsleitung ist angeordnet, um den Kühler zu umgehen. Ein Ventil lenkt den zurückgeführten Teil der Abgase unter geringer Maschinentemperatur und/oder geringen Belastungsbetriebsbedingungen über die Umgehungsleitung in die Saugleitung, um der Maschine unter geringen Temperaturbedingungen und während des Anlaufens der Maschine heiße Abgase zu liefern, um Kondensation in der Verrohrung und dem Kühler zu reduzieren. Das britische Patent Nr. 2,303,177 offenbart allerdings nicht, wie der Kühler, die Umgehungsleitung und die Ventile angeordnet sind. Der Kühler und die Umgehungsleitung sind als separate Komponenten bereitgestellt, was zu der Anzahl an Komponenten, welche innerhalb des begrenzten Maschinenraums plaziert werden müssen, hinzufügt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, ein kompaktes AGR-System bereitzustellen, einschließlich eines AGR-Kühlers und einer AGR-Umgehungsleitung, welche leicht in einen Maschinenzwischenraum gepasst werden können.
EP 0 942 156 offenbart einen Abgaskühler, welcher in einer Umgehung zur Hauptabgasleitung eines Motorfahrzeugs plaziert ist. EP 0 942 156 befasst sich, über den Kühlungskreislauf, mit der Zurückgewinnnung einiger Hitze aus dem Abgas, um dem Innenraum des Motorfahrzeugs heiße Luft bereitzustellen. Obwohl es eine Umgehungsanordnung offenbart, ist es nicht für Abgasrückführung und Regelung der Abgastemperatur, welche aus der Umgehung austritt, bestimmt, und Abgaskühler werden nicht behandelt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Abgaskühler bereitgestellt, der Folgendes beinhaltet:
eine Abgaseinlasskammer, die mit einem Abgaseinlass in Verbindung steht,
eine Abgasauslasskammer, die mit einem Abgasauslass in Verbindung steht,
eine Kühlmittelkammer, die zwischen der Abgaseinlasskammer und der Abgasauslasskammer angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist, die mit der Kühlmittelkammer in Verbindung stehen,
eine Vielzahl von Abgasdurchgängen innerhalb der Kühlmittelkammer und die mit der Abgaseinlasskammer und der Abgasauslasskammer in Verbindung stehen,
einen Abgasumgehungsdurchgang außerhalb der Kühlmittelkammer, der mit der Abgaseinlasskammer und der Abgasauslasskammer in Verbindung steht, wobei der Abgasumgehungsdurchgang ein Ausdehnungsmittel umfasst, um eine differentielle Wärmeausdehnung des Abgasumgehungsdurchgangs und der Kühlmittelkammer zu ermöglichen; und
ein Ventil, das betriebsfähig zwischen den Abgasdurchgängen und dem Abgasauslass ist, um den Abgasstrom von den Abgasdurchgängen und dem Abgasumgehungsdurchgang zum Abgasauslass anzupassen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler ein Abgasrückführungskühler ist und dass der Umgehungsdurchgang mit mindestens entweder der Abgaseinlasskammer oder der Abgasauslasskammer oder beiden mittels entweder einem Umgehungseinlass beziehungsweise einem Umgehungsauslass in Verbindung steht,
wobei der Umgehungseinlass oder Umgehungsauslass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist;
wobei der Abgasstrom im Fall der Einlasskammer durch die Abgaseinlasskammer zur Kühlmittelkammer erfolgt,
wobei der Abgasstrom im Fall der Auslasskammer durch die Abgasauslasskammer von der Kühlmittelkammer erfolgt.
Die Kühlmittelkammer ist vorzugsweise eine rohrförmige Kammer, die axial parallel zum Umgehungsdurchgang angeordnet ist.
Der Umgehungsdurchgang kann einen Rohrbogen beinhalten, der an den Umgehungseinlass angrenzt, so dass, wenn er befestigt ist, der Umgehungseinlass im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Umgehungsdurchgangs ist. Alternativ kann die Abgaseinlasskammer zwischen der Kühlmittelkammer und dem Umgehungseinlass einen Rohrbogenteil beinhalten.
Die Abgasauslasskammer kann zwischen der Kühlmittelkammer und dem Umgehungsauslass einen Rohrbogenteil beinhalten. Alternativ kann der Umgehungsdurchgang selbst einen Rohrbogen beinhalten, welcher an den Umgehungsauslass angrenzt, so dass, wenn er befestigt ist, der Umgehungsauslass im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Umgehungsdurchgangs ist.
Vorzugsweise beinhaltet ein Ventilzusammenbau das Ventil und einen Motor, welcher ausgeführt ist, um das Ventil zwischen einer offenen Position, in der das Ventil den Umgehungsauslass abdeckt und die Abgasauslasskammer offen lässt, und einer geschlossenen Position, in der das Ventil die Abgasauslasskammer schließt, zu bewegen. Der Motor kann ein Elektromotor sein.
Vorzugsweise umfasst der Umgehungsdurchgang ein Dämpfungsmittel, um die Vibrationsdämpfung des Umgehungsdurchgangs zu unterstützen.
Vorzugsweise sind die Abgasdurchgänge Abgasrohre. Vorzugsweise ist der Umgehungsdurchgang ein Umgehungsrohr.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht eines AGR-Kühlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Teil-Schnittansicht der Auslassabgaskammer des AGR-Kühlers aus 1 ist;
3 eine perspektivische Ansicht der Hinterseite des AGR-Kühlers aus 1 ist; und
4 eine perspektivische Ansicht eines anderen AGR-Kühlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Mit Bezug auf 1 bis 3 ist ein Abgaskühler 1 gezeigt, an dessen erstem Ende eine zu einem Abgaseinlass 20 offene Abgaseinlasskammer 10 ist. Der Einlass 20 ist durch eine Schenkelröhre 22 mit der Kammer 10 verknüpft. Die Kammer 10 spitzt sich im Querschnitt von ihrem ersten Ende, wo es an die Kühlmittelkammer 14 anschließt, zu ihrem zweiten Ende, wo es an die Schenkelröhre 22 anschließt, zu. Die Schenkelröhre 22 weist einen Flansch 24 auf, der zum Anschluss an eine Abgasröhre oder einen Abgaskrümmer (nicht gezeigt) am Einlass 20 bereitgestellt ist.
Am zweiten Ende des Abgaskühlers 1 ist eine zu einem Abgasauslass 30 offene Abgasauslasskammer 12. Die Abgasauslasskammer 12 beinhaltet einen ersten sich zuspitzenden Teil 32, der sich im Querschnitt von seinem ersten Ende, wo er an die Kühlmittelkammer 14 anschließt, zu seinem zweiten Ende, wo er einen zweiten Rohrbogenteil 34 formt, zuspitzt. Der zweite Rohrbogenteil 34 schließt an seinem anderen Ende an einen dritten geraden rohrförmigen Teil 36 der Abgasauslasskammer 12 an. Der Auslass 30 ist an dem freien Ende des geraden rohrförmigen Teils 36 bereitgestellt, welcher einen Flansch 38 aufweist, der zum Anschluss an eine Abgasröhre (nicht gezeigt) oder an ein AGR-Ventil 40, wie in 3 gezeigt, am Einlass 20 bereitgestellt ist. Ein AGR-Ventil ist auf dem Stand der Technik bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben.
Die Kühlmittelkammer 14 ist zwischen der Abgaseinlasskammer 10 und der Abgasauslasskammer 12 angeordnet und ist von bekannter Art und weist an beiden Enden interne Rohrplatten (nicht gezeigt) auf, wobei die Rohrplatten durch eine Anzahl an Abgasrohren (nicht gezeigt), welche mit der Abgaseinlass- und Abgasauslasskammer 10, 12 in Verbindung stehen, verknüpft sind. Die Kühlmittelkammer 14 weist einen Kühlmittelauslass 16 und einen Kühlmitteleinlass 18 auf, welche mit der Kühlmittelkammer 14 in Verbindung stehen. Abgas geht in Richtung des Pfeils A durch die Abgasrohre durch, während Kühlmittelfluid, wie Wasser, im Wesentlichen in dieselbe Richtung vom Einlass 18 zum Auslass 16 strömt. Das Kühlmittel zirkuliert um die Außenseite der Abgasrohre, wodurch das Abgas gekühlt wird, während das Kühlmittel erhitzt wird.
In alternativen Ausführungsformen können in der Kühlmittelkammer 14 zwischen der Abgaseinlasskammer 10 und der Abgasauslasskammer 12 Platten (nicht gezeigt), welche Durchgänge anstelle von Rohren bilden, bereitgestellt sein.
Ein Umgehungsrohr 50 ist außerhalb der Kühlmittelkammer angeordnet und steht mit der Abgaseinlasskammer 10 und dem dritten geraden rohrförmigen Teil 36 der Abgasauslasskammer 12 in Verbindung. Das Umgehungsrohr 50 ist vorzugsweise integral mit der Abgaseinlasskammer 10, der Abgasauslasskammer 12 und der Kühlmittelkammer 14 gebildet, so dass der gesamte Kühler 1 als eine einzige Einheit komplett mit dem Umgehungsrohr 50 geliefert wird. Das Umgehungsrohr 50 erstreckt sich axial parallel zu der Kühlmittelkammer 14 und zu den Abgasrohren, welche innerhalb der Kühlmittelkammer 14 angeordnet sind.
Das Umgehungsrohr 50 ist an dem Einlassende mittels eines Umgehungseinlasses 52, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms durch die Abgaseinlasskammer 10 zur Kühlmittelkammer 14 angeordnet ist, an die Abgaseinlasskammer 10 angeschlossen. In der Ausführungsform von 1 bis 3 weist das Umgehungsrohr 50 ein an den Umgehungseinlass 52 angrenzendes rechtwinkliges Rohrbogenstück 54 auf, und der Umgehungseinlass 52 ist an dem sich zuspitzenden Teil der Abgaseinlasskammer 10 angeschlossen. Es versteht sich jedoch, dass der Einlass ähnlich dem Auslass der dargestellten Ausführungsform von 1 sein kann und die Abgaseinlasskammer 10 zwischen der Kühlmittelkammer 14 und dem Umgehungseinlass 52 einen Rohrbogenteil (nicht gezeigt) beinhaltet, so dass das Umgehungsrohr 50 direkt an die Abgaseinlasskammer 10 angeschlossen sein kann, ohne eines Rohrbogenstücks 54 zu bedürfen.
Das Umgehungsrohr 50 ist an dem Auslassende mittels eines Umgehungsauslasses 56, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms durch die Abgasauslasskammer 12 angeordnet ist, an den dritten geraden rohrförmigen Teil 36 der Abgasauslasskammer 12 angeschlossen. In der Ausführungsform von 1 bis 3 schließt das Umgehungsrohr 50 direkt an das gerade rohrförmige Teilstück 36 der Abgasauslasskammer 12 an. Das Umgehungsrohr kann jedoch ein rechtwinkliges Rohrbogenstück 58, wie in der Ausführungsform von 4 gezeigt, beinhalten, so dass kein Bedarf an der Bereitstellung eines Rohrbogens 34 in der Abgasauslasskammer 12 besteht. In diesem Fall beinhaltet die Abgasauslasskammer 12 ein sich zuspitzendes rohrförmiges Teilstück 32 und ein gerades rohrförmiges Teilstück 36 und kein Rohrbogenteilstück 34.
Das Umgehungsrohr 50 weist ein Ausdehnungsmittel 60 auf, um eine differentielle Wärmeausdehnung des Umgehungsrohrs und der Kühlmittelkammer zuzulassen. Unter Betriebsbedingungen wird die Kühlmittelkammer 14 in etwa dieselbe Temperatur wie das Kühlmittel aufweisen, typischerweise in etwa 100°C, während das Umgehungsrohr 50 Temperaturen von mehreren Hundert °C erreichen kann. Das Ausdehnungsmittel 60 kann auch als eine Vibrationsdämpfungsvorrichtung agieren.
Ein Ventilzusammenbau ist an der Abgasauslasskammer 12 bereitgestellt, um Abgasstrom entweder durch die Abgasrohre oder durch das Umgehungsrohr 50 zu lenken. Der Ventilzusammenbau beinhaltet ein innerhalb der Abgasauslasskammer 12 befindliches Klappenventil 70. Das Klappenventil ist ortsfest auf einer Welle 72 montiert, welche von einem außerhalb der Abgasauslasskammer 12 gesicherten Motor 74 bewegt wird. Der Motor ist so gesteuert, um die Verschiebung des Klappenventils 70 zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position zu verursachen. In der offenen Position deckt das Ventil 70 den Umgehungsauslass 56 ab, wodurch die Abgasauslasskammer 12 offen gelassen und es ermöglicht wird, dass Abgas entlang dem durch Pfeil B angedeuteten Weg durch die Kühlungskammer 14 durchgeht. In der geschlossenen Position schließt das Ventil 70 die Abgasauslasskammer 12 und zwingt das Abgas, entlang dem durch Pfeil C angedeuteten Weg entlang dem Umgehungsrohr 50 durchzugehen. Der Motor 74 kann ein Elektromotor oder ein mechanisch oder hydraulisch betriebener Motor oder Schalter sein.
Das Ventil 70 wird somit mittels des Motors 74 in die offene Position betrieben, um den zurückgeführten Teil der Abgase unter geringer Maschinentemperatur und/oder geringen Betriebsbedingungen über das Umgehungsrohr 50 in die Saugleitung zu lenken, um der Maschine unter geringen Temperaturbedingungen und während des Anlaufens der Maschine heiße Abgase zu liefern, um Kondensation in der Verrohrung und dem Kühler zu reduzieren. Wenn sich die Maschine erhitzt, wird das Ventil 70 in die geschlossene Position hin verschoben, so dass der zurückgeführte Teil der Abgase gekühlt wird und die kühleren Abgase zu der Maschine gelenkt werden.
Die Kühlungskammer 14 und die Abgaseinlass- und Auslasskammer 10, 12 werden auf die übliche Art und Weise zusammengebaut und können durch Ofenhartlöten aneinander angeschlossen werden. Da das Ventil 70 beschädigungsanfällig ist, wenn es dem Ofenhartlöten ausgesetzt ist, wird das Umgehungsrohr 50 separat zusammengebaut und dann durch Schweißen oder Ähnlichem an zwei Anschlusspunkten 80, 82 an die Kühlungs-, Einlass- und Auslasskammern 10, 12, 14 angeschlossen.
Das Ventil 70 ist an dem Auslassende, welches das kühlere Ende des Geräts ist, bereitgestellt, um die Betriebsdauer des Ventils 70 zu verlängern. Es versteht sich jedoch, dass das Ventil 70 stattdessen an dem Einlassende bereitgestellt sein kann, falls das Ventil 70 so konstruiert ist, um den heißeren Abgasen standzuhalten. In diesem Fall bleibt das Ventil 70 an dem dritten geraden rohrförmigen Teil 36 und funktioniert wie oben beschrieben, außer dass der Einlass 20 ein Auslass und der Auslass 30 ein Einlass sein wird und somit die Richtung der Strömungspfeile A, B und C in 1 bis 4 umgekehrt wird.
Der Abgaskühler kann aus jedwedem geeigneten Material hergestellt sein, zum Beispiel Stahl, legiertem oder rostfreiem Stahl, und wird nach der herkömmlichen Art unter Verwendung von Ofenhartlöten oder Ähnlichem fabriziert. Das Ventil 70 kann nach dem Hartlöten hinzugefügt werden, um Hitzebeschädigung des Betätigungsmechanismus des Ventils zu verhindern.
Abwandlungen und Verbesserungen können an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Die Form der Kühlmittelkammer 14 kann zum Beispiel anders sein als die in den Zeichnungen gezeigte. Die Kammer 14 kann einen ovalen oder rechtwinkligen Querschnitt aufweisen. Die Abgaseinlasskammer 10 und die Abgasauslasskammer 12 können andere Formen aufweisen als die in den Zeichnungen gezeigten. Die zugespitzten Teilstücke können durch gestufte Änderungen im Querschnitt ersetzt werden. Die Rohrbogenteiltücke 22, 34 und das Umgehungsrohr 50 können verschiedene Querschnitte aufweisen, zum Beispiel kreisförmig, oval oder rechtwinklig.

Claims

Ein Abgaskühler (1), der Folgendes beinhaltet: eine Abgaseinlasskammer (10), die mit einem Abgaseinlass (20) in Verbindung steht, eine Abgasauslasskammer (12), die mit einem Abgasauslass (30) in Verbindung steht, eine Kühlmittelkammer (14), die zwischen der Abgaseinlasskammer (10) und der Abgasauslasskammer (12) angeordnet ist und einen Kühlmitteleinlass (18) und einen Kühlmittelauslass (16) aufweist, die mit der Kühlmittelkammer (14) in Verbindung stehen, eine Vielzahl von Abgasdurchgängen innerhalb der Kühlmittelkammer (14) und die mit der Abgaseinlasskammer (10) und der Abgasauslasskammer (12) in Verbindung stehen, einen Abgasumgehungsdurchgang (50) außerhalb der Kühlmittelkammer (14), der mit der Abgaseinlasskammer (10) und der Abgasauslasskammer (12) in Verbindung steht, wobei der Abgasumgehungsdurchgang (50) ein Ausdehnungsmittel (60) umfasst, um eine differentielle Wärmeausdehnung des Abgasumgehungsdurchgangs (50) und der Kühlmittelkammer (14) zu ermöglichen; und ein Ventil (70), das betriebsfähig zwischen den Abgasdurchgängen und dem Abgasauslass (30) ist, um den Abgasstrom von den Abgasdurchgängen und dem Abgasumgehungsdurchgang (50) zum Abgasauslass (30) anzupassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler ein Abgasrückführungskühler ist und dass der Umgehungsdurchgang mit mindestens entweder der Abgaseinlasskammer oder der Abgasauslasskammer oder beiden mittels entweder einem Umgehungseinlass beziehungsweise einem Umgehungsauslass in Verbindung steht, wobei der Umgehungseinlass oder Umgehungsauslass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist; wobei der Abgasstrom im Fall der Einlasskammer durch die Abgaseinlasskammer (10) zur Kühlmittelkammer (14) erfolgt, wobei der Abgasstrom im Fall der Auslasskammer durch die Abgasauslasskammer von der Kühlmittelkammer (14) erfolgt.
Abgaskühler (1) gemäß Anspruch 1, der ferner einen Motor beinhaltet, der angepasst ist, um das Ventil (70) zwischen einer offenen Position, die die Abgasauslasskammer (12) offen lässt und einen Auslass (56) des Umgehungsdurchgangs (50) abdeckt, und einer geschlossenen Position, in der das Ventil (70) die Abgasauslasskammer (12) schließt und den Auslass des Umgehungsdurchgangs (50) offen lässt, zu bewegen.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelkammer (14) axial parallel zum Umgehungsdurchgang (50) angeordnet ist.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungseinlass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist und der Umgehungsdurchgang (50) einen Rohrbogen (54) beinhaltet, der an den Umgehungseinlass (52) angrenzt, so dass der Umgehungseinlass (52) im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Umgehungsdurchgangs (50) ist.
Abgaskühler (1) gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei der Umgehungseinlass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist und die Abgaseinlasskammer (10) einen Rohrbogenteil (22) zwischen der Kühlmittelkammer (14) und dem Umgehungseinlass (52) beinhaltet.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungsauslass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist und die Abgasauslasskammer (12) zwischen der Kühlmittelkammer (14) und dem Umgehungsauslass (40) einen Rohrbogenteil (34) beinhaltet.
Abgaskühler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Umgehungauslass im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasstroms angeordnet ist und der Umgehungsdurchgang (50) einen Rohrbogen (58) beinhaltet, der an den Umgehungsauslass (56) angrenzt, so dass der Umgehungsauslass im Wesentlichen senkrecht zur Achse des Umgehungsdurchgangs (50) ist.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungsdurchgang (50) integral mit der Abgaseinlasskammer (10) und der Abgasauslasskammer (12) gebildet ist.
Abgaskühler (1) gemäß Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der Umgehungsdurchgang (50) ein Dämpfungsmittel (60) umfasst, um die Vibrationsdämpfung des Umgehungsdurchgangs (50) zu unterstützen.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlmittelkammer (14) eine rohrförmige Kammer ist.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasdurchgänge Abgasrohre sind.
Abgaskühler (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungsdurchgang (50) ein Umgehungsrohr ist.