EP2025911A1 - Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP2025911A1
EP2025911A1 EP08158817A EP08158817A EP2025911A1 EP 2025911 A1 EP2025911 A1 EP 2025911A1 EP 08158817 A EP08158817 A EP 08158817A EP 08158817 A EP08158817 A EP 08158817A EP 2025911 A1 EP2025911 A1 EP 2025911A1
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heat exchanger
space
cooling device
valve
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    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/25—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses
    • F02M26/26—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses characterised by details of the bypass valve

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas cooling device for an internal combustion engine having a housing with an exhaust gas inlet, an exhaust gas outlet, a valve device and a U-shaped heat exchanger unit with a Hinlauf- and a return path.
  • Such an exhaust gas cooling device is for example from the DE 10 2004 019 554 A1 known.
  • the initially hot exhaust gas is passed into a so-called U-shaped heat exchanger, wherein the heat exchanger has ribs extending in the direction of flow, which are intended to ensure improved heat transfer between the exhaust gas and the coolant.
  • this heat exchanger takes place with increasing exhaust gas temperature reduction a sooting or carbonization of the heat exchanger, which hinder the flow. This sooting occurs in particular in the return path of the U-shaped heat exchanger, since the exhaust gas has already been strongly cooled here.
  • the housing on the open side of the U-shaped heat exchanger provides a first, second and third space, wherein the first space fluidly connects the exhaust gas inlet to the second space and the third space fluidly connects the second space with the exhaust gas outlet, wherein in the second space, the valve device is arranged such that the second space is subdivided into two subspaces, wherein the first fluidly connected to the Hinngerrange and the second fluidly connected to the return path.
  • an exhaust gas cooling device is provided, in which the flow direction of the U-shaped heat exchanger can be changed in the short term by simply pressing the valve device and thus the "cold" part of the heat exchanger, ie the return path, acted upon with hot exhaust gas and thus cleaned.
  • the valve device is designed as a centrally mounted flap valve, wherein a flap with metal-circular lateral surfaces of the first and second space is in operative connection.
  • the housing consists of two housing shells, wherein the first receives the heat exchanger unit and in the second, the valve device is mounted.
  • the present invention also relates to an exhaust gas recirculation system having an exhaust gas cooling device, wherein a bypass passage bypassing the heat exchange unit and an exhaust gas recirculation valve are provided.
  • the bypass channel can be provided independently of the exhaust gas cooling device or, as described later, be integrated in this.
  • the exhaust gas recirculation valve is upstream or downstream of the exhaust gas cooling device in known manner and regulates the amount of exhaust gas to be recirculated. It is particularly advantageous if the bypass channel is formed in the flap of the valve device.
  • a method for cleaning a U-shaped heat exchanger of an exhaust gas recirculation system in which the return path is connected in the cleaning mode with an exhaust inlet of the heat exchanger, whereby the flow direction of the exhaust gas is reversed by the heat exchanger, such that a return path of the heat exchanger with hot Exhaust gas is applied.
  • FIG. 1 shows the inventive exhaust gas cooling device 1. It can be seen that while a housing 2 is provided, which consists essentially of two housing shells 12, 13, wherein the first housing shell 12 receives a heat exchanger unit 6 and in the second housing shell 13, a valve device 5 is mounted , Furthermore, the second housing shell 13 has an exhaust gas inlet 3 and an exhaust gas outlet 4.
  • the heat exchanger unit 6 is U-shaped with a Hinlaufumble 7 and a return path 8. In the present case, the heat exchanger unit 6 consists of a lower part 25 and a lid, not shown.
  • circumferential ribs 14 are provided on lower part 25 and cover in a known manner, which ensures improved heat transfer between the exhaust gas, which is located on the outward and return path 7, 8 and located in the coolant jacket 16 coolant.
  • the return line 7, 8 are formed by a provided in a known manner middle wall 15 of the U-shaped heat exchanger unit 6. This center wall 15 also forms a bearing point 24 for the valve device 5.
  • a coolant inlet and a coolant outlet are in the illustrated Section not shown.
  • the second housing shell 13 is designed such that a first space 9, a second space 10 and a third space 11 are provided.
  • the first space 9 fluidly connects the exhaust gas inlet 3 with the second space 10.
  • the third space 11 fluidly connects the second space 10 with the exhaust gas outlet 5.
  • the second space 10 has, in addition to the compounds described above, a connection to the Hinlaufumble 7 and a connection to the return line 8 of the U-shaped heat exchanger unit 6.
  • the valve device 5 is arranged such that the second space 10 in two subspaces 17, 18 is divisible, wherein the first subspace 17 is fluidly connected to the Hinlaufux 7 and the second subspace 18 fluidly connected to the return line 8.
  • FIGS. 2 to 4 A particular embodiment and the operation of the exhaust gas cooling device or an exhaust gas recirculation system for internal combustion engines is the FIGS. 2 to 4 refer to.
  • FIG. 2 Now shows a front view in section of the exhaust gas recirculation system 19 according to the invention, in addition to the exhaust gas cooling device according to the invention upstream in the flow direction, not shown in detail exhaust gas recirculation valve, and the heat exchanger unit 6 bypassing bypass passage 20, wherein the bypass channel 20 is particularly advantageously integrated in the valve device 5 is arranged.
  • the valve device 5 is in this case designed as a centrally mounted flap valve, wherein a flap 23 with part-circular lateral surfaces 21 and 22 of the first room 9 and the third room 11 is operatively connected such that, depending on the position of the flap valve 5, the first chamber 9 via the subspace 17 is connected to the Hinvierumble 7 or is connected via the subspace 18 with the return path 8.
  • FIG. 2 is the position of the flap valve 5 such that the exhaust gas flows through the exhaust inlet 3 in the first chamber 9 and is cooled by this through the subspace 17 through the Hinlaufux and subsequently through the return path 8 before it enters the subspace 18 and then in the third space 11 flows to exit via the exhaust outlet 4, the exhaust gas recirculation system.
  • FIG. 3 again shows the front view of the exhaust gas recirculation system according to the invention, wherein the position of the flap valve 5 is now selected so that a flow through the bypass channel 20 and thus a bypass of the U-shaped heat exchanger 6 takes place.
  • the bypass channel 20 is formed in the flap 23 of the valve device 5 in a particular embodiment.
  • the bypass channel is then directly connected to the first space 9 and the third space 11, with the result that the exhaust gas by the shortest route from the exhaust gas inlet 3, without being cooled, flows to the exhaust gas outlet 4.
  • the bypass channel would be formed in a known manner outside the valve device and opened or closed by a corresponding bypass valve.
  • FIG. 4 now shows a front view of the exhaust gas recirculation system according to the invention, in which the flap valve of the valve device 5 has a position such that the exhaust gas inlet 3 is connected via the first space 9 directly to the return line 8. Consequently, the Hinvierier 8 is connected via the third space 11 with the exhaust gas outlet 4.
  • the hot exhaust gas enters via the exhaust gas inlet 3 in the first space 9 and is then passed through the subspace 18 in the return path, where due to the high temperature of the exhaust gas sooting and cooled exhaust gas residues at the ribs 14, 15 can be resolved. Also in this case, the hot exhaust gas is cooled by the heat exchanger unit 6 and is subsequently guided over the Hinlaufrange 7 to the exhaust outlet 4.

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Abstract

Abgaskühlvorrichtung (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Gehäuse (2) mit einem Abgaseinlass (3), einem Abgasauslass (4), einer Ventilvorrichtung (5) und einer U-förmigen Wärmetauschereinheit (6) mit einer Hinlauf- (7) und einer Rücklaufstrecke (8) aufweist, wobei das Gehäuse (2) an der offenen Seite des U-förmigen Wärmetauschers (6) einen ersten (9), zweiten (10) und dritten Raum (11) vorsieht, wobei der erste Raum (9) den Abgaseinlass (3) fluidisch mit dem zweiten Raum (10) verbindet und der dritte Raum (11) den zweiten Raum (10) fluidisch mit dem Abgasauslass (4) verbindet, wobei im zweiten Raum (10) die Ventilvorrichtung (5) derart angeordnet ist, dass der zweite Raum (10) in zwei Teilräume (17;18) unterteilbar ist, wobei der erste (17) fluidisch mit der Hinlaufstrecke (7) und der zweite (18) fluidisch mit der Rücklaufstrecke (8) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgaskühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Gehäuse mit einem Abgaseinlass, einem Abgasauslass, einer Ventilvorrichtung und einer U-förmigen Wärmetauschereinheit mit einer Hinlauf- und einer Rücklaufstrecke aufweist.
  • Eine derartige Abgaskühlvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2004 019 554 A1 bekannt. Bei der gezeigten Ausführungsform wird das zunächst heiße Abgas in einen sogenannten U-förmigen Wärmetauscher geleitet, wobei der Wärmetauscher in Strömungsrichtung verlaufende Rippen aufweist, die einen verbesserten Wärmeübergang zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel gewährleisten sollen. Während der Durchströmung dieses Wärmetauschers findet mit zunehmender Abgastemperaturreduzierung eine Versottung bzw. Verrußung des Wärmetauschers statt, die die Durchströmung behindern. Diese Versottung tritt insbesondere in der Rücklaufstrecke des U-förmigen Wärmetauschers auf, da hier bereits das Abgas stark abgekühlt wurde. Um bei einer geringeren Versottung einen besseren Wärmeübergang zu erreichen, ist es aus weiteren Schutzrechten, beispielsweise aus der DE 20 2006 009 464 U1 , bekannt, eine besondere Rippenanordnung und/ oder Rippenform zu wählen. All diese Bemühungen konnten einer Versottung über die Lebensdauer gesehen jedoch nicht grundlegend verhindern.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Abgaskühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die mit möglichst geringem Fertigungs- und Kostenaufwand die Versottung in der Wärmetauschereinheit noch weiter verringert.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Gehäuse an der offenen Seite des U-förmigen Wärmetauschers ein ersten, zweiten und dritten Raum vorsieht, wobei der erste Raum den Abgaseinlass fluidisch mit dem zweiten Raum verbindet und der dritte Raum den zweiten Raum fluidisch mit dem Abgasauslass verbindet, wobei im zweiten Raum die Ventilvorrichtung derart angeordnet ist, dass der zweite Raum in zwei Teilräume unterteilbar ist, wobei der erste fluidisch mit der Hinlaufstrecke und der zweite fluidisch mit der Rücklaufstrecke verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Abgaskühlvorrichtung geschaffen, bei der durch einfaches Betätigen der Ventilvorrichtung die Durchströmrichtung des U-förmigen Wärmetauschers kurzfristig geändert werden kann und somit der "kalte" Teil des Wärmetauschers, also die Rücklaufstrecke, mit heißem Abgas beaufschlagt und somit gereinigt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ventilvorrichtung als zentrisch gelagertes Klappenventil ausgebildet, wobei eine Klappe mit metallkreisförmigen Mantelflächen des ersten und zweiten Raumes in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise wird eine besonders einfach zu montierende Abgaskühlvorrichtung vorgesehen. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn das Gehäuse aus zwei Gehäuseschalen besteht, wobei die erste die Wärmetauschereinheit aufnimmt und in der zweiten die Ventilvorrichtung gelagert ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Abgasrückführsystem mit einer Abgaskühlvorrichtung, wobei ein die Wärmetauschereinheit umgehender Bypasskanal und ein Abgasrückführventil vorgesehen sind. Dabei kann der Bypasskanal unabhängig von der Abgaskühlvorrichtung vorgesehen werden oder, wie später noch beschrieben, in dieser integriert werden. Das Abgasrückführventil wird der Abgaskühlvorrichtung auf bekannte Weise vor- oder nachgeschaltet und regelt die Menge des zurückzuführenden Abgases. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Bypasskanal in der Klappe der Ventilvorrichtung ausgebildet ist.
  • Des weiteren wird ein Verfahren zum Reinigen eines U-förmigen Wärmetauschers eines Abgasrückführsystems beansprucht, bei dem die Rücklaufstrecke im Reinigungsmodus mit einem Abgaseinlass des Wärmetauschers verbunden wird, wodurch die Strömungsrichtung des Abgases durch den Wärmetauscher umgekehrt wird, derart, dass eine Rücklaufstrecke des Wärmetauschers mit heißem Abgas beaufschlagt wird. Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Abgaskühlvorrichtung,
    Figur 2
    eine Vorderansicht der Ventilvorrichtung der erfindungsgemäßen Abgaskühlvorrichtung während des Kühlerbetriebes,
    Figur 3
    eine Vorderansicht der Ventilvorrichtung der erfindungsgemäßen Abgaskühlvorrichtung in der Bypassstellung, und
    Figur 4
    eine Vorderansicht der Ventilvorrichtung der erfindungsgemäßen Abgaskühlvorrichtung im Reinigungsmodus.
  • Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Abgaskühlvorrichtung 1. Es ist zu erkennen, dass dabei ein Gehäuse 2 vorgesehen ist, das im wesentlichen aus zwei Gehäuseschalen 12, 13 besteht, wobei die erste Gehäuseschale 12 eine Wärmetauschereinheit 6 aufnimmt und in der zweiten Gehäuseschale 13 eine Ventilvorrichtung 5 gelagert ist. Des weiteren weist die zweite Gehäuseschale 13 einen Abgaseinlass 3 und einen Abgasauslass 4 auf. Die Wärmetauschereinheit 6 ist U-förmig mit einer Hinlaufstrecke 7 und einer Rücklaufstrecke 8 ausgebildet. Im vorliegenden Fall besteht die Wärmetauschereinheit 6 aus einem Unterteil 25 und einen nicht dargestellten Deckel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auf bekannte Weise umlaufende Rippen 14 an Unterteil 25 und Deckel vorgesehen, die einen verbesserten Wärmeübergang zwischen dem Abgas, das sich auf der Hin- und Rücklaufstrecke 7, 8 befindet und dem sich im Kühlmittelmantel 16 befindlichen Kühlmittel gewährleisten. Die Hin- und Rücklaufstrecke 7, 8 werden dabei gebildet durch eine auf bekannte Weise vorgesehene Mittelwand 15 der U-förmigen Wärmetauschereinheit 6. Diese Mittelwand 15 bildet hier auch noch eine Lagerstelle 24 für die Ventilvorrichtung 5. Ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass sind in dem dargestellten Schnitt nicht dargestellt.
  • Die zweite Gehäuseschale 13 ist derart ausgestaltet, dass ein erster Raum 9, ein zweiter Raum 10 und ein dritter Raum 11 vorgesehen sind. Dabei verbindet der erste Raum 9 den Abgaseinlass 3 fluidisch mit dem zweiten Raum 10. Der dritte Raum 11 verbindet den zweiten Raum 10 fluidisch mit dem Abgasauslass 5. Der zweite Raum 10 weist neben den vorgehend beschriebenen Verbindungen eine Verbindung zur Hinlaufstrecke 7 und eine Verbindung zur Rücklaufstrecke 8 der U-förmigen Wärmetauschereinheit 6 auf. Dabei ist im zweiten Raum 10 die Ventilvorrichtung 5 derart angeordnet, dass der zweite Raum 10 in zwei Teilräume 17, 18 unterteilbar ist, wobei der erste Teilraum 17 fluidisch mit der Hinlaufstrecke 7 und der zweite Teilraum 18 fluidisch mit der Rücklaufstrecke 8 verbunden ist.
  • Eine besondere Ausführungsform und die Wirkungsweise der Abgaskühlvorrichtung bzw. eines Abgasrückführsystems für Verbrennungskraftmaschinen ist den Figuren 2 bis 4 zu entnehmen. Figur 2 zeigt nun eine Vorderansicht im Schnitt des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems 19, das neben der erfindungsgemäßen Abgaskühlvorrichtung ein in Strömungsrichtung vorgelagertes, nicht näher dargestelltes Abgasrückführventil aufweist, sowie einen die Wärmetauschereinheit 6 umgehenden Bypasskanal 20, wobei der Bypasskanal 20 besonders vorteilhaft in der Ventilvorrichtung 5 integriert angeordnet ist. Die Ventilvorrichtung 5 ist hierbei als zentrisch gelagertes Klappenventil ausgebildet, wobei eine Klappe 23 mit teilkreisförmigen Mantelflächen 21 bzw. 22 des ersten Raumes 9 und des dritten Raumes 11 derart in Wirkverbindung steht, dass je nach Stellung des Klappenventils 5 der erste Raum 9 über den Teilraum 17 mit der Hinlaufstrecke 7 verbunden ist oder über den Teilraum 18 mit der Rücklaufstrecke 8 verbunden ist. Im dargestellten Beispiel der Figur 2 ist die Stellung des Klappenventils 5 derart, dass das Abgas über den Abgaseinlass 3 in den ersten Raum 9 strömt und von diesem durch den Teilraum 17 durch die Hinlaufstrecke und nachfolgend durch die Rücklaufstrecke 8 abgekühlt wird, bevor es in den Teilraum 18 eintritt und dann in den dritten Raum 11 strömt um über den Abgasauslass 4 das Abgasrückführsystem zu verlassen.
  • Figur 3 zeigt wiederum die Vorderansicht des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems, wobei die Stellung des Klappenventils 5 nun so gewählt ist, dass eine Durchströmung des Bypasskanals 20 und damit eine Umgehung des U-förmigen Wärmetauschers 6 stattfindet. Hierzu ist in einer besonderen Ausführungsform der Bypasskanal 20 in der Klappe 23 der Ventilvorrichtung 5 ausgebildet. Im Bypassbetrieb wird dann der Bypasskanal direkt mit dem ersten Raum 9 und dem dritten Raum 11 verbunden, was zur Folge hat, dass das Abgas auf kürzestem Wege vom Abgaseinlass 3, ohne abgekühlt zu werden, zum Abgasauslass 4 strömt. Es sollte deutlich sein, dass es natürlich auch möglich ist, den Bypasskanal nicht in die Ventilvorrichtung 5 zu integrieren. Dazu würde der Bypasskanal auf bekannte Weise außerhalb der Ventilvorrichtung ausgebildet und durch ein entsprechendes Bypassventil geöffnet oder geschlossen.
  • Figur 4 zeigt nun eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Abgasrückführsystems, bei dem das Klappenventil der Ventilvorrichtung 5 eine derartige Stellung aufweist, dass der Abgaseinlass 3 über den ersten Raum 9 direkt mit der Rücklaufstrecke 8 verbunden ist. Demzufolge ist die Hinlaufstrecke 8 über den dritten Raum 11 mit dem Abgasauslass 4 verbunden. Auf diese Weise kann nun ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Reinigen des U-förmigen Wärmetauschers 6 bereitgestellt werden. Das heiße Abgas tritt über den Abgaseinlass 3 in den ersten Raum 9 ein und wird dann über den Teilraum 18 in die Rücklaufstrecke geführt, wo aufgrund der hohen Temperatur des Abgases Versottungen und erkaltete Abgasrückstände an den Rippen 14, 15 aufgelöst werden können. Auch in diesem Falle wird das heiße Abgas durch die Wärmetauschereinheit 6 abgekühlt und wird nachfolgend über die Hinlaufstrecke 7 zum Abgasauslass 4 geführt.

Claims (7)

  1. Abgaskühlvorrichtung (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Gehäuse (2) mit einem Abgaseinlass (3), einem Abgasauslass (4), einer Ventilvorrichtung (5) und einer U-förmigen Wärmetauschereinheit (6) mit einer Hinlauf-(7) und einer Rücklaufstrecke (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an der offenen Seite des U-förmigen Wärmetauschers (6) einen ersten (9), zweiten (10) und dritten Raum (11) vorsieht, wobei der erste Raum (9) den Abgaseinlass (3) fluidisch mit dem zweiten Raum (10) verbindet und der dritte Raum (11) den zweiten Raum (10) fluidisch mit dem Abgasauslass (4) verbindet, wobei im zweiten Raum (10) die Ventilvorrichtung (5) derart angeordnet ist, dass der zweite Raum (10) in zwei Teilräume (17; 18) unterteilbar ist, wobei der erste (17) fluidisch mit der Hinlaufstrecke (7) und der zweite (18) fluidisch mit der Rücklaufstrecke (8) verbunden ist.
  2. Abgaskühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung (5) als zentrisch gelagertes Klappenventil ausgebildet ist, wobei eine Klappe (23) mit teilkreisförmigen Mantelflächen (21, 22) des ersten und dritten Raumes (9, 11) in Wirkverbindung steht.
  3. Abgaskühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus zwei Gehäuseschalen (12, 13) besteht, wobei die erste die Wärmetauschereinheit (6) aufnimmt und in der zweiten die Ventilvorrichtung (5) gelagert ist.
  4. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgaskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wärmetauschereinheit (6) umgehender Bypasskanal (20) und ein Abgasrückführventil vorgesehen sind.
  5. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (20) in der Klappe (23) der Ventilvorrichtung (5) angeordnet ist.
  6. Abgasrückführsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (20) in der Klappe (23) des Klappenventils (5) ausgebildet ist.
  7. Verfahren zum Reinigen eines U-förmigen Wärmetauschers eines Abgasrückführsystems, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücklaufstrecke (8) im Reinigungsmodus mit einem Abgaseinlass (3) des U-Wärmetauschers (6) verbunden wird, wodurch die Strömungsrichtung des Abgases durch den U-Wärmetauscher (6) umgekehrt wird, derart, dass eine Rücklaufstrecke (6) des U-Wärmetauschers (6) mit heißem Abgas beaufschlagt wird.
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