EP2194351B1 - Abgaskühler mit integrierten Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abgaskühler mit integrierten Partikelfilter für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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EP2194351B1
EP2194351B1 EP08291142A EP08291142A EP2194351B1 EP 2194351 B1 EP2194351 B1 EP 2194351B1 EP 08291142 A EP08291142 A EP 08291142A EP 08291142 A EP08291142 A EP 08291142A EP 2194351 B1 EP2194351 B1 EP 2194351B1
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Matthias Schuele
Christian Carl
Jérôme GENOIST
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Mahle Behr France Rouffach SAS
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Behr GmbH and Co KG
Behr France Rouffach SAS
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas cooler for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1, such as in WO 2006/136372 described.
  • Exhaust gas recirculation systems are known in which the exhaust gas is cooled in an exhaust gas cooler and subsequently supplied to the combustion air of the engine either downstream of a turbocharger (high pressure EGR) or upstream of a turbocharger (low pressure EGR).
  • Exhaust gas recirculation systems are often used to reduce pollutants of diesel engines, which also provides a particulate filter of the exhaust gas is provided.
  • a particulate filter is regularly designed as a regenerative filter, whereby cleaning of the filter takes place by controlled combustion phases. In particular, in such phases but also due to design generally larger particles can be solved that endanger the turbocharger, for example, in the case of low-pressure EGR. It is therefore known to provide a downstream of the actual particulate filter and structurally separate filter member, which is not designed to be regenerative, but at least larger particles caught in a secure manner.
  • the cooling fluid is preferably a liquid coolant, for example a low-temperature cooling circuit and / or a cooling circuit of the internal combustion engine.
  • the filter member is disposed within the housing, wherein in particular the housing can be flowed through by the fluid. As a result, little space is needed. In particular, the filter member can be flowed around in a simple manner by the fluid and thus contribute to the cooling of the exhaust gas.
  • the exhaust gas cooler is flowed through by the exhaust gas at least once in each case in an execution and in a return direction, wherein the filter member is provided in at least one of the two, execution or return direction.
  • Such an exhaust gas cooler may be designed, for example, as a U-flow cooler or as a Z-flow cooler, wherein the size remains compact in a longitudinal direction due to the deflection.
  • a particular single flow duct of the execution is formed as a pipe member forming the filter member, wherein a plurality of flow channels of the return direction is formed as a bundle of exchanger tubes. In addition to the simple and compact design, this has the advantage that the filtering takes place through the filter member upstream of the exchanger tubes, so that they can not be blocked by larger particles.
  • the tube part and / or the bundle of exchanger tubes in end floor parts are added.
  • the same floor parts can each hold both the filter element and the exchanger tubes.
  • a deflection region for deflecting the flow direction of the exhaust gas is formed on an end face of the exhaust gas cooler.
  • the filter element can be designed simply and inexpensively as a tube part with a filter insert fixed therein.
  • the filter cartridge may be fixed by welding or brazing in the pipe member, for example.
  • a bypass line through which exhaust gas can flow is provided on the exhaust gas cooler, wherein the bypass line branches off, in particular, downstream of the filter element and upstream of a plurality of the flow channels.
  • the filter member is designed as non-regenerable in operation permanent filter.
  • the filter member can be designed for the entire life of the engine or as an exchangeable component or wearing part.
  • the exhaust gas cooler is designed to be arranged downstream of a particle filter.
  • the particulate filter assumes the task of a regenerable particulate matter filter and the filter member has primarily the task of a protective filter for larger particles that arise, for example, in a combustion phase of the particulate filter and can endanger a subsequent turbocharger.
  • an exhaust gas cooler according to the invention is generally designed to be arranged upstream of a turbocharger (low-pressure exhaust gas recirculation) for the same reason.
  • the exhaust gas cooler of the embodiment according to Fig. 1 to Fig. 3 comprises a housing 1, which is traversed by a cooling liquid in the manner of a water jacket (coolant connections not shown).
  • the cooling liquid may be connected to an engine cooling circuit or else to a separate low-temperature cooling circuit.
  • each is a diesel engine for a motor vehicle, in particular a passenger car.
  • the filter element 3 comprises a tube part 3a and a filter insert 3b defined therein by soldering or welding, which is approximately in the drawings 4 and FIG. 5 is shown schematically. Both the exchanger tubes 2 and the tube part 3 a of the filter element 3 are each fixed in the same perforated bottom part 4, for example by welding.
  • the exhaust gas cooler is designed as a U-flow cooler and has an inlet side, according to Fig. 1 a connection member 5 with a feed 5a and a Outlet 5b is screwed for the exhaust gas on the inlet-side bottom part 4.
  • a deflection region 6 is fixed on the bottom part there.
  • the exhaust gas thus flows through the exhaust gas cooler first in an execution through the filter member, is then deflected in the deflection region 6 by 180 ° and flows through the exhaust gas cooler in the return direction through the exchanger tubes.
  • the deflection region 6 is formed as a hollow chamber, into which also a bypass channel 7 opens.
  • a bypass channel 7 opens.
  • the exhaust gas cooler according to the present embodiments consists predominantly of corrosion-resistant steel. Depending on the exhaust gas temperature and design, at least some parts may also be made of aluminum or plastic (eg the water jacket 1).
  • the exhaust gas cooler is integrated in an overall system in which the exhaust gas recirculation is designed as a low-pressure feedback.
  • the exhaust gas cooler upstream of a regenerable Pumbleflter upstream and downstream of the air side of an exhaust gas turbocharger.
  • the admixture of the exhaust gas to the combustion air of the engine takes place here before the compression by the turbocharger.
  • the filter member 3 is formed as a non-regenerable permanent filter, which is designed for the entire life of the vehicle.
  • a mesh size of the filter is designed so that only particles of a size that could endanger the turbocharger are filtered out.
  • Fig. 5 corresponds to the example except for the arrangement of the exchanger tubes Fig. 4 ,
  • Fig. 5 are the two end-face floor parts 4 and the cavity of the deflection 6 particularly clearly visible, for better clarity, only one of the exchanger tubes 3 is shown.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgaskühler für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie z.B. in WO 2006/136372 beschrieben.
  • Es sind Systeme zur Abgas-Rückführung bekannt, bei denen das Abgas in einem Abgaskühler gekühlt und nachfolgend entweder stromabwärts eines Turboladers (Hochdruck-AGR) oder stromaufwärts eines Turboladers (Niederdruck-AGR) der Verbrennungsluft des Motors zugeführt wird. Abgas-Rückführsysteme werden vielfach zur Schadstoffreduzierung von Dieselmotoren eingesetzt, wobei zudem eine Partikelfilterung des Abgases vorgesehen ist. Ein solcher Partikelfilter ist regelmäßig als regenerativer Filter ausgelegt, wobei durch kontrolliert ausgelöste Abbrandphasen eine Reinigung des Filters erfolgt. Insbesondere in solchen Phasen aber auch allgemein konstruktionsbedingt können sich dabei größere Partikel lösen, die zum Beispiel im Fall der Niederdruck-AGR den Turbolader gefährden. Es ist daher bekannt, ein dem eigentlichen Partikelfilter nachgeordnetes und baulich getrenntes Filterglied vorzusehen, das nicht regenerativ ausgelegt ist, aber zumindest größere Partikel auf sichere Weise auffängt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Abgaskühler für einen Verbrennungsmotor anzugeben, durch den eine Integration von Komponenten ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Abgaskühler efindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Integration des Filterglieds in den Abgaskühler kann eine zusätzliche, in den Abgasstrang zu integrierende Baugruppe eingespart werden. Bei dem kühlenden Fluid handelt es sich bevorzugt um ein flüssiges Kühlmittel, zum Beispiel eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs und/oder eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors.
  • In bevorzugter Ausführungsform ist das Filterglied innerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei insbesondere das Gehäuse von dem Fluid durchströmbar ist. Hierdurch wird wenig Bauraum benötigt. Insbesondere kann das Filterglied auf einfache Weise von dem Fluid umströmt werden und so zur Kühlung des Abgases beitragen.
  • Bei der Erfindung wird der Abgaskühler von dem Abgas zumindest jeweils einmal in einer Hinrichtung und in einer Rückrichtung durchströmt, wobei das Filterglied in zumindest einem von beiden, Hinrichtung oder Rückrichtung, vorgesehen ist. Ein solcher Abgaskühler kann etwa als U-flow-Kühler oder auch als Z-flow-Kühler ausgebildet sein, wobei die Baugröße in einer Längsrichtung aufgrund der Umlenkung kompakt bleibt. In Anspruch 1 ist ein insbesondere einziger Strömungskanal der Hinrichtung als ein das Filterglied bildendes Rohrteil ausgebildet, wobei eine Mehrzahl von Strömungskanälen der Rückrichtung als Bündel von Tauscherrohren ausgebildet ist. Neben der einfachen und kompakten Bauweise hat dies den Vorteil, dass die Filterung durch das Filterglied stromaufwärts der Tauscherrohre erfolgt, so dass diese nicht durch größere Partikel blockiert werden können.
  • Weiterhin vorteilhaft sind dabei im Interesse einer einfachen Herstellung das Rohrteil und/oder das Bündel von Tauscherrohren in endseitigen Bodenteilen aufgenommen. Insbesondere können dabei die gleichen Bodenteile jeweils sowohl das Filterglied als auch die Tauscherrohre halten.
  • In weiterer Detailgestaltung ist dabei an einer Stirnseite des Abgaskühlers ein Umlenkbereich zur Umlenkung der Strömungsrichtung des Abgases ausgebildet.
  • Das Filterglied kann einfach und kostengünstig als Rohrteil mit darin festgelegtem Filtereinsatz ausgebildet sein. Der Filtereinsatz kann zum Beispiel durch Schweißen oder Löten in dem Rohrteil festgelegt sein.
  • Allgemein vorteilhaft ist für Betriebsarten wie zum Beispiel einer Kaltstartphase eine von Abgas durchströmbare Bypassleitung an dem Abgaskühler vorgesehen, wobei die Bypassleitung insbesondere stromabwärts des Filterglieds und stromaufwärts einer Mehrzahl der Strömungskanäle abzweigt. Hierdurch erfolgt jederzeit eine Filterung des Gasstroms, auch wenn das Abgas über die nicht oder nur wenig gekühlte Bypassleitung strömt.
  • Allgemein bevorzugt ist das Filterglied als nicht im Betrieb regenerierbarer Dauerfilter ausgebildet. Je nach Anforderungen kann das Filterglied dabei auf die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors ausgelegt sein oder auch als austauschbares Bauteil bzw. Verschleißteil.
  • In allgemein bevorzugter Ausführung ist der Abgaskühler zur Anordnung stromabwärts eines Partikelfilters ausgebildet. Dabei übernimmt der Partikelfilter die Aufgabe ein regenerierbaren Feinstaubfilters und das Filterglied hat vorrangig die Aufgabe eines Schutzfilters für größere Partikel, die zum Beispiel in einer Abbrandphase des Partikelfilters entstehen und einen nachfolgenden Turbolader gefährden können. Allgemein vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßer Abgaskühler daher aus gleichem Grund zur Anordnung stromaufwärts eines Turboladers (Niederdruck-Abgasrückführung) ausgebildet.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sowie den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Abgaskühlers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Ab- gaskühlers.
    Fig. 2
    zeigt eine räumliche Ansicht des Abgaskühlers aus Fig. 1 ohne Anschlussbereich.
    Fig. 3
    zeigt eine Ausschnittvergrößerung des Abgaskühlers aus Fig. 2
    Fig. 4
    zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers in räumlicher, aufgeschnittener Darstellung.
    Fig. 5
    zeigt eine Abwandlung des Abgaskühlers aus Fig. 4.
  • Der Abgaskühler der Ausführungsform nach Fig. 1 bis Fig. 3 umfasst ein Gehäuse 1, das nach Art eines Wassermantels von einer Kühlflüssigkeit durchströmbar ist (Kühlmittelanschlüsse nicht dargestellt). Die Kühlflüssigkeit kann etwa an einen Motorkühlkreislauf angeschlossen sein oder auch an einen separaten Niedertemperatur-Kühlkreislauf.
  • In dem Gehäuse 1 sind ein Bündel aus Tauscherrohren 2 sowie ein rohrförmiges Filterglied 3 parallel zueinander angeordnet, die jeweils Strömungskanäle für Abgas eines Verbrennungsmotors ausbilden. In den vorliegenden Beispielen handelt es sich jeweils um einen Dieselmotor für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
  • Das Filterglied 3 umfasst ein Rohrteil 3a sowie einen darin durch Verlötung oder Verschweißung festgelegten Filtereinsatz 3b, welcher etwa in den Zeichnungen Fig. 4 und Fig. 5 schematisch dargestellt ist. Sowohl die Tauscherrohre 2 als auch das Rohrteil 3a des Filterglieds 3 sind endseitig jeweils in demselben durchbrochenen Bodenteil 4 festgelegt, etwa durch Verschweißung.
  • Der Abgaskühler ist als U-Flow-Kühler ausgelegt und hat eine Eintrittsseite, auf der gemäß Fig. 1 ein Anschlussglied 5 mit einer Zuführung 5a und einer Abführung 5b für das Abgas auf dem eintrittsseitigen Bodenteil 4 aufgeschraubt ist.
  • An dem gegenüberliegenden Ende der Strömungskanäle ist ein Umlenkbereich 6 auf dem dortigen Bodenteil festgelegt. Das Abgas durchströmt den Abgaskühler somit zunächst in einer Hinrichtung durch das Filterglied, wird dann in dem Umlenkbereich 6 um 180° umgelenkt und durchströmt den Abgaskühler in der Rückrichtung durch die Tauscherrohre 2.
  • Der Umlenkbereich 6 ist als hohle Kammer ausgebildet, in die zudem ein Bypasskanal 7 mündet. Hierdurch kann zum Beispiel in einer Kaltstartphase der Abgasstrom zunächst das Filterglied 3 durchströmen und dann ohne weitere Kühlung durch den Bypasskanal 7 abgeführt werden. Der überwiegende Teil der Abgaskühlung erfolgt durch das Bündel von Tauscherrohren 2, wobei eine geringe Wärmeabführung auch durch das kühlmittelumströmte Filterglied 3 gegeben ist.
  • Der Abgaskühler gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen besteht überwiegend aus korrosionsresistentem Stahl. Je nach Abgastemperatur und Auslegung können zumindest einige Teile auch aus Aluminium oder Kunststoff (z. B. der Wassermantel 1) bestehen.
  • Der Abgaskühler ist in ein Gesamtsystem eingebunden, bei dem die Abgasrückführung als Niederdruck-Rückführung ausgelegt ist. In Strömungsrichtung ist dem Abgaskühler ein regenerierbarer Partikelflter vorgeordnet und die Luftseite eines Abgas-Turboladers nachgeordnet. Die Beimischung des Abgases zu der Verbrennungsluft des Motors erfolgt hier also vor der Verdichtung durch den Turbolader.
  • Das Filterglied 3 ist als nicht regenerierbarer Dauerfilter ausgebildet, der für die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt ist. Eine Maschenweite des Filters ist entsprechend so gestaltet, dass nur Partikel einer Größe, die den Turbolader gefährden könnten, ausgefiltert werden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind zur weiteren Veranschaulichung die Richtungen des Abgasstroms durch Pfeile angedeutet. Neben einer anderen Anordnung der Tauscherrohre besteht der Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass kein Bypasskanal vorgesehen ist.
  • Die Abwandlung nach Fig. 5 entspricht bis auf die Anordnung der Tauscherrohre dem Beispiel aus Fig. 4. In Fig. 5 sind die beiden stimseitigen Bodenteile 4 und der Hohlraum des Umlenkbereichs 6 besonders gut erkennbar, wobei zur besseren Übersicht nur eines der Tauscherrohre 3 dargestellt ist.

Claims (9)

  1. Abgaskühler für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Mehrzahl von Abgas führenden Strömungskanälen (2, 3), wobei die Strömungskanäle (2, 3) innerhalb eines Gehäuses (1) angeordnet sind und mit einem Fluid zur Kühlung des Abgases in thermischem Austausch stehen, wobei
    zumindest ein Filterglied (3) zur Filterung von Partikeln aus dem Abgasstrom baulich in den Abgaskühler integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler von dem Abgas zumindest jeweils einmal in einer Hinrichtung und in einer Rückrichtung durchströmbar ist, wobei das Filterglied (3) in zumindest einer von beiden, Hinrichtung oder Rückrichtung, vorgesehen ist und ein insbesondere einziger Strömungskanal der Hinrichtung als ein das Filterglied (3) bildendes Rohrteil (3a) ausgebildet ist, wobei eine mehrzahl von Strömungskanälen der Rückrichtung als Bündel von Tauscherrohren (2) ausgebildet ist.
  2. Abgasktihler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterglied (3) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist, wobei insbesondere das Gehäuse (1) von dem Fluid durchströmbar ist.
  3. Abgaskühler nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil (3a) und/oder das Bündel von Tauscherrohren (2) in endseitigen Bodenteilen (4) aufgenommen sind.
  4. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnseite des Abgaskühlers ein Umlenkbereich (6) zur Umlenkung der Strömungsrichtung des Abgases ausgebildet ist.
  5. Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterglied (3) als Rohrteil (3a) mit darin festgelegtem Filtereinsatz (3b) ausgebildet ist.
  6. Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von Abgas durchströmbare Bypassleitung (7) vorgesehen ist, wobei die Bypassleitung (7) insbesondere stromabwärts des Filterglieds (3) und stromaufwärts einer Mehrzahl der Strömungskanäle (2) abzweigt.
  7. Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterglied (3) als nicht im Betrieb regenerierbarer Dauerfilter ausgebildet ist.
  8. Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler zur Anordnung stromabwärts eines Partikelfilters ausgebildet ist.
  9. Abgaskühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskühler zur Anordnung stromaufwärts eines Turboladers ausgebildet ist.
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