DE60306717T2

DE60306717T2 - Wärmeaustauscher für ein EGR System mit integrierter Bypassleitung

Info

Publication number: DE60306717T2
Application number: DE60306717T
Authority: DE
Inventors: Xoan Xose Hermida Dominguez; Carlos Manuel Vigo Castano Gonzalez
Original assignee: Dayco Ensa SL
Current assignee: BorgWarner Emissions Systems Spain SL
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: ATE333046T1; EP1367253B2; EP1367253B1; ES2268306T3; DE60306717D1; DE60306717T3; ES2209618A1; ES2268306T5; ES2209618B1; EP1367253A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Abgasrückführsystem (exhaust gas recirculation system, EGR) einer Verbrennungskraftmaschine, und im besonderen einen Wärmetauscher mit einem integrierten Sekundärluftkanal.
Hintergrund der Erfindung
Im aktuellen Stand der Technik sind verschiedene Abgasrückführsysteme bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die EGR-Systeme genannt werden.
Diese Systeme führen Abgase von der Abgasleitung zur Ansaugleitung des Motors zurück, nachdem sie diese einem Kühlungsprozeß mit dem Ziel unterworfen haben, die NO_x-Emissionsmenge zu verringern.
Da es nicht ideal ist, die Abgase bei bestimmten Motorbetriebsbedingungen zu kühlen, war im Stand der Technik vorgeschlagen worden, Sekundärluftkanäle zu verwenden, die eine Rückführung der Austrittsgase ohne ein Durchlaufen des Wärmetauschers ermöglichen, wobei die Abgase unter der Steuerung eines Ventils gemäß vorgegebenen Bedingungen entweder in Richtung des Wärmetauschers oder in Richtung des Sekundärluftkanals geleitet werden.
Einer dieser Vorschläge ist der im US-Patent 4,147,141 offenbarte, der ein EGR-System mit einem zum Wärmetauscher parallelen Sekundärluftkanal und einem EGR-Ventil beschreibt, welches das Modul geschlossen hält, bis die Temperatur des Motors einen bestimmten vorgegebenen Wert erreicht, und welches, einmal geöffnet, die Abgase in Richtung des Sekundärluftkanals leitet, wenn seine Temperatur niedriger als ein bestimmter Grenzwert ist, und im entgegengesetzten Fall zum Wärmetauscher.
Ein anderer Vorschlag ist im US-Patent 5,203,311 offenbart, das ein erstes Steuerventil im Sekundärluftkanal und ein zweites Ventil im Wärmetauscher umfaßt.
Ein anderer Vorschlag ist im US-Patent 5,617,726 offenbart, in dem ein Sekundärluftkanal entsprechend den Belastungsumständen des Motors und seiner Komponenten in einer unterschiedlichen Weise verwendet wird.
Ein anderer Vorschlag ist in der Patentanmeldung WO 02/10574 offenbart, die einen Wärmetauscher für Abgase mit einer Kühlkammer, einem Sekundärluftkanal und Mitteln zum Leiten der Abgase entweder in Richtung der Kühlkammer oder in Richtung des Sekundärluftkanals umfaßt, und in der diese Komponenten geeignet zusammengefaßt sind, um eine Einheit zu bilden, die einfach in den Motor eingebaut werden kann.
Die DE-C-914 450 offenbart einen Wärmetauscher für die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine mit einem zylindrischen Gehäuse, das eine aus einer Vielzahl von Kühlrohren gebildete Kühlkammer und einen Sekundärluftkanal aufnimmt. Der Tauscher ist mit dem Abgaskreis durch einen Endflansch verbunden, der eine einzelne, sowohl mit den Kühlrohren als auch mit dem Sekundärluftkanal in Verbindung stehende Öffnung aufweist. Ein Drosselventil steuert den Sekundärfluß.
Die Automobilindustrie fordert Verbesserungen bei den bekannten EGR-Systemen, um auf verschiedene Bedürfnisse abzuzielen. Eines davon ist von den steigenden Anforderungen der Verwaltungsverordnungen über die zulässigen No_x-Emissionsgrenzen motiviert. Ein anderes zu befriedigendes Bedürfnis ist, beim Automobilmotoraufbau durch Vereinfachen des Designs seiner Komponenten zu helfen, um seine Integrationsfähigkeit zu verbessern.
Kurzfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Wärmetauschers, der in einer einzelnen Einheit sowohl die Kühlkammer zum Kühlen der Gase als auch einen Sekundärluftkanal, durch den die Gase zirkulieren müssen, wenn ihre Kühlung nicht notwendig ist, umfasst, der die einfache Steuerung des Gasflusses durch die Kühlkammer und den Sekundärluftkanal und dadurch eine Beschränkung der Motoremissionen ermöglicht und baulich einfach und kompakt ist, so daß die Integration in den Motor einfach ist.
Der Wärmetauscher ist aus einem zylindrischen Gehäuse und, im Gehäuse angeordnet, einer in einer wohlbekannten Weise aus einer Vielzahl von Rohren (die im folgenden als Kühlrohre bezeichnet werden sollen) gebildeten Kühlkammer und einem Sekundärluftkanal gebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf der Gasansaugseite des Gehäuses und als ein Verbindungsmittel zur EGR-System-Gasansaugeinrichtung ein Flansch mit einer ersten Öffnung, die mit den Kühlrohren der Kühlkammer in Verbindung steht, und einer zweiten Öffnung, die mit dem Sekundärluftkanal in Verbindung steht, angeordnet, wobei ein Trennbereich zwischen den Öffnungen existiert.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hängt die Form dieser Öffnungen sowohl mit der gewünschten Aufteilung der für die Kühlkammer und den Sekundärluftkanal vorgesehenen Bereiche als auch mit der Form des letzteren zusammen.
Nimmt man den inneren, kreisförmigen Abschnitt des zylindrischen Gehäuses als Referenz, würde die bevorzugte Form der Öffnungen die von zwei Kreissegmenten sein, die in dem kreisförmigen Abschnitt mittels eines Trennstreifens abgegrenzt sind, wobei das für die Kühlkammer bestimmte größer als ein Halbkreis ist. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch andere Formen und besonders ovale Formen.
Der Trennbereich fungiert in Verbindung mit einem Ventil als ein Schließmittel der Tauscher-Gasansaugseite, das in Abhängigkeit von den vom EGR-System festgestellten Erfordernissen für das Öffnen einer der beiden Öffnungen und das gleichzeitige Schließen der anderen geeignet ist.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung ist, daß das Gehäuse mittels externer Kappen geschlossen ist, die seine Kanten verhüllen, um zum Montieren der Kühlrohre und zum Ausführen der Schweißstellen beizutragen. Der Verbindungsflansch zur Gasansaugeinrichtung würde mit der entsprechenden Gehäusekappe verschweißt werden.
Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung ist, daß der Sekundärluftkanal ein doppelwandiger Kanal mit einer Zwischenluftkammer ist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, die einer veranschaulichenden und auf keinen Fall einschränkenden Ausführungsform ihres Objekts in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen folgt.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers für Abgase gemäß der vorliegenden Erfindung, und
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer geordneten Zerlegung davon.
3 zeigt eine ebene Ansicht eines Wärmetauschers für Abgase gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine B-B-Schnittsansicht von 3 eines Wärmetauschers für Abgase gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Vorderansicht des Flansches des in den vorigen Figuren gezeigten Wärmetauschers.
6 und 7 zeigen Vorderansichten von Ausführungsvarianten des Flansches des Wärmetauscherobjekts der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In einem EGR-System zieht ein Teil der Abgase vom Motor durch den Auspuff in den Außenraum, und ein anderer Teil wird zurückgeführt. Die zurückzuführende Menge wird vom EGR-Ventil gesteuert, das unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise in einer Höchstleistungssituation, sogar geschlossen werden kann und überhaupt nichts zurückführt. Die zurückgeführten Gase mischen sich mit der sauberen Luft und kehren durch die Ansaugleitung zum Motor zurück.
Bei den EGR-Systemen, die einen Sekundärluftkanal umfassen, können die zurückgeführten Gase in Abhängigkeit von der Stellung des entsprechenden Ventils gekühlt werden oder nicht.
Für diesen Typ von EGR-Systemen stellt die vorliegende Erfindung einen Wärmetauscher mit integriertem Sekundärluftkanal bereit.
1–5 zeigen einen Wärmetauscher 1 für Abgase gemäß der vorliegenden Erfindung, der aus einem zylindrischen Gehäuse 2 gebildet ist, welches im Inneren eine aus einem üblicherweise in der Technik bekannten Satz von Rohren 4 gebildete Kühlkammer 3 und einen Kanal 9 aufnimmt, der als Sekundärluftkanal fungiert, so daß diejenigen Abgase, die nicht gekühlt werden sollen, ihn durchlaufen können.
Eine Kühlflüssigkeit zirkuliert durch das Gehäuse 2, wobei sie durch eine Leitung 5 eintritt und durch eine Leitung 7 austritt.
Das Gehäuse 2 ist auf beiden Seiten mit Kappen 11 und 13 geschlossen, die als Befestigungsmittel für die Rohre 4 und den Sekundärluftkanal 9 dienen. Diese Kappen hüllen die Kanten des Gehäuses 2 ein, was beim Aufbauvorgang der Rohre und den Schweißprozessen hilft.
Der Wärmetauscher 1 für Abgase gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit der (nicht gezeigten) Gasansaugeinrichtung mittels des Flansches 15 verbunden, in dem eine erste Öffnung 21, die in Verbindung mit den Kühlrohren 4 steht, und eine zweite Öffnung, die in Verbindung mit dem Sekundärluftkanal 9 steht, bereitgestellt sind.
Ein geeignetes (nicht gezeigtes) Ventil, das von den entsprechenden Steuermitteln betätigt wird, führt die Abgase zur Kühlkammer 3 oder zum Sekundärluftkanal 9.
Eine Verbindung des Wärmetauschers mit der Gasansaugleitung des Motors wird unter Verwendung von konventionellen Mitteln ausgeführt, wie beispielsweise dem Flansch 16, der aus ökonomischen oder Verfahrensgründen derselbe wie Flansch 15 sein kann, oder anderen im Stand der Technik bekannten Mitteln, wie ein zurücktreibender Kegel plus ein Flansch oder ein zurücktreibender Kegel und ein Ring.
Besonders 4 und 5 folgend ist ersichtlich, daß die Dimensionen der Öffnungen 21 und 22 des Flansches 15 eng mit den der Kühlkammer 3 und dem Sekundärluftkanal 9 zugeordneten Bereichen zusammenhängen. Das Vorhandensein eines Trennbereichs 23 der Öffnungen 21 und 22 ist ebenfalls im Flansch 15 ersichtlich, in Zusammenhang mit dem verfügbaren Zwischenraum zwischen den Kühlrohren 4 und dem Sekundärluftkanal, er ist in Verbindung mit dem Ventil als Schließmittel nützlich. Die erste Öffnung 21 hat eine Kreissegment-Form mit einer Fläche, die etwas größer als ein Halbkreis des Gehäuses 2 ist, und die zweite Öffnung 22 weist ebenfalls eine Kreissegment-Form auf, aber mit abgerundeten Eckpunkten. Der Trennbereich 23 befindet sich zwischen den beiden Öffnungen, wobei sein mittiger Bereich von geraden Linien begrenzt ist. 12 Rohre 4 sind gegenüber der ersten Öffnung 21 angeordnet, und der oval geformte Sekundärluftkanal 9 ist gegenüber dem Gehäuse 22 angeordnet.
Die 6 und 7 zeigen Flansche 18 und 19, in denen die zwei Gehäuse 21 und 22 eine Kreissegment-Form haben. In der ersteren Figur weist der Sekundärluftkanal 9 eine Halbkreisform auf, und in der zweiteren eine ovale Form. Er könnte auch eine Kreisform haben, und in jedem Fall würde sich ein unterschiedlicher Verwendungsgrad des von der Öffnung 22 begrenzten Raums ergeben.
Wie der Fachmann gut verstehen wird, wird die Dimensionierung der Öffnungen 21 und 22, des Kühlbereichs, der ein oder eine andere Anzahl von Kühlrohren verwendet, und des Sekundärluftkanals 9 von den funktionellen Gegebenheiten jedes Falls abhängen. Daher wird beispielsweise die Kreisform für den Sekundärluftkanal 9 gewählt werden, wenn zum Minimieren des Wäremaustauschs eine bessere Beziehung zwischen dem Durchlaufbereich und der Tauscheroberfläche gewünscht wird, und eine Kreissegment-Form aus 6 wird gewählt werden, wenn das Ziel ist, zum Verringern der Belastungsverluste den größten Vorteil aus der von der Öffnung 22 begrenzten Fläche zu ziehen, und zuletzt wird die ovale Form aus 7 gewählt werden, wenn das Ziel eine zwischen den beiden vorhergehenden liegende Option ist.
Die Kühlkammer 3 wird permanent aktiv sein, da die Zirkulation der Kühlflüssigkeit durch das Gehäuse 2 einen Teil des allgemeinen Kühlkreislaufs des Motors bilden wird. Dementsprechend wird die Möglichkeit bedacht, doppelwandige Sekundärluftkanäle 9 mit einer Zwischenluftkammer zu verwenden, um sicherzustellen, daß die Kühlung der durch sie zirkulierenden Gase nicht einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Hinsichtlich der in der Erfindung beschriebenen Ausführungsformen können solche Abänderungen eingeführt werden, die im von den folgenden Ansprüchen definierten Bereich enthalten sind.

Claims

Wärmetauscher (1) für ein EGR-System, der eine aus einer Vielzahl von Kühlrohren (4) gebildete Kühlkammer (3), einen Sekundärluftkanal (9) für diejenigen Abgase, die nicht in die Kühlkammer (3) eintreten sollen, und Verbindungsmittel (15, 18, 19) zum Verbinden des Wärmetauschers (1) mit einer Gasansaugeinrichtung umfaßt, wobei die Kühlkammer (3) und der Sekundärluftkanal (9) in einem zylindrischen Gehäuse (2) angeordnet sind, das auf beiden Seiten von Kappen (11, 13) geschlossen ist, welche die Kühlrohre (4) und den Sekundärluftkanal (9) halten; wobei die Verbindungsmittel einen Flansch (15, 18, 19) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch eine erste, in Verbindung mit den Kühlrohren (4) der Kühlkammer (3) stehende Öffnung (21), eine zweite, in Verbindung mit dem Sekundärluftkanal (9) stehende Öffnung (22) und einen Trennbereich (23) zwischen ihnen definiert, wobei die Öffnungen (21, 22) des Flansches (18, 19) eine Kreissegment-Form haben.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung (22) des Flansches (15), die in Verbindung mit dem Sekundärluftkanal (9) steht, abgerundete Eckpunkte aufweist.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sekundärluftkanals (9) eine Kreissegment-Form aufweist.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sekundärluftkanals (9) eine runde Form aufweist.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sekundärluftkanals (9) eine ovale Form aufweist.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen (11, 13) die Kanten des Gehäuses einhüllen, um beim Aufbau der Kühlrohre (4) und beim Ausführen der Schweißstellen zu helfen.
Wärmetauscher (1) für ein EGR-System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärluftkanal (9) eine doppelseitige Leitung mit einer Zwischenluftkammer ist.