EP2642109A2 - Wärmetauscheranordnung zur Umgehung eines Wärmetauschers - Google Patents

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EP2642109A2
EP2642109A2 EP13160625.3A EP13160625A EP2642109A2 EP 2642109 A2 EP2642109 A2 EP 2642109A2 EP 13160625 A EP13160625 A EP 13160625A EP 2642109 A2 EP2642109 A2 EP 2642109A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
exhaust gas
bypass line
pressure
bypass
Prior art date
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Withdrawn
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EP13160625.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2642109A3 (de
Inventor
Hagen MÜLLER
Ralf Schulze
Cees D. Maaskant
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Benteler Automobiltechnik GmbH
Original Assignee
Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Benteler Automobiltechnik GmbH filed Critical Benteler Automobiltechnik GmbH
Publication of EP2642109A2 publication Critical patent/EP2642109A2/de
Publication of EP2642109A3 publication Critical patent/EP2642109A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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 a heat exchanger assembly for bypassing a heat exchanger with a bypass line by an adjusting element, wherein the actuating element is arranged according to an exhaust gas inlet possibility in the heat exchanger exclusively in the bypass line or only the bypass line at least partially closes and the heat exchanger is always open through-flow, according to the features The preamble of claim 1.
  • Regulated heat exchangers are today part of the general state of the art. As exhaust gas recirculation coolers, they have been in production for several years. Increasingly, consideration is also given to heat recovery from the waste heat of exhaust gases in order to use this recovered thermal energy for other purposes such as for heating the engine and / or transmission oil in one Motor vehicle. Again, the exhaust heat is transferred by means of a regulated heat exchanger either directly or indirectly to another medium.
  • the controlled heat exchanger is completely or partially bypassed via a bypass line, wherein the exhaust gas inlet into the heat exchanger and / or the bypass line is usually controlled by an actuating element which selectively closes one or both flow options at least partially.
  • an actuating element which selectively closes one or both flow options at least partially.
  • the DE 197 33 964 A1 shows a valve assembly for controlling a recirculated exhaust gas flow, wherein exhaust gas can optionally flow freely into a heat exchanger and / or in a bypass line. Downstream of the heat exchanger, either the line with the heat exchanger or the bypass line can be completely blocked by means of a valve arrangement.
  • the valve arrangement is quite complex.
  • the DE 10 2006 037 640 A1 discloses a heat exchanger for a motor vehicle, wherein the heat exchanger and bypass are in a common housing.
  • the bypass is located to the side of the radiator.
  • the EP 1 030 050 B1 shows a heat exchanger with a separate bypass.
  • the heat exchanger is controlled in the exhaust gas inlet region via an adjusting element, which optionally closes either the radiator or the bypass.
  • An embodiment with a tight-fitting control element at the exhaust gas inlet to the heat exchanger allows a limitation of the heat input into the heat exchanger. Due to the high exhaust gas temperatures, however, the actuator expands, resulting in the risk of jamming of the actuator.
  • the DE 914 450 B shows in Figure 4 a longitudinally flow-through heat exchanger, in the middle of which there is a central bypass.
  • the radiator is always open and the bypass is controlled at its exhaust outlet end by a flap that centers on is mounted a rotatable shaft.
  • the flow direction of the exhaust gas through the cooling area and / or through the bypass is parallel.
  • the bypass and the radiator share a Abgaseintritts- and an exhaust gas outlet area.
  • a targeted steering of an exhaust gas flow from the bypass in the exit area does not take place.
  • the flow direction of the exhaust gas from the bypass at the time of reunification with a partial exhaust gas flow from the radiator is equal to the flow direction in the bypass itself. In this case, the requirements for the valve provided for controlling the bypass valve are relatively high.
  • the flap must seal the bypass without jamming.
  • the DE 297 14 478 U1 discloses a heat exchanger surrounded by a jacket-shaped bypass.
  • One embodiment shows a heat exchanger with a separate bypass.
  • the heat exchanger at the exhaust gas outlet from the heat exchanger can be optionally closed or opened by an actuator.
  • the bypass is always open.
  • the exhaust stream from the bypass reunites with an exhaust stream from the heat exchanger, the exhaust stream is deflected from the bypass.
  • the disclosed actuator at the exhaust outlet of the heat exchanger is relatively complex. The deflection is not described in detail.
  • the closest prior art is the EP 0 987 427 A1 considered, in particular the embodiment of the local FIG. 3 ,
  • a U-shaped heat exchanger is shown, which is provided with a valve device, in which a bypass is integrated.
  • the flow direction through the heat exchanger extends approximately at right angles to the flow direction through the bypass.
  • a centrally mounted flap that can either close or open the bypass.
  • the heat exchanger is always open. Due to the greater flow resistance that the heat exchanger opposes the exhaust gas flow in relation to the open bypass, virtually no exhaust gas enters the heat exchanger with the flap open, so that no exhaust gas cooling takes place.
  • the present invention relates to a heat exchanger assembly, in particular an exhaust gas heat exchanger assembly for a motor vehicle, with a bypass of a heat exchanger with a bypass line by an actuator, wherein the actuator is arranged after a branching possibility in the heat exchanger exclusively in the bypass line or only the bypass line at least partially closes and the Heat exchanger is always open flow through.
  • the heat exchanger arrangement is characterized in that downstream of the control element at a junction point at which the exhaust gas stream from the bypass line reunites with the exhaust gas flow from the heat exchanger, a diversion of an exhaust gas flow from the bypass line takes place.
  • the deflection of the exhaust gas flow from the bypass line preferably takes place by impinging the exhaust gas flow on an obstacle.
  • the heat exchanger assembly is arranged in particular in the high pressure region of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the arrangement is arranged downstream in the exhaust gas flow direction in front of a supercharging machine, for example a compressor or a turbocharger of a motor vehicle, and thus in the region in which the exhaust gas with increased pressure compared to the rest of the exhaust system is present.
  • this is used for example in the exhaust gas recirculation or targeted exhaust gas cooling.
  • downstream of the adjusting element downstream of a deflection of an exhaust gas stream from the bypass line, at the point where the exhaust gas stream from the bypass line again combined with an exhaust gas stream from a Abgasausbergsdorfkeit from the heat exchanger.
  • the diversion of the exhaust gas flow from the bypass line takes place by impinging the exhaust gas flow on an obstacle.
  • the heat exchanger is arranged as a linearly flow-through heat exchanger in an exhaust line.
  • a branching possibility for the exhaust gas is given and after the exhaust gas heat exchanger a junction point.
  • the bypass to the flow around the heat exchanger is then connected.
  • the heat exchanger for the exhaust gas can always be flowed through openly.
  • the heat exchanger itself is thus not closed by an actuator or a panel or flap. Consequently, the exhaust gas flows through the heat exchanger due to a pressure difference between the pressure prevailing before the heat exchanger and that after the heat exchanger.
  • the pressure applied before the heat exchanger is called p1 and the pressure applied to the heat exchanger p2.
  • an obstacle is provided in front of the junction, which dimensioned and / or geometrically designed such that the exhaust gas mass flow through the open heat exchanger is equal to zero.
  • this is realized in particular by the fact that at the junction the exhaust pipe after the heat exchanger with the Bypass line is combined and is transferred to a common further exhaust pipe.
  • the central longitudinal axis of the bypass is arranged in the union chain to the central longitudinal axis of the continuing exhaust pipe at an angle which is in particular formed between 10 ° and 165 °, wherein due to the angle, a deflection of the exhaust gas flow takes place and the exhaust gas flow is set by the heat exchanger itself equal to zero ,
  • the pressure difference between the pressure p1 and p2 is thus zero, without barriers, bulkhead or other adjusting elements being arranged in the bypass or in the exhaust line of the heat exchanger, no exhaust gas through the heat exchanger itself. Whirling or measuring tolerances are negligible.
  • an adjusting element is arranged, whereby by adjusting the adjusting element itself in the bypass line such a flow resistance can be generated that the pressure p1 increases immediately before the heat exchanger to the pressure p2 after heat exchanger and thus an exhaust gas flow through the heat exchanger is passed.
  • the obstacle can be realized at the junction by the angular arrangement of bypass line to the downstream exhaust pipe or even by a flow baffle.
  • the obstacle is an angle in an exhaust pipe at a junction of the exhaust stream from the bypass line and the exhaust stream from the heat exchanger.
  • the obstacle is a separate baffle.
  • the control element When the control element is completely open, an exhaust gas flow through the heat exchanger is completely suppressed by the diversion of the exhaust gas flow from the bypass line.
  • the actuator is smaller than an inner diameter of the bypass line and the bypass line is not completely sealed by the actuator. This is sufficient due to the precisely designed resistors and prevents jamming of the actuator.
  • the actuator has no fixed stop. This suppresses a rattle.
  • the actuator is a rotatably mounted flap.
  • FIG. 1 schematically shows a heat exchanger assembly (1) according to the invention of a controlled heat exchanger (2) with a bypass line (3).
  • a regulation takes place via an adjusting element (4), which is located in the bypass line (3).
  • Exhaust gas flowing into the arrangement (1) can freely select at a branching possibility (5) when the adjusting element (4) is completely open, whether it flows through the bypass line (3) or the heat exchanger (2). With the double arrows a possible exhaust gas flow is indicated. Only at a junction point (8), the exhaust gas streams from the bypass line (3) and the heat exchanger (2) reunite.
  • a deflection (9) of the exhaust gas flow from the bypass line (3) takes place in the junction (8).
  • This deflection (9) is preferably carried out by an angle between the bypass line (3) and a common continuing exhaust pipe (10).
  • the exhaust gas selects the path of least resistance as it enters the assembly (1) at the branching option (5).
  • the deflection (9) with fully open control element (4) is designed so that a pressure p 1 at an exhaust gas inlet (6) in the heat exchanger (2) equal to a pressure p 2 at an exhaust gas outlet (7) from the heat exchanger (2 ). In this case, no exhaust gas flows through the heat exchanger (2). Consequently, the arrangement (1) according to the invention is in an unregulated operation in a state in which 100% of the exhaust gas flow through the bypass line (3).
  • the angle for the deflection (9) can be calculated in a simulation by an approximation method.
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the union point (8).
  • the exhaust gas stream flows into the union point (8) at which the exhaust gas streams from the bypass line (3) and from the line (2b) coming from the heat exchanger (2) are reunited in the common exhaust gas line (10) further course are conducted in an environment not shown.
  • Decisive is the deflection (9) of the exhaust gas flow from the bypass line (3) in the common Exhaust pipe (10) at the junction (8).
  • This deflection (9) takes place in this example over an angle ⁇ 1 .
  • the angle ⁇ 1 was measured between an imaginary center line (11) of the common exhaust pipe (10) and an imaginary center line (11 a) of the bypass line (3) and then in an in FIG. 5 shown simulation model (13) varies between 0 ° and 165 °.
  • An angle ⁇ 2 between the heat exchanger (2) coming line (2 b) and the common exhaust pipe (10) plays no role. It is included as a fixed given variable in the simulation model (13).
  • FIG. 3 shows a simulation model (13) with a cut-free heat exchanger.
  • the line leading to the heat exchanger (2 a) ends at the exhaust gas inlet (6) in front of the heat exchanger and is closed there.
  • the line (2b) coming from the heat exchanger starts at the exhaust gas outlet (7) and is also closed there.
  • no exhaust gas can flow in this simulation model (13).
  • the pressure p 1 is simulated.
  • the pressure p 2 is simulated.
  • the angle ⁇ 1 of the deflection (9) is gradually changed, namely from 0 ° to 165 °.
  • the actuator (4) as in FIG. 1 shown be arranged in the bypass line (3) or only the bypass line (3) at least partially close. At the moment in which the actuating element (4) opposes increased resistance by partial or complete closure of the bypass line (3) to the exhaust gas flow in the bypass line (3), this exhaust gas flow is wholly or partly directed through the heat exchanger (2).
  • FIG. 5 shows three different pairwise pressure curve curves (16, 17, 18) of the pressure p 1 and p 2 plotted against the angle ⁇ 1 as a function of a mass flow.
  • the pressure curves (18) with the lowest pressures were calculated at a mass flow of 50 g / s.
  • the pressure curve curves (17) with a mean pressure level were calculated at a mass flow of 100 g / s.
  • the pressure curves (16) with the highest pressures were calculated at a mass flow of 150 g / s.
  • the lines of p 1 and p 2 intersect at the same angle ⁇ 1 , so the point of intersection (15) of all pressure curves is at the same angle ⁇ 1 .
  • this angle ⁇ 1 is approximately 120 °.
  • FIG. 6 shows the independence of the angle ⁇ 1 from the exhaust gas temperature.
  • the pressure curve curves (19, 20, 21) represent the pressure of p 1 and p 2 plotted against the angle ⁇ 1 as a function of the exhaust gas temperature.
  • the pressure curves (19) with the lowest pressures were calculated at 450 ° C exhaust gas temperature.
  • the pressure trace curves (20) with a mean pressure level were calculated at exhaust gas temperatures of about 650 ° C.
  • the pressure curve curves (21) were calculated assuming an exhaust gas temperature of 850 ° C. Regardless of the exhaust gas temperature, the lines of p 1 and p 2 intersect at the same angle ⁇ 1 in all three pressure curves (19, 20, 21), so the point of intersection (15) of all pressure curves lies at the same angle ⁇ 1 . In the simulation model (13) shown here, this angle ⁇ 1 is approximately 120 °.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the heat exchanger assembly (1) for measurement purposes to prove that the simulated results apply.
  • the assembly (1) was operated for measurement with compressed air.
  • the pressure p 1 is measured.
  • the pressure p 2 is measured. From these two pressures p 1 and p 2 , a difference is formed.
  • the pressure difference of p 1 and p 2 is a measure of a mass flow in the heat exchanger (2). If the pressure difference is 0, no mass flow flows through the heat exchanger.
  • FIG. 8 shows a diagram with a measured pressure difference curve (12) in relation to the position of the actuating element (4).
  • the pressure difference was just under FIG. 7 described pressures p 1 and p 2 formed. If the control element (4) is fully opened, the pressure difference is approximately 0, that is, the pressures p 1 and p 2 are approximately equal, and it flows as well as no mass flow through the heat exchanger (2). If the adjusting element (4) is completely closed, the value of the pressure difference increases significantly, so that a clear pressure gradient arises between the exhaust gas inlet (6) and the exhaust gas outlet (7) due to the resistance in the heat exchanger (2). Consequently, now there is a mass flow through the heat exchanger (2).

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Umgehung eines Wärmetauschers (2) mit einer Bypassleitung (3) durch ein Stellelement (4). Das Stellelement (4) ist nach einer Abzweigmöglichkeit (5) in den Wärmetauscher (2) ausschließlich in der Bypassleitung (3) angeordnet oder verschließt nur die Bypassleitung (3) zumindest teilweise und der Wärmetauscher (2) ist immer offen. Erfindungsgemäß erfolgt nach dem Stellelement (4) stromabwärts eine Umlenkung (9) des Abgasstroms, und zwar an der Vereinigungsstelle (8), an der sich der Abgasstrom aus der Bypassleitung (3) wieder mit dem Abgasstrom aus dem Wärmetauscher (2) vereinigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zur Umgehung eines Wärmetauschers mit einer Bypassleitung durch ein Stellelement, wobei das Stellelement nach einer Abgaseintrittsmöglichkeit in den Wärmetauscher ausschließlich in der Bypassleitung angeordnet ist oder nur die Bypassleitung zumindest teilweise verschließt und der Wärmetauscher immer offen durchströmbar ist, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Geregelte Wärmetauscher gehören heute zum allgemeinen Stand der Technik. Als Abgasrückführkühler sind sie bereits seit mehreren Jahren in Serie. Zunehmend wird auch über eine Wärmerückgewinnung aus der Verlustwärme von Abgasen nachgedacht, um diese rückgewonnene Wärmeenergie zu anderen Zwecken zu nutzen wie beispielsweise zum Aufheizen des Motor- und/ oder Getriebeöls in einem Kraftfahrzeug. Auch hier wird die Abgaswärme mittels eines geregelten Wärmetauschers entweder direkt oder indirekt auf ein anderes Medium übertragen.
  • Der geregelte Wärmetauscher wird über eine Bypassleitung ganz oder teilweise umgangen, wobei der Abgaseintritt in den Wärmetauscher und/oder die Bypassleitung in der Regel von einem Stellelement gesteuert wird, das wahlweise eine oder beide Strömungsmöglichkeiten zumindest teilweise verschließt. Hierbei sind aus dem Stand der Technik vielfältige Regelungsmöglichkeiten bekannt.
  • Die DE 197 33 964 A1 zeigt eine Ventilanordnung zur Steuerung eines rückgeführten Abgasstromes, wobei Abgas wahlweise frei in einen Wärmetauscher und/ oder in eine Bypassleitung einströmen kann. Stromabwärts des Wärmetauschers kann entweder die Leitung mit dem Wärmetauscher oder die Bypassleitung mittels einer Ventilanordnung vollständig gesperrt werden. Die Ventilanordnung ist jedoch recht komplex.
  • Die DE 10 2006 037 640 A1 offenbart einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, wobei Wärmetauscher und Bypass sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Der Bypass liegt seitlich vom Kühler. Im gemeinsamen Abgasaustrittsbereich befindet sich ein Stellelement in Form einer einseitig gelagerten Klappe, welches wahlweise den Bypass oder den Kühler im Abgasaustrittsbereich verschließt. Hierbei handelt es sich um eine Klappe mit einem festen Anschlag, was immer auch die Gefahr eines lebensdauerverkürzenden Klapperns beinhaltet.
  • Die EP 1 030 050 B1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem separaten Bypass. Der Wärmetauscher wird im Abgaseintrittsbereich über ein Stellelement geregelt, das wahlweise entweder den Kühler oder den Bypass verschließt. Eine Ausführung mit einem dicht schließenden Stellelement am Abgaseintritt zum Wärmetauscher ermöglicht eine Begrenzung des Wärmeeintrags in den Wärmetauscher. Aufgrund der hohen Abgastemperaturen dehnt sich jedoch auch das Stellelement aus, wodurch sich die Gefahr eines Verklemmens des Stellelements ergibt.
  • Die DE 914 450 B zeigt in Abbildung 4 einen längsdurchströmten Wärmetauscher, in dessen Mitte sich ein zentraler Bypass befindet. Der Kühler ist immer offen und der Bypass wird an seinem Abgasaustrittsende durch eine Klappe geregelt, die mittig auf einer drehbaren Welle gelagert ist. Die Strömungsrichtung des Abgases durch den Kühlbereich und/ oder durch den Bypass verläuft parallel. Der Bypass und der Kühler teilen sich einen Abgaseintritts- und einen Abgasaustrittsbereich. Eine gezielte Lenkung eines Abgasstroms aus dem Bypass im Austrittsbereich findet nicht statt. Die Strömungsrichtung des Abgases aus dem Bypass im Zeitpunkt der Wiedervereinigung mit einem Abgasteilstrom aus dem Kühler ist gleich der Strömungsrichtung im Bypass selbst. In diesem Fall sind die Anforderungen an die für eine Regelung des Bypasses vorgesehene Klappe relativ hoch. Die Klappe muss den Bypass abdichten ohne dabei zu klemmen.
  • Die DE 297 14 478 U1 offenbart einen Wärmetauscher, der von einem mantelförmigen Bypass umgeben ist. Eine Ausführungsform zeigt einen Wärmetauscher mit einem separaten Bypass. Hier kann der Wärmetauscher beim Abgasaustritt aus dem Wärmetauscher durch ein Stellelement wahlweise geschlossen oder geöffnet werden. Der Bypass ist immer offen. An der Stelle, an der der Abgasstrom aus dem Bypass sich mit einem Abgasstrom aus dem Wärmetauscher wieder vereinigt, wird der Abgasstrom aus dem Bypass umgelenkt. Das offenbarte Stellelement am Abgasaustritt des Wärmetauschers ist relativ komplex. Die Umlenkung ist nicht näher beschrieben.
  • Als nächstliegender Stand der Technik wird die EP 0 987 427 A1 angesehen, und zwar insbesondere die Ausführungsform der dortigen Figur 3. Hier wird ein U-förmiger Wärmetauscher gezeigt, der mit einer Ventileinrichtung versehen ist, in die ein Bypass integriert ist. Die Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher verläuft in etwa rechtwinklig zur Strömungsrichtung durch den Bypass. Zwischen Abgaseintrittsmöglichkeit in den Wärmetauscher und Abgasaustrittsmöglichkeit aus dem Wärmetauscher sitzt im Bypass eine mittig gelagerte Klappe, die den Bypass wahlweise verschließen oder öffnen kann. Der Wärmetauscher ist immer offen. Aufgrund des größeren Strömungswiderstandes, den der Wärmetauscher dem Abgasstrom im Verhältnis zum geöffneten Bypass entgegensetzt, gelangt bei geöffneter Klappe praktisch kein Abgas in den Wärmetauscher, so dass keine Abgaskühlung erfolgt. Unter praktisch kein Abgas ist nur ein verschwindend geringer Anteil vom Abgas zu verstehen, zum Beispiel höchstens etwa 5 %, die den Wärmetauscher bei geöffneter Klappe im Bypass noch durchströmen. Allerdings handelt es sich hierbei um einen U-Kühler, dessen Regelung nicht direkt auf einen beispielsweise längsdurchströmten Kühler anwendbar ist. Zudem ist die Regelung nicht allgemeingültig, da sie allein abhängig ist von dem jeweiligen Strömungswiderstand im Kühler, der je nach Kühlergröße variiert. Eine Umlenkung des Abgasstroms aus der Bypassleitung findet nicht statt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umgehung eines Wärmetauschers mit einer Bypassleitung durch ein Stellelement, wobei das Stellelement nach einer Abgaseintrittsmöglichkeit in den Wärmetauscher ausschließlich in der Bypassleitung angeordnet ist oder nur die Bypassleitung zumindest teilweise verschließt und der Wärmetauscher immer offen durchströmbar ist, weiterzubilden.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauscheranordnung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere eine Abgaswärmetauscheranordnung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Umgehung eines Wärmetauschers mit einer Bypassleitung durch ein Stellelement, wobei das Stellelement nach einer Abzweigemöglichkeit in den Wärmetauscher ausschließlich in der Bypassleitung angeordnet ist oder nur die Bypassleitung zumindest teilweise verschließt und der Wärmetauscher immer offen durchströmbar ist. Erfindungsgemäß ist die Wärmetauscheranordnung dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Stellelement stromabwärts an einer Vereinigungsstelle, an der sich der Abgasstrom aus der Bypassleitung wieder mit dem Abgasstrom aus dem Wärmetauscher vereinigt, eine Umlenkung eines Abgasstromes aus der Bypassleitung erfolgt.
  • Hierbei erfolgt die Umlenkung des Abgasstromes aus der Bypassleitung bevorzugt durch ein Auftreffen des Abgasstroms auf ein Hindernis.
  • Im Rahmen der Erfindung ist die Wärmetauscheranordnung insbesondere im Hochdruckbereich einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Mithin ist die Anordnung stromabwärts in Abgasströmungsrichtung vor einer Auflademaschine beispielsweise eines Kompressor oder aber eines Turbolader eines Kraftfahrzeugs angeordnet, mithin in dem Bereich, in dem das Abgas mit erhöhtem Druck gegenüber der restlichen Abgasführung vorliegt. Insbesondere kommt dies beispielsweise bei der Abgasrückführung oder aber gezielten Abgaskühlung zur Anwendung. Demnach erfolgt nach dem Stellelement stromabwärts eine Umlenkung eines Abgasstroms aus der Bypassleitung, an der Stelle, an der sich der Abgasstrom aus der Bypassleitung wieder mit einem Abgasstrom aus einer Abgasaustrittsmöglichkeit aus dem Wärmetauscher vereinigt. In der Regel erfolgt die Umlenkung des Abgasstroms aus der Bypassleitung durch ein Auftreffen des Abgasstroms auf ein Hindernis.
  • Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass in einem Abgasstrang der Wärmetauscher als linear durchströmbarer Wärmetauscher angeordnet ist. Vor Eintritt in den Wärmetauscher selber ist eine Abzweigemöglichkeit für das Abgas gegeben und nach dem Abgaswärmetauscher eine Vereinigungsstelle. An der Abzweigemöglichkeit und an der Vereinigungsstelle ist dann jeweils der Bypass zum Umströmen des Wärmetauschers angeschlossen. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass der Wärmetauscher für das Abgas immer offen durchströmbar ist. Der Wärmetauscher selbst wird somit nicht durch ein Stellelement oder eine Blende oder Klappe verschlossen. Folglich strömt das Abgas durch den Wärmetauscher aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem vor dem Wärmetauscher und dem nach dem Wärmetauscher vorherrschenden Drücken.
  • Nachfolgend wird der vor dem Wärmetauscher anliegende Druck p1 genannt und der nach dem Wärmetauscher anliegende Druck p2.
  • Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass vor der Vereinigungsstelle ein Hindernis vorgesehen ist, welches derart dimensioniert und/oder geometrisch ausgebildet ist, dass der Abgasmassenstrom durch den offenen Wärmetauscher gleich Null ist. Im Rahmen der Erfindung wird dies insbesondere dadurch realisiert, dass an der Vereinigungsstelle die Abgasleitung nach dem Wärmetauscher mit der Bypassleitung vereinigt wird und in eine gemeinsame weitere Abgasleitung überführt wird.
  • Die Mittellängsachse des Bypasses wird in der Vereinigungskette zu der Mittellängsachse der weiterführenden Abgasleitung in einem Winkel angeordnet, der insbesondere zwischen 10° und 165° ausgebildet ist, wobei aufgrund des Winkels eine Umlenkung des Abgasstroms erfolgt und der Abgasstrom durch den Wärmetauscher selber gleich Null gesetzt wird. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck p1 und p2 beträgt somit null, ohne dass Sperren, Schotte oder anderweitige Stellelemente in dem Bypass oder aber in dem Abgasstrang des Wärmetauschers angeordnet sind, kein Abgas durch den Wärmetauscher selber. Verwirbelungen oder Messtoleranzen sind dabei zu vernachlässigen.
  • Weiterhin ist nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Bypassleitung ein Stellelement angeordnet ist, wobei durch Verstellen des Stellelements selber in der Bypassleitung ein derartiger Strömungswiderstand erzeugbar ist, dass der Druck p1 unmittelbar vor dem Wärmetauscher gegenüber dem Druck p2 nach Wärmetauscher ansteigt und mithin ein Abgasstrom durch den Wärmetauscher geleitet wird.
  • Erfindungsgemäß kann das Hindernis an der Vereinigungsstelle durch die winkelige Anordnung von Bypassleitung zu nachfolgender Abgasleitung oder aber auch durch ein Strömungsleitblech realisiert sein.
  • Mithin ist es möglich, durch Variation der Position des Stellelements, insbesondere wenn das Stellelement eine schwenkbare Klappe ist, den Abgasstrom durch den Wärmetauscher zu regeln und/oder zu steuern. Bei einer Ausgangsposition bzw. Nullposition des Stellelements selber erfolgt jedoch aufgrund des Hindernisses in der Vereinigungsstelle ein Abgasstrom zu nahe 100 % durch die Bypassleitung. Das Stellelement bildet in dieser Ausgangsposition einen zu vernachlässigen Strömungswiderstand. Durch Veränderung der Position des Stellelements gegenüber der Ausgangsposition wird jedoch dann aufgrund der damit einhergehenden Druckdifferenz vor und nach dem Wärmetauscher ein Abgasstrom durch den Wärmetauscher selbst geleitet.
  • Bevorzugt ist das Hindernis ein Winkel in einer Abgasleitung an einer Vereinigungsstelle von dem Abgasstrom aus der Bypassleitung und dem Abgasstrom aus dem Wärmetauscher.
  • Alternativ ist das Hindernis ein separates Leitblech. Bei vollständig geöffnetem Stellelement wird durch die Umlenkung des Abgasstroms aus der Bypassleitung ein Abgasstrom durch den Wärmetauscher vollständig unterdrückt. Dabei ist das Stellelement kleiner als ein Innendurchmesser der Bypassleitung und die Bypassleitung wird durch das Stellelement nicht vollständig abgedichtet. Dies genügt aufgrund der genau ausgelegten Widerstände und verhindert ein Verklemmen des Stellelements.
  • Insbesondere weist das Stellelement keinen festen Anschlag auf. Dies unterdrückt ein Klappern. Besonders bevorzugt ist das Stellelement eine drehbeweglich gelagerte Klappe.
  • Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen:
    • Figur 1
    schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung (1) eines geregelten Wärmetauschers (2) mit einer Bypassleitung (3);
    Figur 2
    einen Detailausschnitt einer Vereinigungsstelle (8);
    Figur 3
    ein Simulationsmodell (13) mit einem freigeschnittenen Wärmetauscher;
    Figur 4
    ein Diagramm mit zwei Druckverlaufskurven (14) in Abhängigkeit von einem Winkel ϕ1;
    Figur 5
    ein Diagramm mit paarweisen Druckverlaufskurven (16, 17, 18) in Abhängigkeit von dem Winkel ϕ1 bei unterschiedlichen Massenströmen;
    Figur 6
    ein Diagramm mit paarweisen Druckverlaufskurven (19, 20, 21) in Abhängigkeit von einem Winkel ϕ1 bei unterschiedlichen Abgastemperaturen;
    Figur 7
    eine schematische Darstellung der Anordnung (1) für Messzwecke und
    Figur 8
    ein Diagramm mit einer Druckdifferenzkurve (12) in Relation zur Position eines Stellelements.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung (1) eines geregelten Wärmetauschers (2) mit einer Bypassleitung (3). Eine Regelung erfolgt über ein Stellelement (4), welches sich in der Bypassleitung (3) befindet. In die Anordnung (1) einströmendes Abgas kann bei vollständig geöffnetem Stellelement (4) an einer Abzweigmöglichkeit (5) frei wählen, ob es durch die Bypassleitung (3) oder den Wärmetauscher (2) fließt. Mit den Doppelpfeilen ist ein möglicher Abgasstrom angedeutet. Erst an einer Vereinigungsstelle (8) vereinigen sich die Abgasströme aus der Bypassleitung (3) und dem Wärmetauscher (2) wieder. Erfindungsgemäß findet in der Vereinigungsstelle (8) eine Umlenkung (9) des Abgasstroms aus der Bypassleitung (3) statt. Diese Umlenkung (9) erfolgt bevorzugt durch einen Winkel zwischen der Bypassleitung (3) und einer gemeinsamen weiterführenden Abgasleitung (10). Das Abgas wählt bei seinem Eintritt in die Anordnung (1) an der Abzweigmöglichkeit (5) den Weg des geringsten Widerstands. Erfindungsgemäß wird die Umlenkung (9) bei vollständig geöffnetem Stellelement (4) so ausgelegt, dass ein Druck p1 an einem Abgaseintritt (6) in den Wärmetauscher (2) gleich einem Druck p2 an einem Abgasaustritt (7) aus dem Wärmetauscher (2) ist. In diesem Fall fließt kein Abgas durch den Wärmetauscher (2). Folglich befindet sich die erfindungsgemäße Anordnung (1) bei einem ungeregelten Betrieb in einem Zustand, in dem 100 % des Abgases durch die Bypassleitung (3) fließen. Der Winkel für die Umlenkung (9) lässt sich in einer Simulation durch ein Näherungsverfahren berechnen.
  • Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung der Vereinigungsstelle (8). Aus der Bypassleitung (3) strömt der Abgasstrom in die Vereinigungsstelle (8), an der die Abgasströme aus der Bypassleitung (3) und aus der vom Wärmetauscher (2) kommenden Leitung (2b) wieder in der gemeinsamen Abgasleitung (10) vereinigt und im weiteren Verlauf in eine nicht näher dargestellte Umgebung geleitet werden. Entscheidend ist die Umlenkung (9) des Abgasstroms aus der Bypassleitung (3) in die gemeinsame Abgasleitung (10) an der Vereinigungsstelle (8). Diese Umlenkung (9) erfolgt in diesem Beispiel über einen Winkel ϕ1. Der Winkel ϕ1 wurde zwischen einer gedachten Mittellinie (11) der gemeinsamen Abgasleitung (10) und einer gedachten Mittellinie (11a) der Bypassleitung (3) gemessen und anschließend in einem in Figur 5 dargestellten Simulationsmodell (13) zwischen 0° und 165° variiert. Ein Winkel ϕ2 zwischen der vom Wärmetauscher (2) kommenden Leitung (2b) und der gemeinsamen Abgasleitung (10) spielt dabei keine Rolle. Er wird als feste gegebene Größe in das Simulationsmodell (13) mit einbezogen.
  • Figur 3 zeigt ein Simulationsmodell (13) mit einem freigeschnittenen Wärmetauscher. Die zum Wärmetauscher führende Leitung (2a) endet am Abgaseintritt (6) vor dem Wärmetauscher und ist dort geschlossen. Die vom Wärmetauscher kommende Leitung (2b) beginnt am Abgasaustritt (7) und ist dort ebenfalls geschlossen. Zwischen Abgaseintritt (6) und Abgasaustritt (7) kann in diesem Simulationsmodell (13) kein Abgas fließen. Am Abgaseintritt (6) unmittelbar vor dem Wärmetauscher wird der Druck p1 simuliert. Am Abgasaustritt (7) unmittelbar nach dem Wärmetauscher wird der Druck p2 simuliert. Gleichzeitig wird der Winkel ϕ1 der Umlenkung (9) nach und nach verändert, und zwar von 0° bis 165°.
  • In Figur 4 wurden die simulierten Drücke p1 und p2 in jeweils einer eigenen Druckverlaufskurve über den Winkel ϕ1 aufgetragen. Im Schnittpunkt (15) der beiden Druckverlaufskurven (14) sind beide Drücke p1 und p2 gleich. Folglich herrscht im Schnittpunkt (15) vor und nach dem Wärmetauscher (2) der gleiche Druck, was bedeutet, dass im Schnittpunkt (15) keinerlei Druckverluste im Wärmetauscher (2) auftreten und also im Simulationsmodell (13) auch kein Abgasstrom durch den Wärmetauscher (2) fließt. Somit kann das Stellelement (4) im Schnittpunkt (15) der beiden Druckverlaufskurven (14) entfallen. Es fließt trotzdem kein Abgasstrom durch den Wärmetauscher (2). Im vorliegenden Simulationsmodell (13) schneiden sich die Druckverlaufskurven (14) bei einem Winkel ϕ1 von etwa 120°. Wenn also die Auslegung des Winkels ϕ1 so ist, dass der gesamte Abgasstrom bei Nichtvorhandensein eines Stellelements (4) durch die Bypassleitung (3) fließt, ist das Stellelement (4) nur noch dazu da, einen gewünschten Abgasstrom durch den Wärmetauscher (2) zu erzwingen. Dafür muss das Stellelement (4) wie in Figur 1 gezeigt, in der Bypassleitung (3) angeordnet sein oder nur die Bypassleitung (3) zumindest teilweise verschließen. In dem Moment, in dem das Stellelement (4) durch teilweise oder vollständige Schließung der Bypassleitung (3) dem Abgasstrom in der Bypassleitung (3) einen erhöhten Widerstand entgegensetzt, wird dieser Abgasstrom ganz oder teilweise durch den Wärmetauscher (2) gelenkt.
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen in dem Simulationsmodell (13) überraschenderweise folgendes: Der ideale Winkel ϕ1 der Umlenkung (9), bei dem die Drücke p1 und p2 gleich sind, also der Schnittpunkt (15) der Druckverlaufskurven (16 bis 21) ist unabhängig von einem Massenstrom und einer Abgastemperatur des Abgasstroms. Figur 5 zeigt drei verschiedene paarweise Druckverlaufskurven (16, 17, 18) des Drucks p1 und p2 aufgetragen über den Winkel ϕ1 in Abhängigkeit eines Massenstroms. Die Druckverlaufskurven (18) mit den niedrigsten Drücken wurden bei einem Massenstrom von 50 g/s berechnet. Die Druckverlaufskurven (17) mit einem mittleren Druckniveau wurden bei einem Massenstrom von 100 g/s berechnet. Die Druckverlaufskurven (16) mit den höchsten Drücken wurden bei einem Massenstrom von 150 g/s berechnet. Bei allen drei Druckverlaufskurven (16, 17, 18) schneiden sich die Linien von p1 und p2 bei demselben Winkel ϕ1, also liegt der Schnittpunkt (15) aller Druckverlaufskurven beim gleichen Winkel ϕ1. In dem hier dargestellten Simulationsmodell (13) liegt dieser Winkel ϕ1 bei etwa 120°.
  • Figur 6 zeigt die Unabhängigkeit des Winkels ϕ1 von der Abgastemperatur. Die Druckverlaufskurven (19, 20, 21) stellen den Druck von p1 und p2 aufgetragen über den Winkel ϕ1 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur dar. Die Druckverlaufskurven (19) mit den niedrigsten Drücken wurden bei 450° C Abgastemperatur berechnet. Die Druckverlaufskurven (20) mit einem mittleren Druckniveau wurden bei Abgastemperaturen von etwa 650° C berechnet. Die Druckverlaufskurven (21) wurden bei einer angenommenen Abgastemperatur von 850° C berechnet. Unabhängig von der Abgastemperatur schneiden sich bei allen drei Druckverlaufskurven (19, 20, 21) die Linien von p1 und p2 bei demselben Winkel ϕ1, also liegt der Schnittpunkt (15) aller Druckverlaufskurven beim gleichen Winkel ϕ1. In dem hier dargestellten Simulationsmodell (13) liegt dieser Winkel ϕ1 bei etwa 120°.
  • Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung der Wärmetauscheranordnung (1) für Messzwecke zum Nachweis, dass die simulierten Ergebnisse zutreffen. Die Anordnung (1) wurde für Messzwecke mit Pressluft betrieben. Am Abgaseintritt (6) unmittelbar vor dem Wärmetauscher (2) wird der Druck p1 gemessen. Am Abgasaustritt (7) unmittelbar nach dem Wärmetauscher (2) wird der Druck p2 gemessen. Aus diesen beiden Drücken p1 und p2 wird eine Differenz gebildet. Die Druckdifferenz von p1 und p2 ist ein Maß für einen Massenstrom im Wärmetauscher (2). Ist die Druckdifferenz im Ergebnis 0, fließt kein Massenstrom durch den Wärmetauscher.
  • Figur 8 zeigt ein Diagramm mit einer gemessenen Druckdifferenzkurve (12) in Relation zur Position des Stellelements (4). Die Druckdifferenz wurde aus den gerade unter Figur 7 beschriebenen Drücken p1 und p2 gebildet. Ist das Stellelement (4) vollständig geöffnet, ist die Druckdifferenz annähernd 0, das heißt die Drücke p1 und p2 sind annähernd gleich, und es fließt so gut wie kein Massenstrom durch den Wärmetauscher (2). Ist das Stellelement (4) vollständig geschlossen, steigt der Wert der Druckdifferenz deutlich an, so dass zwischen dem Abgaseintritt (6) und dem Abgasaustritt (7) durch den Widerstand im Wärmetauscher (2) ein deutliches Druckgefälle entsteht. Folglich findet jetzt ein Massenstrom durch den Wärmetauscher (2) statt.
    • Bezugszeichen:
    • 1 - Wärmetauscheranordnung
    • 2 - Wärmetauscher
    • 2a - zum Wärmetauscher (2) führende Leitung
    • 2b - vom Wärmetauscher (2) kommende Leitung
    • 3 - Bypassleitung
    • 4 - Stellelement
    • 5 - Abzweigmöglichkeit
    • 6 - Abgaseintritt
    • 7 - Abgasaustritt
    • 8 - Vereinigungsstelle
    • 9 - Umlenkung
    • 10 - gemeinsame Abgasleitung
    • 11 - Mittellinie von (10)
    • 11a - Mittellinie von (3)
    • 12 - Druckdifferenzkurve
    • 13 - Simulationsmodell
    • 14 - Druckverlaufskurven
    • 15 - Schnittstelle
    • 16 - Druckverlaufskurven
    • 17 - Druckverlaufskurven
    • 18 - Druckverlaufskurven
    • 19 - Druckverlaufskurven
    • 20 - Druckverlaufskurven
    • 21 - Druckverlaufskurven

Claims (11)

  1. Wärmetauscheranordnung (1), insbesondere Abgaswärmetauscheranordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer Umgehung eines Wärmetauschers (2) mit einer Bypassleitung (3) durch ein Stellelement (4), wobei das Stellelement (4) nach einer Abzweigmöglichkeit (5) in den Wärmetauscher (2) ausschließlich in der Bypassleitung (3) angeordnet ist oder nur die Bypassleitung (3) zumindest teilweise verschließt und der Wärmetauscher (2) immer offen durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Stellelement (4) stromabwärts eine Umlenkung (9) eines Abgasstroms aus der Bypassleitung (3) erfolgt, an einer Vereinigungsstelle (8), an der sich der Abgasstrom aus der Bypassleitung (3) wieder mit einem Abgasstrom aus dem Wärmetauscher (2) vereinigt.
  2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (9) des Abgasstroms aus der Bypassleitung (3) durch ein Auftreffen des Abgasstroms auf ein Hindernis erfolgt.
  3. Wärmetauscheranordnung nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Hindernis ein Winkel (ϕ1) zwischen der Bypassleitung (3) und einer gemeinsamen Abgasleitung (10) an der Vereinigungsstelle (8) ist, wobei der Winkel (ϕ1) bevorzugt zwischen 10° und 165°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 155° und insbesondere zwischen 100° und 140° beträgt.
  4. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hindernis ein Leitblech ist, wobei das Leitblech bevorzugt in einem Winkel (ϕ1) zur Strömungsrichtung des Abgases angeordnet ist.
  5. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkung (9) des Abgasstroms aus der Bypassleitung (3) an der Vereinigungsstelle (8) bei vollständig geöffnetem Stellelement (4) so ausgelegt wird, dass ein Druck p1 an einem Abgaseintritt (6) unmittelbar vor dem Wärmetauscher (2) gleich einem Druck p2 an einem Abgasaustritt (7) unmittelbar nach dem Wärmetauscher (2) ist und/oder dass die Druckdifferenz des Druckes p1 zu dem Druck p2 im Wesentlichen gleich null ist.
  6. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) kleiner ist als ein Innendurchmesser der Bypassleitung (3) und die Bypassleitung (3) durch das Stellelement (4) nicht vollständig abgedichtet wird.
  7. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) keinen festen Anschlag aufweist.
  8. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) eine drehbeweglich gelagerte Klappe ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Wärmetauscheranordnung nach mindestens Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausgangsposition des Stellelements (4) der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig durch die Bypassleitung (3) geführt wird, wobei durch Variation der Position des Stellelements (4) der Abgasstrom zumindest teilweise durch den Wärmetauscher (2) geführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckdifferenz des Druckes p1 vor dem Wärmetauscher (2) zu dem Druck p2 nach dem Wärmetauscher (2) bei vollständig geöffneter Bypassleitung (3) im Wesentlichen 0 beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz des Druckes p1 zum Druck p2 durch Veränderung der Position des Stellelements (4) derart einstellbar ist, dass zumindest ein Teilstrom des Abgases durch den Wärmetauscher (2) geführt wird.
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