EP2284471A2 - Kühlvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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EP2284471A2
EP2284471A2 EP10171383A EP10171383A EP2284471A2 EP 2284471 A2 EP2284471 A2 EP 2284471A2 EP 10171383 A EP10171383 A EP 10171383A EP 10171383 A EP10171383 A EP 10171383A EP 2284471 A2 EP2284471 A2 EP 2284471A2
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer unit
cooling device
coolant
section
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EP10171383A
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EP2284471A3 (de
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Peter Heuer
Jurgen Papen
Lars Baumeister
Michael Dr. Breuer
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a cooling device, in particular exhaust gas cooling device, for an internal combustion engine with an outer shell, in which at least one heat transfer unit is arranged, which has a coolant inlet and a coolant outlet and which has an outer housing such that a formed between the outer shell and the heat transfer unit, from A jacket through which a coolant flows is separated from a channel which is formed in the heat transfer unit and through which the fluid to be cooled flows.
  • Such cooling devices are used, for example, in internal combustion engines as exhaust gas cooling devices for reducing pollutant emissions, in which the exhaust gas is cooled, mixed with the freshly drawn air and fed to the cylinders. This temperature reduction of the cylinder filling reduces pollutant emissions.
  • Such a cooling device is for example from the DE 10 2005 045 103 B3 known.
  • This cooling device is supplied with coolant via a coolant inlet, in which case the coolant is distributed over the entire circumference of the heat transfer unit in order to leave the coolant device via the coolant outlet after heat exchange with the medium to be cooled, in this case exhaust gas.
  • At least one guide bar is arranged between the outer shell and the heat transfer unit, wherein the next closest to the coolant inlet guide has two sections, the second section extends angled to the first section, such that the first section is parallel to the natural flow and the second subsection has an orientation that is substantially away from the flow direction.
  • the second section is angled at an angle a of at least 20 °, preferably at least 30 ° to the first section.
  • the angle enclosed between the first section and the second section on the windward side can be ⁇ > 90 °, particularly preferably> 110 °. In this way, the flow losses can be minimized.
  • the guide ribs or the guide webs may be arranged on the outside of the heat transfer unit in order to ensure the simplest possible production.
  • a cooling device 1 which is used in particular as an exhaust gas cooling device of an internal combustion engine, is shown.
  • the cooling device 1 consists essentially of a cup-shaped outer shell 2, in which a known heat transfer unit 3 is used.
  • the heat transfer unit 3 has both a coolant inlet 4 and a coolant outlet 5.
  • 4, 5 are in the present illustration, only the positions at which the coolant enters the cooling device or emerges from this, so the coolant flows at position 4 in the cup-shaped outer shell 2 and flows around the heat transfer unit 3 shell-shaped, then at position 5 leave the outer shell 2 again.
  • the heat transfer unit 3 is shown only schematically in the present drawing. However, it should be clear that in this heat transfer unit 3, a channel through which exhaust gas flows is formed, and an exhaust gas inlet 6 and an exhaust gas outlet 7 are provided correspondingly.
  • a guide bar 8, 9 is arranged which allow positive guidance of the coolant in a jacket 9 formed between the outside of the heat transfer unit 3 and the outer shell 2.
  • the coolant inlet 4 nearest guide web 8 consists essentially of two sections 10, 11, wherein the first section 10 is parallel to the natural flow of the coolant and the second section 11 has a direction away from the flow direction of the coolant orientation.
  • the natural flow of the coolant is essentially dependent on the arrangement of coolant inlet 4 and coolant outlet 5 relative to one another, the flow angle of the coolant with respect to the coolant inlet 4 and the flow rate of the coolant.
  • a course of characterized flow is schematically represented by flow lines.
  • 5 Leitorgane 12 are provided in the vicinity of thedeffenauslasses, which lead to a uniform, executed toméstoffauslassstoffddling inflow of the coolant. Since these guide members 12 are in the present view on the underside of the heat transfer unit 3, they are also shown only in dashed lines.

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Abstract

Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung, für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Außenschale, in der zumindest eine Wärmeübertragungseinheit angeordnet ist, die einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist und die ein Außengehäuse aufweist, derart, dass ein zwischen der Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit ausgebildete, von einem Fühlmittel durchströmter Mantel von einem Kanal getrennt ist, der in der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt, wobei zwischen der Außenschale (2) und der Wärmeübertragungseinheit (3) mindestens ein Leitsteg (8) angeordnet ist, wobei der dem Kühlmitteleinlass nächstgelegene Leitsteg (8) zwei Teilabschnitte (10, 11) aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt (11) abgewinkelt zum ersten Teilabschnitt (10) verläuft, derart, dass der erste Teilabschnitt (10) parallel zur natürliche Strömung verläuft und der zweite Teilabschnitt (11) eine im Wesentlichen von der Strömungsrichtung abgewandte Orientierung aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung, für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Außenschale, in der zumindest eine Wärmeübertragungseinheit angeordnet ist, die einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist und die ein Außengehäuse aufweist, derart, dass ein zwischen der Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit ausgebildeter, von einem Kühlmittel durchströmter Mantel von einem Kanal getrennt ist, der in der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt.
  • Derartige Kühlvorrichtungen werden beispielsweise in Verbrennungskraftmaschinen als Abgaskühlvorrichtungen zur Verminderung von Schadstoffemissionen eingesetzt, in denen das Abgas gekühlt, mit der frisch angesaugten Luft vermischt und den Zylindern zugeführt wird. Durch diese Temperaturminderung der Zylinderfüllung werden Schadstoffemissionen reduziert.
  • Eine derartige Kühlvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2005 045 103 B3 bekannt. Dieser Kühlvorrichtung wird Kühlmittel über einen Kühlmitteleinlass zugeführt, wobei sich dann das Kühlmittel über den gesamten Umfang der Wärmeübertragungseinheit verteilt, um die Kühlmittelvorrichtung nach Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden Medium, hier Abgas, über den Kühlmittelauslass zu verlassen. Um eine möglichst vollumfängliche Umströmung der Wärmeübertragungseinheit mit Kühlmittel zu gewährleisten, ist in der Kühlvorrichtung gemäß der DE 10 2005 045 103 B3 am Außenumfang der Wärmeübertragungseinheit in Hauptströmungsrichtung gesehen eine umlaufende, Durchbrüche aufweisende Rippe vorgesehen, die auf diese Weise eine Vielzahl von Leitstegen bildet, die den Kühlmittelstrom gleichmäßig über den gesamten Umfang der Wärmeübertragungseinheit verteilen sollen. Eine andere Kühlmöglichkeit sieht die DE 10 2005 058 204 B4 vor, bei der eine Vielzahl von Leitstegen eine mäanderförmige Umströmung der Wärmeübertragungseinheit erzeugt. Bei den beschriebenen Vorgehensweisen ergeben sich jedoch die nachfolgenden Nachteile, Bei der ersten Variante ( DE 10 2005 045 103 B3 ) sind Totgebiete vorhanden, die sogenannte "hot spots" verursachen, wodurch die Kühlvorrichtung in bestimmten Bereichen überbeansprucht wird. Die zweite Variante ( DE 10 2005 058 204 B4 ) erzielt zwar eine vollumfängliche Umströmung der Wärmeübertragungseinheit ist jedoch mit einem hohen Druckverlust behaftet, wodurch das Kühlmittel nicht mehr für eine Versorgung anderer motorseitige Verbraucher, wie zum Beispiel die Fahrgastheizung, genutzt werden kann.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung bereit zustellen, die eine vollumfängliche Umströmung der Wärmeübertragungseinheit bei einem geringen Druckverlust sicherstellt.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, zwischen der Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit mindestens ein Leitsteg angeordnet ist, wobei der dem Kühlmitteleinlass nächstgelegene Leitsteg zwei Teilabschnitte aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt abgewinkelt zum ersten Teilabschnitt verläuft, derart, dass der erste Teilabschnitt parallel zur natürlichen Strömung verläuft und der zweite Teilabschnitt eine im Wesentlichen von der Strömungsrichtung abgewandte Orientierung aufweist. Auf diese Weise wird mit geringem Aufwand eine einfache Anordnung für eine vollumfängliche Umströmung der Wärmeübertragungseinheit unter Vermeidung von Druckverluste geschaffen.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zweite Teilabschnitt unter einem Winkel a von mindestens 20°, bevorzugt mindestens 30° zum ersten Teilabschnitt angewinkelt. Hierbei kann der zwischen dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt auf der Luv-Seite eingeschlossene Winkel β > 90°, besonders bevorzugt > 110° sein. Auf diese Weise können die Strömungsverluste minimiert werden.
  • Auch können der oder die Leitstege an der Außenseite der Warmeübertragungseinheit angeordnet sein, um eine möglichst einfache Fertigung zu gewährleisten.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben, diese zeigt eine teilweise geschnittene Draufsicht der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
  • In der Zeichnung ist eine Kühlvorrichtung 1, die insbesondere als Abgaskühlvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird, dargestellt. Die Kühlvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer topfförmigen Außenschale 2, in der eine an sich bekannte Wärmeübertragungseinheit 3 eingesetzt wird. Die Wärmeübertragungseinheit 3 weist sowohl einen Kühlmitteleinlass 4 als auch einen Kühlmittelauslass 5 auf. Mit 4, 5 sind in der vorliegenden Darstellung lediglich die Positionen an denen das Kühlmittel in die Kühlvorrichtung tritt oder aus dieser heraustritt dargestellt, Das Kühlmittel strömt also bei Position 4 in die topfförmige Außenschale 2 ein und umströmt die Wärmeübertragungseinheit 3 mantelförmig, um dann bei Position 5 die Außenschale 2 wieder zu verlassen.
  • Der grundsätzliche Aufbau einer derartigen Kühlvorrichtung mit einer mantelförmigen Umströmung ist aus der DE 10 2005 045 103 B3 bekannt, auf die in diesem Zusammenhang ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Anschlußanordnung und damit der Weg der Fluidströme ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel hierzu unerschiedlich ausgewählt.
  • Die Wärmeübertragungseinheit 3 ist in der vorliegenden Zeichnung lediglich schematisch dargestellt. Es sollte jedoch deutlich sein, dass in dieser Wärmeübertragungseinheit 3 ein mit Abgas durchströmter Kanal ausgebildet ist und das entsprechend ein Abgaseinlass 6 und ein Abgasauslass 7 vorgesehen sind. Um die Wärmeübertragungseinheit 3 möglichst vollumfänglich mit dem Kühlmittel zu umströmen und damit einen möglichst hohen Wärmeaustausch mit dem im Innern der Wärmeübertragungseinheit 3 strömenden Abgas zu gewährleisten, ist im vorliegenden Fall jeweils auf der Oberseite und der Unterseite (gestrichelt) jeweils ein Leitsteg 8, 9 angeordnet, die eine Zwangsführung des Kühlmittels in einem zwischen Außenseite der Wärmeübertragungseinheit 3 und der Außenschale 2 ausgebildete Mantel 9 ermöglichen. Der dargestellte, dem Kühlmitteleinlass 4 nächstgelegene Leitsteg 8 besteht im Wesentlichen aus zwei Teilabschnitten 10, 11, wobei der erste Teilabschnitt 10 parallel zur natürlichen Strömung des Kühlmittels verläuft und der zweite Teilabschnitt 11 eine von der Strömungsrichtung des Kühlmittels abgewandte Orientierung aufweist. Die natürliche Strömung des Kühlmittels ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Anordnung von Kühlmitteleinlass 4 und Kühlmittelauslass 5 zueinander, dem Anströmwinkel des Kühlmittels in Bezug auf den Kühlmitteleinlass 4 und der Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels. Im vorliegendem Ausführungsbeispiel ist Der zweite Teilabschnitt 11 unter dem Winkel α = 30° zum ersten Teilabschnitt 10 abgewinkelt. Dementsprechend beträgt der zwischen dem ersten Teilabschnitt 10 und dem zweiten Teilabschnitt 11 auf der Luv-Seite eingeschlossene Winkel β = 150°. Ein Verlauf der dadurch beeinflussten Strömung ist durch Strömungslinien schematisch dargestellt.
  • Um in einem Kanal, der sich dem Kühlmittelauslass 5 anschließt, einen Drall und den damit verbundenen Druckfluss der Kühlmitteiströmung zu verhindern, sind in der Umgebung des Kühlmittelauslasses 5 Leitorgane 12 vorgesehen, die zu einer gleichmäßigen, zum Kühlmittelauslassmittelpunkt hingerichteten Einströmung des Kühlmittels führen. Da sich diese Leitorgane 12 in der vorliegenden Ansicht auf der Unterseite der Wärmeübertragungseinheit 3 befinden, sind sie auch lediglich in gestrichelten Linien dargestellt.

Claims (4)

  1. Kühlvorrichtung, insbesondere Abgaskühlvorrichtung, für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Außenschale, in der zumindest eine Warmeübertragungseinheit angeordnet ist, die einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist und die ein Außengehäuse aufweist, derart, dass ein zwischen der Außenschale und der Wärmeübertragungseinheit ausgebildeter, von einem Kühlmittel durchströmter Mantel von einem Kanal getrennt ist, der in der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet ist und durch den das zu kühlende Fluid strömt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen der Außenschale (2) und der Wärmeübertragungseinheit (3) mindestens ein Leitsteg (8) angeordnet ist, wobei der dem Kühlmitteleinlass nächstgelegene Leitsteg (8) zwei Teilabschnitts (10, 11) aufweist, wobei der zweite Teilabschnitt (11) abgewickelt zum ersten Teilabschnitt (10) verläuft, derart, dass der erste Teilabschnitt (10) parallel zur natürlichen Strömung verläuft und der zweite Teilabschnitt (11) eine im Wesentlichen von der Strömungsrichtung abgewandte Orientierung aufweist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilabschnitt (11) unter einem Winkel α von mindestens 20°, bevorzugt mindestens 30° zum ersten Teilabschnitt (10) angewinkelt ist.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem ersten Teilabschnitt (10) und dem zweiten Teilabschnitt (11) auf der Luv-Seite eingeschlossene Winkel β > 90°, besonders bevorzugt > 110° ist.
  4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Leitstege (8) an der Außenseite der Wärmeübertragungseinheit (3) angeordnet ist/sind.
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