EP2831529B1 - Abgaskühler - Google Patents

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EP2831529B1
EP2831529B1 EP13713839.2A EP13713839A EP2831529B1 EP 2831529 B1 EP2831529 B1 EP 2831529B1 EP 13713839 A EP13713839 A EP 13713839A EP 2831529 B1 EP2831529 B1 EP 2831529B1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
region
inlet
outlet
coolant
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP13713839.2A
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English (en)
French (fr)
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EP2831529A1 (de
Inventor
Tobias Fetzer
DR. Boris KERLER
Lisa VON RABENAU
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.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
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Publication of EP2831529B1 publication Critical patent/EP2831529B1/de
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F28F2215/04—Assemblies of fins having different features, e.g. with different fin densities

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas cooler for an exhaust system or for an exhaust gas recirculation system of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an operating method for such an exhaust gas cooler.
  • Exhaust coolers may be used in an exhaust system to extract heat energy from the exhaust gas to otherwise utilize it, for example to heat a refrigerant of a refrigeration cycle or to vaporize a working fluid of a Rankine cycle or to heat an airflow for air conditioning a passenger compartment at one vehicle application.
  • an exhaust gas cooler is used to cool the recirculated exhaust gas. The cooling of the recirculated exhaust gas increases the mass flow and reduces the combustion temperatures in the combustion chambers of the internal combustion engine, which is advantageous in terms of pollutant emissions, in particular NOX emissions.
  • an exhaust gas cooler typically includes an exhaust path leading from an exhaust gas inlet to an exhaust gas outlet and a coolant path coupled therewith for heat transfer, which leads from a coolant inlet to a coolant outlet.
  • fouling In heat exchangers, so-called “fouling” (English for pollution, growth), which is the pollution of heat-transferring constituents by ingredients of the coolant used is understood. For example, algae can form in the coolant path, which can lead to a clogging of the coolant path. In the case of exhaust gas coolers, fouling on the exhaust gas side also means the addition of soot. Soot entrained in the exhaust gas can accumulate on the surfaces of the exhaust gas cooler in the exhaust gas path and thus also lead to a gradual clogging of the exhaust path.
  • a generic exhaust gas cooler is from the DE 10 2007 062 826 A1 ,
  • the coolant path has an inlet chamber, a plurality of deflection chambers and an outlet chamber, which are fluidly connected to each other in a row via groups of coolant tubes passed through the exhaust path.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for an exhaust gas cooler of the type mentioned in an improved embodiment, which is characterized in particular by the fact that the risk of clogging of the exhaust gas path is reduced by soot particles.
  • the invention is based on the general idea to equip the exhaust gas cooler exhaust side with at least three different cooling power ranges, which follow one another in the flow direction of the exhaust gas, that are arranged in series.
  • an inlet region comprises the exhaust gas inlet and is designed for an inlet cooling capacity. Downstream of the inlet area is an intermediate area which is designed for an intermediate cooling capacity. Downstream of the intermediate region, an outlet region is provided, which comprises the exhaust gas outlet and which is designed for an outlet cooling capacity.
  • the exhaust gas cooler is now designed so that the intermediate cooling capacity is smaller than the inlet cooling capacity and smaller than the outlet cooling capacity.
  • the exhaust gas cooler presented here in particular within a common housing, has at least three differently structured regions, which follow one another in the exhaust gas path and which allow different heat transfer capacities due to their different structure.
  • cooling capacity is meant a heat flow from the exhaust gas in the direction of the coolant per unit of time.
  • the exhaust gas cooler has a single housing in which the entire exhaust gas path is accommodated and which has the exhaust gas inlet and the exhaust gas outlet.
  • the three power ranges are within this common housing of the exhaust gas cooler, whereby a particularly compact design can be realized.
  • the exhaust gas cooler has two or three housings, on which the exhaust gas path is distributed and which are connected in series via one or two connecting pipes.
  • the exhaust inlet and the exhaust outlet are located on different housings.
  • the inlet region and the exhaust gas inlet are in an inlet-side first housing, while the outlet region and the exhaust outlet are located in an outlet side second housing.
  • the intermediate region can now be accommodated either in the inlet-side housing or in the outlet-side housing or else in a middle third housing.
  • An embodiment is advantageous in which only a single and thus common coolant path is provided, which is preferably guided one after the other, that is, in series through the at least three cooling power ranges. Also preferred is a flow guide for the single exhaust path and the single coolant path in the countercurrent principle.
  • a flow guide for the single exhaust path and the single coolant path in the countercurrent principle In order to be able to realize different cooling outputs in the case of a single exhaust gas path and a single coolant path, it is possible, for example, to vary the residence times of the exhaust gas and of the coolant in the individual cooling power ranges.
  • the surfaces available for heat transfer e.g. by the use of heat transfer structures and their design can be varied.
  • the flow conditions such as the presence of turbulent or laminar flows and / or the thickness of the resulting boundary layers, by suitable means, e.g. the use of turbulators and their design, vary.
  • the exhaust gas cooler may be designed for a predetermined operating state of the exhaust gas cooler such that a hydrocarbon dew point lies in the region of a transition from the inlet region to the intermediate region, while the water dew point lies in the region of a transition from the intermediate region to the outlet region.
  • the hydrocarbons are the molecules of the respective internal combustion engine for the combustion of fuel supplied, which have not been or not fully implemented in the respective combustion chamber. These are therefore mainly long-chain hydrocarbons based on diesel, bio-diesel, gasoline, bio-gasoline and other commonly liquid fuels.
  • This special design of the exhaust gas cooler with regard to the three cooling power ranges is based on the knowledge that that in addition to soot also steam and unburned vaporous hydrocarbons are carried in the exhaust.
  • the soot accumulation on the heat-transferring surfaces in the exhaust gas path is comparatively small. Accordingly, this temperature range is assigned to the inlet area with the comparatively high inlet cooling capacity.
  • the Rußstromrung is extremely critical, since the carbon black with the condensing hydrocarbons can combine to form a sticky mass, which is relatively difficult to remove.
  • this temperature range is assigned to the intermediate area with the reduced intermediate cooling capacity.
  • the condensing water can rinse out the soot which accumulates, so that an increased cooling capacity can again be achieved in this temperature range. Accordingly, this lower temperature range is associated with the exit area with the increased exit cooling capacity.
  • the predetermined operating state can be defined for example by a predetermined exhaust gas volume flow and / or a predetermined exhaust gas temperature at the exhaust gas inlet and / or a predetermined coolant volume flow and / or a predetermined coolant temperature at the coolant inlet.
  • the outlet region of the exhaust gas path can now be configured for discharging condensate. As explained above, it is mainly in the outlet area for the condensation of water.
  • the proposed embodiment of the outlet region the resulting condensate can be selectively removed.
  • the condensate may carry flushed out soot deposits.
  • the inlet cooling capacity is greater than the outlet cooling capacity. This takes into account that the tendency to soot formation is significantly lower in the inlet area than in the outlet area.
  • the cooling capacity may be determined by the available in the exhaust path for heat transfer surface.
  • this heat exchanger surface is chosen to be significantly larger in the inlet region than in the intermediate region and that also the outlet region has a larger heat transfer surface than the intermediate region.
  • the more surface available for heat transfer the more surface is available for the addition of soot. Accordingly, if the heat transfer surface is significantly reduced in the intermediate region, significantly less surface area is available for the soot deposited in the exhaust gas, which leads to a reduction in soot accumulation in the intermediate region.
  • the cooling capacity may be determined by the density of heat transfer means in the exhaust path.
  • the density of the heat transfer means is the number of heat transfer means per unit volume in the exhaust path. The higher the density of the heat transfer medium, the greater the available heat transfer surface and the higher the cooling capacity. In terms of the exhaust gas cooler presented here, this means that the heat transfer medium density is greater in the inlet area than in the intermediate area and larger in the outlet area than in the intermediate area.
  • such heat transfer means can be provided for example by ribs and / or by turbulators and / or by flow obstacles, so-called winglets, and / or by lamellae and the like, which are arranged in the exhaust path.
  • the heat transfer medium density or the heat transfer surface can be determined by the rib density, ie by the number of ribs per unit volume in the exhaust path.
  • the rib density in the intermediate area would be smaller than in the inlet area and smaller than in the outlet area.
  • it may be provided to provide ribs only in the entry area and in the exit area and to make the intermediate area ribbed.
  • the cooling capacity can be determined by the permeable cross section of the exhaust path and / or by the flow resistance in the exhaust path.
  • the flow resistance results firstly from the heat transfer medium density and secondly from the flow-through cross section.
  • the flow resistance in the exhaust gas path is preferably smaller in the intermediate region than in the inlet region and smaller than in the outlet region. Additionally or alternatively, in the intermediate region, the flow-through cross section of the exhaust gas path is greater than in the inlet region and as in the outlet region.
  • the coolant path may lead from a coolant inlet to a coolant outlet, wherein the coolant inlet is arranged at the outlet region and the coolant outlet at the inlet region, whereby the exhaust gas cooler flows through the exhaust gas and the coolant according to the countercurrent principle. It is also possible to arrange the coolant inlet at the inlet region and the coolant outlet at the outlet region, which then causes a flow through the exhaust gas cooler with exhaust gas and coolant according to the DC principle. In any case, the coolant path is passed through all three areas of the exhaust path, in succession, ie in series. In this way, the structural integration of the three cooling power ranges is amplified into a single exhaust gas cooler.
  • the exhaust gas cooler is designed as a finned tube heat exchanger, in which a plurality of coolant tubes extend through the exhaust gas path, which guide the coolant inside and carry ribs outside, at least in the inlet region and in the outlet region.
  • the different cooling capacities in the different regions of the exhaust gas path can be changed particularly easily by varying the rib size and / or number of ribs and / or rib density.
  • the coolant path comprises an inlet chamber, a plurality of deflection chambers and an outlet chamber.
  • at least four chambers are thus provided, which are formed in the coolant path or along the coolant path, in particular in a common housing of the exhaust gas cooler.
  • the optionally provided common housing of the exhaust gas cooler on the side of the exhaust path encloses the three cooling power areas and on the side of the coolant path the above-mentioned at least four chambers.
  • the coolant path then comprises exactly six chambers.
  • the inlet chamber has a coolant inlet and is fluidly connected to the first deflection chamber via a first group of coolant tubes which are passed through the exhaust path.
  • the first deflection chamber can now be fluidically connected to the second deflection chamber via a second group of coolant tubes which are passed through the exhaust path.
  • the second deflection chamber may have a third group of be passed through the exhaust passage coolant tubes with the third deflection fluidly connected.
  • the third deflection chamber may be fluidically connected to the fourth deflection chamber via a fourth group of coolant tubes guided through the exhaust gas path.
  • the fourth deflection chamber may be fluidically connected to the outlet chamber via a fifth group of coolant tubes which are passed through the exhaust path, which has a coolant outlet.
  • the coolant flows through the six chambers of the coolant path in sequence, so that they form a series circuit.
  • a correspondingly different number of groups of coolant pipes guided through the exhaust gas path is present.
  • the coolant tubes of the first group and the second group in the outlet region and the coolant tubes of the fourth group and the fifth group in the inlet region in the counterflow principle
  • the coolant pipes of the third group run in the intermediate area.
  • the exhaust gas cooler is configured as a tube bundle heat exchanger, in which extend a plurality of exhaust pipes from the exhaust gas inlet to the exhaust gas outlet through the coolant path, which carry the exhaust gas inside and exposed to the outside of the coolant.
  • heat transfer means can now be arranged in the exhaust pipes in the entry region and in the exit region. These heat transfer means now define by their dimensioning and / or number and / or density, the cooling capacity of the respective region of the exhaust path.
  • flow guide elements or flow obstacles be arranged in the exhaust pipes.
  • Such flow-guiding elements or flow obstacles can be implemented particularly simply as so-called "winglets” in the case of a shell-and-tube heat exchanger configured as a flat-tube heat exchanger. These are usually embossments and indentations, which are made on the facing longitudinal sides of the individual flat tubes by forming. The geometry and / or number and / or density and / or distribution of these winglets, the heat transfer performance can be determined in the exhaust path.
  • An inventive method for operating an exhaust gas cooler according to claim 19, which is characterized in that it has at least three areas in the exhaust path, namely an inlet area, an intermediate area and an exit area, characterized in that different cooling capacities are realized in the at least three areas namely, an inlet cooling capacity, an intermediate cooling capacity and an outlet cooling capacity, wherein the intermediate cooling capacity is smaller than the inlet cooling capacity and smaller than the outlet cooling capacity.
  • the exhaust gas is cooled in the exhaust gas cooler before the intermediate region at least up to a hydrocarbon dew point and that the exhaust gas is cooled in the exhaust gas cooler after the intermediate region at least up to a water dew point.
  • the hydrocarbon dew point is reached in the region of a transition from the inlet region to the intermediate region, and / or that the water dew point is reached in the region of a transition from the intermediate region to the outlet region.
  • an exhaust gas cooler 1 comprises a housing 2, with which it can be installed in an exhaust system 3 or in an exhaust gas recirculation system 4 of an internal combustion engine, not shown here.
  • the exhaust gas cooler 1 contains in its housing 2 an exhaust gas path 5 through which, during operation of the exhaust gas cooler 1, an exhaust gas flow 6 is passed.
  • the exhaust gas path 5 leads from an exhaust gas inlet 7 formed on the radiator housing 2 to an exhaust gas outlet 8 formed on the radiator housing 2.
  • the exhaust gas radiator 1 in the radiator housing 2 has a coolant path 9, through which a coolant flow 10 is passed during operation of the exhaust gas radiator 1.
  • the coolant path 9 leads from a coolant inlet 11 formed on the radiator housing 2 to a coolant outlet 12 formed on the radiator housing 2.
  • the coolant path 9 is coupled in a suitable manner to transfer the heat to the exhaust path 5 in a media-separated manner.
  • the coolant inlet 11 is proximal to the exhaust gas outlet 8, while the coolant outlet 12 is arranged proximal to the exhaust gas inlet 7. Accordingly, in the embodiments shown here, a flow through the exhaust gas cooler 1 with respect to the exhaust gas flow 6 and the coolant flow 10 according to the countercurrent principle. It is clear that, in principle, a flow according to the DC principle can be realized.
  • the exhaust path 5 has an inlet region 13 indicated by a brace, downstream of this an intermediate region 14 indicated by a brace and downstream thereof an outlet region 15 indicated by a brace.
  • the inlet region 13 comprises the exhaust gas inlet 7.
  • the outlet region 15 comprises the exhaust gas outlet 8
  • the intermediate region 14 is arranged in the flow direction of the exhaust gas between the inlet region 13 and the outlet region 15. The intermediate region 14 is thus arranged distally to the exhaust gas inlet 7 and distally to the exhaust gas outlet 8.
  • the inlet area 13 is designed for an inlet cooling capacity.
  • the intermediate region 14 is designed for an intermediate cooling performance.
  • the exit area 15 is designed for a discharge cooling capacity.
  • the intermediate cooling capacity is smaller than the inlet cooling capacity and smaller than the outlet cooling capacity.
  • the outlet cooling capacity is also smaller than the inlet cooling capacity. Accordingly, the cooling power in the inlet region 13 is greater than in the intermediate region 14 and greater than in the outlet region 15. In the outlet region 15, the cooling capacity is greater than the intermediate region 14. In the intermediate region 14, the cooling capacity is smaller than in the inlet region 14 and smaller than in the outlet region 15th
  • the exhaust gas cooler 1 is expediently designed such that a dew point of hydrocarbons T HC lies in a region 16 indicated by a brace between a transition from the inlet region 13 to the intermediate region 14. Furthermore, the design of the exhaust gas cooler 1 for the predetermined operating state is expediently such that a dew point of water T H2O lies in a region 17, indicated by a brace, of a transition from the intermediate region 14 to the outlet region 15.
  • the outlet region 15 may also be designed such that it is suitable for removing condensate 18.
  • a condensate drain line 19 is indicated by a broken line.
  • the condensate drain line 19 is fluidly connected to the exhaust path 5.
  • the exhaust gas cooler 1 is configured as a finned tube heat exchanger 20, which is characterized in that a plurality of coolant tubes 21 extend through the exhaust gas path 5.
  • the coolant tubes 21 carry the coolant inside and are equipped with ribs 22 on the outside at least in the inlet region 13 and in the outlet region 15. Is recognizable in Fig. 1 a rib density, that is, a number of ribs 22 per coolant tube 21 greater than in the outlet region 15. Furthermore, it is provided here that the coolant tubes 21 in the intermediate region 14 do not carry cooling fins 22.
  • the number of ribs 22 per coolant tube 21 determines the cooling capacity in the respective power range 13, 14, 15 of the exhaust path 5.
  • the high rib density in the inlet region 13 results in a high inlet cooling capacity.
  • the reduced rib density in the outlet region 15 accordingly leads to a reduced outlet cooling performance.
  • the missing in the intermediate region 14 ribs 22 accordingly lead to a particularly low intermediate cooling capacity.
  • the coolant path 9 in the cooler housing 2 comprises an inlet chamber 23, four deflection chambers 24, 25, 26, 27 and an outlet chamber 28.
  • the deflection chambers 24, 25, 26, 27 are arranged between the inlet chamber 23 and the outlet chamber 28.
  • the inlet chamber 23 has the coolant inlet 11.
  • a first group 29 of coolant tubes 21 connects the inlet chamber 23 to the first deflection chamber 24.
  • a second group 30 of coolant tubes 21 connects the first deflection chamber 24 with the second deflection chamber 25.
  • a third group 31 of coolant tubes 21 connects the second deflection chamber 25 with the third Deflection chamber 26.
  • a fourth group 32 of coolant tubes 21 connects the third deflection chamber 26 with the fourth deflection chamber 27.
  • a fifth group 33 of coolant tubes 21 connects the fourth deflection chamber 27 with the outlet chamber 28.
  • the coolant tubes 21 of the first group 29 and the second group 30 are assigned to the outlet region 15.
  • the coolant tubes 21 of the third group 31 are assigned to the intermediate region 14.
  • the coolant tubes 21 of the fourth group 32 and the fifth group 33 are assigned to the inlet area 13. All coolant tubes 21 run parallel to one another here and connect the chambers 23 to 28 in series with each other.
  • the exhaust gas cooler 1 is designed as a tube bundle heat exchanger 34, which is characterized by a plurality of exhaust pipes 35, which are led from the exhaust gas inlet 7 to the exhaust gas outlet 8 through the coolant path 9.
  • the exhaust pipes 35 lead inside the exhaust stream 6 and are exposed to the outside coolant flow 10.
  • the exhaust pipes 35 in another embodiment, the in Fig. 3 is shown to be configured as flat tubes, which have a substantially rectangular cross-section.
  • heat transfer means 36 are arranged, which may be formed for example by a lamellar structure.
  • a pipe cross-section for such an exhaust pipe 35 is shown, wherein this pipe cross-section is designated in the outlet region 15 with a, in the intermediate region 14 with b and in the inlet region 15 with c.
  • this pipe cross-section is designated in the outlet region 15 with a, in the intermediate region 14 with b and in the inlet region 15 with c.
  • a lamellar structure 36 is arranged only in the exhaust pipes 35 of the inlet region 13 and the outlet region 15, while in the intermediate region 4 the cross-sections of the exhaust pipes 35 are free of such heat transfer means 36.
  • the lamellar structure 36 in the inlet region 13 according to the illustration c has a larger lamella number or lamellar density and a smaller wall thickness than the lamellar structure 36 in the outlet region 15 according to the illustration a.
  • a larger inlet cooling capacity can be set in the inlet area 13 than in the outlet area 15.
  • the outlet cooling capacity is also greater than in the intermediate area 14.
  • FIGS. 3a-3c each show a plan view of a configured as a flat tube exhaust pipe 35. These exhaust pipes 35 are recognizable with indentations or
  • FIG. 3a shows a plan view of the exhaust pipe 35 in the outlet region 15. Shown are purely exemplary eight flow guide 37 within the outlet region 15th Fig. 3b shows the same exhaust pipe 35 within the intermediate region 14.
  • FIG. 3c shows now the same exhaust pipe 35 in the inlet region 13. It can be seen here sixteen flow guide elements 37 are provided, whereby the cooling capacity in the inlet region 13 is significantly greater than in the intermediate region 14 and in the outlet region 15th
  • the inlet region 13 is dimensioned so that at the end of the inlet region 13, ie in the transition region 16 of the hydrocarbon dew point T HC is. Since above the hydrocarbon dew point temperature T HC soot deposition is largely uncritical or hardly takes place, can Here a particularly high cooling capacity can be realized, which is due to the large heat transfer surface with the help of the high rib density in Fig. 1 or with the help of the high lamellar density in Fig. 2 is realized.
  • the exhaust gas is cooled below the HC dew point T HC , so that condensation takes place in the intermediate region 14 of hydrocarbons.
  • the cooling capacity is significantly reduced in the intermediate region 14. This is achieved in Fig. 1 by the absence of ribs 22 or by the use of a significantly reduced rib density and in Fig. 2 by the absence of a lamellar structure 36 or by the use of a significantly reduced lamellar density.
  • the intermediate region 14 is designed so that at its end, ie in the transition region 17, the water dew point temperature T H2O is reached.
  • the condensate which forms can be collected and, for example, via a condensate outlet 19 according to FIG Fig. 1 be dissipated.
  • the exhaust gas cooler 1 presented here can be characterized in summary by having a cooling capacity adapted to the exhaust gas temperature which decreases along the exhaust gas path 5, such that in the intermediate region 14, in which a hydrocarbon condensation but no water condensation takes place significantly reduced cooling capacity is realized. In this way, in this intermediate region 14, in which the hydrocarbon condensation takes place, the accumulation of soot particles can be significantly reduced, which reduces the risk of clogging and clogging of the exhaust gas path 5 in the exhaust gas cooler 1. Although in the exit region 15 is a soot deposit in Purchase, but can be flushed out by the water condensation.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskühler für eine Abgasanlage oder für eine Abgasrückführungsanlage einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Betriebsverfahren für einen derartigen Abgaskühler.
  • In einer Abgasanlage können Abgaskühler zur Anwendung kommen, um dem Abgas Wärmeenergie zu entziehen, um diese anderweitig zu nutzen, beispielsweise zum Erwärmen eines Kühlmittels eines Kühlkreises oder zum Verdampfen eines Arbeitsmediums eines Rankine-Kreises oder zum Beheizen eines Luftstroms für die Klimatisierung eines Fahrgastraums bei einer Fahrzeuganwendung. In einer Abgasrückführanlage kommt ein Abgaskühler zum Einsatz, um das rückgeführte Abgas zu kühlen. Die Kühlung des rückgeführten Abgases erhöht den Massenstrom und reduziert die Verbrennungstemperaturen in den Brennräumen der Brennkraftmaschine, was hinsichtlich der Schadstoffemissionen, insbesondere NOX-Emissionen, vorteilhaft ist.
  • Üblicherweise umfasst ein Abgaskühler einen Abgaspfad, der von einem Abgaseinlass zu einem Abgasauslass führt, sowie einen damit wärmeübertragend gekoppelten Kühlmittelpfad, der von einem Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass führt.
  • Bei Wärmeübertragern kommt es zu sogenanntem "Fouling" (Englisch für Verschmutzung, Bewuchs), worunter die Verschmutzung von wärmeübertragenden Bestandteilen durch Inhaltsstoffe des verwendeten Kühlmittels verstanden wird. Beispielsweise können sich im Kühlmittelpfad Algen bilden, die zu einer Zusetzung des Kühlmittelpfads führen können. Bei Abgaskühlern wird unter Fouling auf der Abgasseite auch die Anlagerung von Ruß verstanden. Im Abgas mitgeführter Ruß kann sich an den Oberflächen des Abgaskühlers im Abgaspfad anlagern und auf diese Weise auch zu einem allmählichen Zusetzen des Abgaspfads führen.
  • Ein gattungsgemäßer Abgaskühler ist aus der DE 10 2007 062 826 A1 .
  • Aus der NL 7810795 A und der EP 0 479 388 A1 sind andere Abgaskühler bekannt, bei denen der Kühlmittelpfad eine Einlasskammer, mehrere Umlenkkammern und eine Auslasskammer aufweist, die in einer Reihe über Gruppen von durch den Abgaspfad hindurchgeführten Kühlmittelrohren fluidisch miteinander verbunden sind.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgaskühler der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Gefahr eines Zusetzens des Abgaspfads durch Rußpartikel reduziert ist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Abgaskühler abgasseitig mit wenigstens drei unterschiedlichen Kühlleistungsbereichen auszustatten, die in der Strömungsrichtung des Abgases aufeinanderfolgen, also in Reihe angeordnet sind. Dementsprechend umfasst ein Eintrittsbereich den Abgaseinlass und ist für eine Eintrittskühlleistung ausgelegt. Stromab des Eintrittsbereichs befindet sich ein Zwischenbereich, der für eine Zwischenkühlleistung ausgelegt ist. Stromab des Zwischenbereichs ist ein Austrittsbereich vorgesehen, der den Abgasauslass umfasst und der für eine Austrittskühlleistung ausgelegt ist. Der Abgaskühler ist nun so ausgelegt, dass die Zwischenkühlleistung kleiner ist als die Eintrittskühlleistung und kleiner ist als die Austrittskühlleistung. Dieser erfindungsgemäße Aufbau beruht auf der Erkenntnis, dass bei hohen Abgastemperaturen, die im Eintrittsbereich des Abgaspfads auftreten, die Tendenz zur Rußablagerung vergleichsweise gering ist. Dementsprechend kann im Eintrittsbereich eine vergleichsweise hohe Eintrittskühlleistung realisiert werden. Bei mittleren Abgastemperaturen steigt dagegen die Tendenz zur Rußablagerung stark an. Dem kann durch eine reduzierte Zwischenkühlleistung entgegengetreten werden. Bei niedrigen Abgastemperaturen, wie sie im Austrittsbereich des Abgaspfads auftreten, können zwar ebenfalls relativ starke Anlagerungen beobachtet werden, die jedoch weniger haften und daher insbesondere ausgespült werden können. Demnach kann im Austrittsbereich wieder eine höhere Austrittskühlleistung realisiert werden. Somit besitzt der hier vorgestellte Abgaskühler, insbesondere innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, zumindest drei unterschiedlich strukturierte Bereiche, die im Abgaspfad aufeinanderfolgen und die durch ihre unterschiedliche Struktur verschiedene Wärmeübertragungsleistungen ermöglichen.
  • Unter "Kühlleistung" wird dabei ein Wärmestrom vom Abgas in Richtung Kühlmittel pro Zeiteinheit verstanden.
  • Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Abgaskühler ein einziges Gehäuse aufweist, in dem der gesamte Abgaspfad untergebracht ist und das den Abgaseinlass und den Abgasauslass aufweist. Somit befinden sich die drei Leistungsbereiche innerhalb dieses gemeinsamen Gehäuses des Abgaskühlers, wodurch sich ein besonders kompakter Aufbau realisieren lässt.
  • Alternativ ist auch eine Ausführungsform möglich, bei welcher der Abgaskühler zwei oder drei Gehäuse aufweist, auf welche der Abgaspfad verteilt ist und die über ein bzw. über zwei Verbindungsrohre miteinander in Reihe geschaltet sind. Somit befinden sich der Abgaseinlass und der Abgasauslass an verschiedenen Gehäusen. Zweckmäßig befinden sich der Eintrittsbereich und der Abgaseinlass in einem einlassseitigen ersten Gehäuse, während sich der Austrittsbereich und der Abgasauslass in einem auslassseitigen zweiten Gehäuse befinden. Der Zwischenbereich kann nun entweder im einlassseitigen Gehäuse oder im auslassseitigen Gehäuse oder aber in einem mittleren dritten Gehäuse untergebracht sein.
  • Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der nur ein einziger und somit gemeinsamer Kühlmittelpfad vorgesehen ist, der bevorzugt nacheinander, also in Reihe durch die wenigstens drei Kühlleistungsbereiche geführt ist. Ebenfalls bevorzugt ist dabei eine Strömungsführung für den einzigen Abgaspfad und den einzigen Kühlmittelpfad im Gegenstromprinzip. Um bei einem einzigen Abgaspfad und einem einzigen Kühlmittelpfad unterschiedliche Kühlleistungen realisieren zu können, können beispielsweise die Verweildauern des Abgases und des Kühlmittels in den einzelnen Kühlleistungsbereichen variieren. Ebenso können die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Oberflächen, z.B. durch die Verwendung von Wärmeübertragungsstrukturen und deren Ausgestaltung, variiert werden. Ferner lassen sich die Strömungsverhältnisse, wie z.B. das Vorhandensein turbulenter oder laminarer Strömungen und/oder die Dicke der sich einstellenden Grenzschichten, durch geeignete Maßnahmen, wie z.B. die Verwendung von Turbulatoren und deren Ausgestaltung, variieren.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Abgaskühler für einen vorbestimmten Betriebszustand des Abgaskühlers so ausgelegt sein, dass ein Kohlenwasserstoff-Taupunkt im Bereich eines Übergangs vom Eintrittsbereich zum Zwischenbereich liegt, während der Wasser-Taupunkt im Bereich eines Übergangs vom Zwischenbereich zum Austrittsbereich liegt. Die Kohlenwasserstoffe sind dabei die Moleküle des jeweiligen der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführten Kraftstoffs, die in dem jeweiligen Brennraum nicht oder nicht vollständig umgesetzt worden sind. Es handelt sich also vorwiegend um langkettige Kohlenwasserstoffe auf der Basis von Diesel, Bio-Diesel, Benzin, Bio-Benzin und anderer üblicherweise flüssiger Brennstoffe. Diese spezielle Auslegung des Abgaskühlers hinsichtlich der drei Kühlleistungsbereiche beruht auf der Erkenntnis, dass im Abgas neben Ruß auch Wasserdampf und unverbrannte dampfförmige Kohlenwasserstoffe mitgeführt werden. Bei hohen Abgastemperaturen, die oberhalb der Taupunkte von Wasser und den relevanten Kohlenwasserstoffen liegen, fällt die Rußanlagerung an den wärmeübertragenden Oberflächen im Abgaspfad vergleichsweise gering aus. Dementsprechend wird dieser Temperaturbereich dem Eintrittsbereich mit der vergleichsweise hohen Eintrittskühlleistung zugeordnet. In einem Temperaturbereich, der unterhalb der Taupunkttemperatur der Kohlenwasserstoffe und oberhalb der Taupunkttemperatur von Wasser liegt, ist die Rußanlagerung extrem kritisch, da sich der Ruß mit den kondensierenden Kohlenwasserstoffen zu einer klebrigen Masse vereinen kann, die nur vergleichsweise schwer ablösbar ist. Dementsprechend ist dieser Temperaturbereich dem Zwischenbereich mit der reduzierten Zwischenkühlleistung zugeordnet. Ist die Abgastemperatur im Abgaspfad dagegen auch unter den Taupunkt von Wasser abgesunken, kann das kondensierende Wasser den sich anlagernden Ruß ausspülen, so dass in diesem Temperaturbereich wieder eine erhöhte Kühlleistung realisierbar ist. Dementsprechend ist dieser untere Temperaturbereich dem Austrittsbereich mit der erhöhten Austrittskühlleistung zugeordnet.
  • Der vorbestimmte Betriebszustand kann beispielsweise durch einen vorbestimmten Abgasvolumenstrom und/oder eine vorbestimmte Abgastemperatur am Abgaseinlass und/oder einen vorbestimmten Kühlmittelvolumenstrom und/oder eine vorbestimmte Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlass definiert werden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann nun der Austrittsbereich des Abgaspfads zum Abführen von Kondensat ausgestaltet sein. Wie vorstehend erläutert, kommt es vor allem im Austrittsbereich zur Kondensation von Wasser. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung des Austrittsbereichs kann das entstehende Kondensat gezielt abgeführt werden. Dabei kann das Kondensat ausgespülte Rußablagerungen mitführen.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Eintrittskühlleistung größer ist als die Austrittskühlleistung. Hierbei wird berücksichtigt, dass im Eintrittsbereich die Tendenz zur Rußbildung deutlich geringer ist als im Austrittsbereich.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Kühlleistung durch die im Abgaspfad zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche bestimmt sein. Das bedeutet, dass diese Wärmeübertrageroberfläche im Eintrittsbereich deutlich größer gewählt ist als im Zwischenbereich und dass auch der Austrittsbereich eine größere Wärmeübertragungsoberfläche besitzt als der Zwischenbereich. Je mehr Oberfläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht, desto mehr Oberfläche steht auch für die Anlagerung von Ruß zur Verfügung. Wird dementsprechend im Zwischenbereich die Wärmeübertragungsoberfläche signifikant reduziert, steht dem im Abgas mitgeführten Ruß auch deutlich weniger Oberfläche für die Anlagerung zur Verfügung, was zu einer Reduzierung der Rußanlagerung im Zwischenbereich führt.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Kühlleistung durch die Dichte von Wärmeübertragungsmitteln im Abgaspfad bestimmt sein. Die Dichte der Wärmeübertragungsmittel ist dabei die Anzahl der Wärmeübertragungsmittel pro Volumeneinheit im Abgaspfad. Je höher die Dichte der Wärmeübertragungsmittel, desto größer ist auch die zur Verfügung stehende Wärmeübertragungsoberfläche und desto höher ist auch die Kühlleistung. Umgesetzt auf den hier vorgestellten Abgaskühler bedeutet dies, dass die Wärmeübertragungsmitteldichte im Eintrittsbereich größer ist als im Zwischenbereich und im Austrittsbereich größer ist als im Zwischenbereich.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung können derartige Wärmeübertragungsmittel beispielsweise durch Rippen und/oder durch Turbulatoren und/oder durch Strömungshindernisse, sogenannte Winglets, und/oder durch Lamellen und dergleichen gebildet sein, die im Abgaspfad angeordnet sind. Dementsprechend kann beispielsweise die Wärmeübertragungsmitteldichte bzw. die Wärmeübertragungsoberfläche durch die Rippendichte, also durch die Anzahl an Rippen pro Volumeneinheit im Abgaspfad bestimmt werden. Dann wäre die Rippendichte im Zwischenbereich kleiner als im Eintrittsbereich und kleiner als im Austrittsbereich. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, nur im Eintrittsbereich und im Austrittsbereich Rippen vorzusehen und den Zwischenbereich rippenlos zu gestalten.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Kühlleistung durch den durchströmbaren Querschnitt des Abgaspfads und/oder durch den Strömungswiderstand im Abgaspfad bestimmt sein. Der Strömungswiderstand ergibt sich zum einen aus der Wärmeübertragungsmitteldichte und zum anderen aus dem durchströmbaren Querschnitt. Je größer der durchströmbare Querschnitt ist, desto geringer ist auch der Strömungswiderstand. Es hat sich gezeigt, dass die Tendenz zur Rußanlagerung in Bereichen mit geringem Strömungswiderstand und großem durchströmbaren Querschnitt deutlich reduziert ist. Dementsprechend ist beim hier vorgeschlagenen Abgaskühler vorzugsweise im Zwischenbereich der Strömungswiderstand im Abgaspfad kleiner als im Eintrittsbereich und kleiner als im Austrittsbereich. Zusätzlich oder alternativ ist im Zwischenbereich der durchströmbare Querschnitt des Abgaspfads größer als im Eintrittsbereich und als im Austrittsbereich.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlmittelpfad von einem Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass führen, wobei der Kühlmitteleinlass am Austrittsbereich und der Kühlmittelauslass am Eintrittsbereich angeordnet ist, wodurch der Abgaskühler vom Abgas und vom Kühlmittel nach dem Gegenstromprinzip durchströmt ist. Ebenso ist es möglich, den Kühlmitteleinlass am Eintrittsbereich und den Kühlmittelauslass am Austrittsbereich anzuordnen, wodurch sich dann eine Durchströmung des Abgaskühlers mit Abgas und Kühlmittel nach dem Gleichstromprinzip ergibt. In jedem Fall ist der Kühlmittelpfad durch alle drei Bereiche des Abgaspfads hindurchgeführt, und zwar nacheinander, also in Reihe. Auf diese Weise wird die bauliche Integration der drei Kühlleistungsbereiche in einen einzigen Abgaskühler verstärkt.
  • Erfindungsgemäß ist der Abgaskühler als Rippenrohrwärmetauscher ausgestaltet, bei dem sich mehrere Kühlmittelrohre durch den Abgaspfad erstrecken, die innen das Kühlmittel führen und außen zumindest im Eintrittsbereich und im Austrittsbereich Rippen tragen. Die unterschiedlichen Kühlleistungen in den unterschiedlichen Bereichen des Abgaspfads lassen sich nun besonders einfach durch Variieren der Rippengröße und/oder Rippenanzahl und/oder Rippendichte verändern.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Kühlmittelpfad eine Einlasskammer, mehrere Umlenkkammern und eine Auslasskammer. Insgesamt sind somit mindestens vier Kammern vorgesehen, die im Kühlmittelpfad bzw. entlang des Kühlmittelpfads, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse des Abgaskühlers, ausgebildet sind. Somit umschließt das gegebenenfalls vorgesehene gemeinsame Gehäuse des Abgaskühlers auf der Seite des Abgaspfads die drei Kühlleistungsbereiche und auf der Seite des Kühlmittelpfads die vorstehend genannten wenigstens vier Kammern.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform können genau vier Umlenkkammern vorgesehen sein, so dass der Kühlmittelpfad dann genau sechs Kammern umfasst. Zweckmäßig weist die Einlasskammer einen Kühlmitteleinlass auf und ist über eine erste Gruppe von Kühlmittelrohren, die durch den Abgaspfad hindurchgeführt sind, mit der ersten Umlenkkammer fluidisch verbunden. Die erste Umlenkkammer kann nun über eine zweite Gruppe von Kühlmittelrohren, die durch den Abgaspfad hindurchgeführt sind, mit der zweiten Umlenkkammer fluidisch verbunden sein. Die zweite Umlenkkammer kann über eine dritte Gruppe von durch den Abgaspfad hindurchgeführten Kühlmittelrohren mit der dritten Umlenkkammer fluidisch verbunden sein. Die dritte Umlenkkammer kann über eine vierte Gruppe von durch den Abgaspfad hindurchgeführten Kühlmittelrohren mit der vierten Umlenkkammer fluidisch verbunden sein. Schließlich kann die vierte Umlenkkammer über eine fünfte Gruppe von Kühlmittelrohren, die durch den Abgaspfad hindurchgeführt sind, mit der Auslasskammer fluidisch verbunden sein, die einen Kühlmittelauslass aufweist. Durch diesen Aufbau durchströmt das Kühlmittel die sechs Kammern des Kühlmittelpfads nacheinander, so dass diese eine Reihenschaltung bilden. Bei einer anderen Anzahl an Umlenkkammern ist auch eine entsprechend andere Anzahl an Gruppen von durch den Abgaspfad hindurch geführten Kühlmittelrohren vorhanden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die Kühlmittelrohre der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe im Austrittsbereich und die Kühlmittelrohre der vierten Gruppe und der fünften Gruppe im Eintrittsbereich verlaufen (beim Gegenstromprinzip) oder umgekehrt (beim Gleichstromprinzip). Im Unterschied dazu verlaufen die Kühlmittelrohre der dritten Gruppe im Zwischenbereich.
  • Eine andere, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform geht davon aus, dass der Abgaskühler als Rohrbündelwärmetauscher ausgestaltet ist, bei dem sich mehrere Abgasrohre vom Abgaseinlass zum Abgasauslass durch den Kühlmittelpfad hindurch erstrecken, die innen das Abgas führen und außen dem Kühlmittel ausgesetzt sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können nun im Eintrittsbereich und im Austrittsbereich Wärmeübertragungsmittel in den Abgasrohren angeordnet sein. Diese Wärmeübertragungsmittel definieren nun durch ihre Dimensionierung und/oder Anzahl und/oder Dichte die Kühlleistung des jeweiligen Bereichs des Abgaspfads.
  • Bei einer anderen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform können zumindest im Eintrittsbereich und im Austrittsbereich Strömungsleitelemente bzw. Strömungshindernisse in den Abgasrohren angeordnet sein. Derartige Strömungsleitelemente bzw. Strömungshindernisse lassen sich bei einem als Flachrohrwärmetauscher ausgestalteten Rohrbündelwärmetauscher besonders einfach als sogenannte "Winglets" realisieren. Hierbei handelt es sich in der Regel um Ausprägungen und Einprägungen, die an den einander zugewandten Längsseiten der einzelnen Flachrohre mittels Umformung hergestellt sind. Durch die Geometrie und/oder Anzahl und/oder Dichte und/oder Verteilung dieser Winglets kann die Wärmeübertragungsleistung im Abgaspfad bestimmt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Abgaskühlers nach Anspruch 19, der sich dadurch auszeichnet, dass er im Abgaspfad zumindest drei Bereiche, nämlich einen Eintrittsbereich, einen Zwischenbereich und einen Austrittsbereich, besitzt, charakterisiert sich dadurch, dass in den wenigstens drei Bereichen unterschiedliche Kühlleistungen realisiert werden, nämlich eine Eintrittskühlleistung, eine Zwischenkühlleistung und eine Austrittskühlleistung, wobei die Zwischenkühlleistung kleiner als die Eintrittskühlleistung und kleiner als die Austrittskühlleistung ist.
  • Besonders vorteilhaft ist auch hier eine Ausführungsform, bei der das Abgas im Abgaskühler vor dem Zwischenbereich zumindest bis zu einem Kohlenwasserstoff-Taupunkt abgekühlt wird und dass das Abgas im Abgaskühler nach dem Zwischenbereich zumindest bis zu einem Wasser-Taupunkt abgekühlt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann auch hier vorgesehen sein, dass der Kohlenwasserstoff-Taupunkt im Bereich eines Übergangs vom Eintrittsbereich zum Zwischenbereich erreicht wird, und/oder dass der Wasser-Taupunkt im Bereich eines Übergangs vom Zwischenbereich zum Austrittsbereich erreicht wird.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgaskühler,
    Fig. 2
    einen Längsschnitt wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform des Abgaskühlers,
    Fig. 3
    vereinfachte Draufsichten auf ein Flachrohr eines solchen Abgaskühlers bei einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, in verschiedenen Bereichen a bis c.
  • Entsprechend den Figuren 1 bis 3 umfasst ein Abgaskühler 1 ein Gehäuse 2, mit dem er in eine Abgasanlage 3 oder in eine Abgasrückführanlage 4 einer hier nicht gezeigten Brennkraftmaschine eingebaut werden kann. Der Abgaskühler 1 enthält in seinem Gehäuse 2 einen Abgaspfad 5, durch den im Betrieb des Abgaskühlers 1 eine Abgasströmung 6 hindurchgeführt ist. Der Abgaspfad 5 führt von einem am Kühlergehäuse 2 ausgebildeten Abgaseinlass 7 zu einem am Kühlergehäuse 2 ausgebildeten Abgasauslass 8. Ferner besitzt der Abgaskühler 1 im Kühlergehäuse 2 einen Kühlmittelpfad 9, durch den im Betrieb des Abgaskühlers 1 ein Kühlmittelstrom 10 hindurchgeführt ist. Der Kühlmittelpfad 9 führt dabei von einem am Kühlergehäuse 2 ausgebildeten Kühlmitteleinlass 11 zu einem am Kühlergehäuse 2 ausgebildeten Kühlmittelauslass 12. Der Kühlmittelpfad 9 ist auf geeignete Weise mediengetrennt wärmeübertragend mit dem Abgaspfad 5 gekoppelt.
  • In den Beispielen der Figuren 1 und 2 befindet sich der Kühlmitteleinlass 11 proximal zum Abgasauslass 8, während der Kühlmittelauslass 12 proximal zum Abgaseinlass 7 angeordnet ist. Dementsprechend ergibt sich bei den hier gezeigten Ausführungsformen eine Durchströmung des Abgaskühlers 1 bezüglich der Abgasströmung 6 und der Kühlmittelströmung 10 nach dem Gegenstromprinzip. Es ist klar, dass grundsätzlich auch eine Durchströmung nach dem Gleichstromprinzip realisierbar ist.
  • Der Abgaspfad 5 besitzt einen durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Eintrittsbereich 13, stromab davon einen durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Zwischenbereich 14 und stromab davon einen durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Austrittsbereich 15. Der Eintrittsbereich 13 umfasst den Abgaseinlass 7. Der Austrittsbereich 15 umfasst den Abgasauslass 8. Der Zwischenbereich 14 ist in der Strömungsrichtung des Abgases zwischen dem Eintrittsbereich 13 und dem Austrittsbereich 15 angeordnet. Der Zwischenbereich 14 ist somit distal zum Abgaseinlass 7 und distal zum Abgasauslass 8 angeordnet.
  • Der Eintrittsbereich 13 ist für eine Eintrittskühlleistung ausgelegt. Der Zwischenbereich 14 ist für eine Zwischenkühlleistung ausgelegt. Der Austrittsbereich 15 ist für eine Austrittskühlleistung ausgelegt. Die Zwischenkühlleistung ist kleiner als die Eintrittskühlleistung und kleiner als die Austrittskühlleistung. Vorzugsweise ist die Austrittskühlleistung auch kleiner als die Eintrittskühlleistung. Dementsprechend ist die Kühlleistung im Eintrittsbereich 13 größer als im Zwischenbereich 14 und größer als im Austrittsbereich 15. Im Austrittsbereich 15 ist die Kühlleistung dagegen größer als der Zwischenbereich 14. Im Zwischenbereich 14 ist die Kühlleistung kleiner als im Eintrittsbereich 14 und kleiner als im Austrittsbereich 15.
  • Für einen vorbestimmten Betriebszustand des Abgaskühlers 1 bzw. der damit ausgestatteten Brennkraftmaschine ist der Abgaskühler 1 zweckmäßig so ausgelegt, dass ein Taupunkt von Kohlenwasserstoffen THC in einem durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Bereich 16 eines Übergangs vom Eintrittsbereich 13 zum Zwischenbereich 14 liegt. Ferner erfolgt die Auslegung des Abgaskühlers 1 für den vorbestimmten Betriebszustand zweckmäßig so, dass ein Taupunkt von Wasser TH2O in einem durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Bereich 17 eines Übergangs vom Zwischenbereich 14 zum Austrittsbereich 15 liegt.
  • Gemäß Fig. 1 kann der Austrittsbereich 15 außerdem so ausgestaltet sein, dass er sich zum Abführen von Kondensat 18 eignet. In Fig. 1 ist hierzu eine Kondensatablaufleitung 19 mit unterbrochener Linie angedeutet. Die Kondensatablaufleitung 19 ist dabei fluidisch mit dem Abgaspfad 5 verbunden.
  • Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Abgaskühler 1 als Rippenrohrwärmetauscher 20 ausgestaltet, der sich dadurch charakterisiert, dass sich mehrere Kühlmittelrohre 21 durch den Abgaspfad 5 erstrecken. Dabei führen die Kühlemittelrohre 21 innen das Kühlmittel und sind außen zumindest im Eintrittsbereich 13 und im Austrittsbereich 15 mit Rippen 22 ausgestattet. Erkennbar ist in Fig. 1 eine Rippendichte, also eine Anzahl an Rippen 22 pro Kühlmittelrohr 21 größer als im Austrittsbereich 15. Ferner ist hier vorgesehen, dass die Kühlmittelrohre 21 im Zwischenbereich 14 keine Kühlrippen 22 tragen. Die Anzahl der Rippen 22 je Kühlmittelrohr 21 bestimmt die Kühlleistung im jeweiligen Leistungsbereich 13, 14, 15 des Abgaspfads 5. Dementsprechend führt die hohe Rippendichte im Einlassbereich 13 zu einer hohen Eintrittskühlleistung. Die reduzierte Rippendichte im Austrittsbereich 15 führt dementsprechend zu einer reduzierten Austrittskühlleistung. Die im Zwischenbereich 14 fehlenden Rippen 22 führen dementsprechend zu einer besonders geringen Zwischenkühlleistung.
  • Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfasst der Kühlmittelpfad 9 im Kühlergehäuse 2 eine Einlasskammer 23, vier Umlenkkammern 24, 25, 26, 27 und eine Auslasskammer 28. Die Umlenkkammern 24, 25, 26, 27 sind dabei zwischen der Einlasskammer 23 und der Auslasskammer 28 angeordnet. Die Einlasskammer 23 weist den Kühlmitteleinlass 11 auf. Eine erste Gruppe 29 von Kühlmittelrohren 21 verbindet die Einlasskammer 23 mit der ersten Umlenkkammer 24. Eine zweite Gruppe 30 von Kühlmittelrohren 21 verbindet die erste Umlenkkammer 24 mit der zweiten Umlenkkammer 25. Eine dritte Gruppe 31 von Kühlmittelrohren 21 verbindet die zweite Umlenkkammer 25 mit der dritten Umlenkkammer 26. Eine vierte Gruppe 32 von Kühlmittelrohren 21 verbindet die dritte Umlenkkammer 26 mit der vierten Umlenkkammer 27. Schließlich verbindet eine fünfte Gruppe 33 von Kühlmittelrohren 21 die vierte Umlenkkammer 27 mit der Auslasskammer 28. Bei der hier gezeigten Durchströmung des Abgaskühlers 1 gemäß dem Gegenstromprinzip sind die Kühlmittelrohre 21 der ersten Gruppe 29 und der zweiten Gruppe 30 dem Austrittsbereich 15 zugeordnet. Die Kühlmittelrohre 21 der dritten Gruppe 31 sind dem Zwischenbereich 14 zugeordnet. Die Kühlmittelrohre 21 der vierten Gruppe 32 und der fünften Gruppe 33 sind dem Eintrittsbereich 13 zugeordnet. Alle Kühlmittelrohre 21 verlaufen hier parallel zueinander und verbinden die Kammern 23 bis 28 in Reihe miteinander.
  • Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Abgaskühler 1 als Rohrbündelwärmetauscher 34 ausgestaltet, der sich durch mehrere Abgasrohre 35 charakterisiert, die vom Abgaseinlass 7 zum Abgasauslass 8 durch den Kühlmittelpfad 9 hindurchgeführt sind. Die Abgasrohre 35 führen im Inneren den Abgasstrom 6 und sind außen dem Kühlmittelstrom 10 ausgesetzt. Im Beispiel der Fig. 2 sind die Abgasrohre 35 Rundrohre mit kreisförmigen Querschnitten. Im Unterschied können die Abgasrohre 35 bei einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, als Flachrohre ausgestaltet sein, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzen.
  • In den Abgasrohren 35 können gemäß Fig. 2 zumindest im Eintrittsbereich 13 und dem Austrittsbereich 15 Wärmeübertragungsmittel 36 angeordnet, die beispielsweise durch eine Lamellenstruktur gebildet sein können. In Fig. 2 ist dabei jeweils ein Rohrquerschnitt für ein solches Abgasrohr 35 dargestellt, wobei dieser Rohrquerschnitt im Austrittsbereich 15 mit a, im Zwischenbereich 14 mit b und im Eintrittsbereich 15 mit c bezeichnet ist. Erkennbar ist hier nur in den Abgasrohren 35 des Eintrittsbereichs 13 und des Austrittsbereichs 15 eine derartige Lamellenstruktur 36 angeordnet, während im Zwischenbereich 4 die Querschnitte der Abgasrohre 35 frei von derartigen Wärmeübertragungsmitteln 36 sind. Erkennbar besitzt die Lamellenstruktur 36 im Eintrittsbereich 13 gemäß der Darstellung c eine größere Lamellenanzahl bzw. Lamellendichte und eine kleinere Wandstärke als die Lamellenstruktur 36 im Austrittsbereich 15 gemäß der Darstellung a. Somit lässt sich im Eintrittsbereich 13 eine größere Eintrittskühlleistung einstellen als im Austrittsbereich 15. Gleichzeitig ist auch die Austrittskühlleistung größer als im Zwischenbereich 14.
  • Die Figuren 3a-3c zeigen jeweils eine Draufsicht auf ein als Flachrohr ausgestaltetes Abgasrohr 35. Erkennbar sind diese Abgasrohre 35 mit Einprägungen bzw.
  • Ausprägungen ausgestattet, die Strömungsleitelemente 37 bzw. Strömungshindernisse bilden. Die Einprägungen stehen dabei in das abgasführende Innere des jeweiligen Abgasrohrs 35 vor. Die Ausprägungen ragen dagegen in den Kühlmittelpfad 9 hinein. In einem Stapel derartiger Flachrohre 35 können sich benachbarte Abgasrohre 35 über derartige ausgeprägte Strömungsleitelemente 37 aneinander abstützen bzw. voneinander distanzieren. Durch die Formgebung, Anzahl, Verteilung und Größe der Strömungsleitelemente 37, die sich in das Innere des jeweiligen Abgasrohrs 35 hineinerstrecken, kann wiederum die Wärmeübertragungsleistung im jeweiligen Leistungsbereich des Abgaspfads 5 bestimmt werden. Fig. 3a zeigt eine Draufsicht auf das Abgasrohr 35 im Austrittsbereich 15. Gezeigt sind rein exemplarisch acht Strömungsleitelemente 37 innerhalb des Austrittsbereichs 15. Fig. 3b zeigt dasselbe Abgasrohr 35 innerhalb des Zwischenbereichs 14. Erkennbar sind hier nur noch vier Strömungsleitelemente 37 vorgesehen. Dementsprechend ist im Zwischenbereich 14 die Wärmeübertragungsleistung gegenüber dem Austrittsbereich 15 reduziert. Fig. 3c zeigt nun dasselbe Abgasrohr 35 im Eintrittsbereich 13. Erkennbar sind hier sechzehn Strömungsleitelemente 37 vorgesehen, wodurch die Kühlleistung im Eintrittsbereich 13 deutlich größer ist als im Zwischenbereich 14 und als im Austrittsbereich 15.
  • Die Funktionsweise des hier vorgestellten Abgaskühlers 1 wird im Folgenden anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
  • Im Betrieb des Abgaskühlers 1 bzw. im Betrieb der damit ausgestatteten Brennkraftmaschine strömt heißes Abgas durch den Abgaseinlass 7 in den Eintrittsbereich 13 ein. Der Eintrittsbereich 13 ist so dimensioniert, dass sich am Ende des Eintrittsbereichs 13, also im Übergangsbereich 16 der Kohlenwasserstoff-Taupunkt THC befindet. Da oberhalb der Kohlenwasserstoff-Taupunkttemperatur THC eine Rußablagerung weitgehend unkritisch ist bzw. kaum stattfindet, kann hier eine besonders hohe Kühlleistung realisiert werden, was durch die große Wärmeübertragungsfläche mit Hilfe der hohen Rippendichte in Fig. 1 bzw. mit Hilfe der hohen Lamellendichte in Fig. 2 realisiert wird. Im Zwischenbereich 14 ist das Abgas unter den HC-Taupunkt THC abgekühlt, so dass im Zwischenbereich 14 eine Kondensation von Kohlenwasserstoffen erfolgt. Um hier eine Rußbildung weitgehend zu vermeiden, ist im Zwischenbereich 14 die Kühlleistung deutlich reduziert. Erreicht wird dies in Fig. 1 durch das Fehlen von Rippen 22 bzw. durch die Verwendung einer deutlich reduzierten Rippendichte und in Fig. 2 durch das Fehlen einer Lamellenstruktur 36 bzw. durch die Verwendung einer deutlich reduzierten Lamellendichte. Der Zwischenbereich 14 ist so ausgelegt, dass an seinem Ende, also im Übergangsbereich 17 die Wasser-Taupunkttemperatur TH2O erreicht wird. Im nachfolgenden Austrittsbereich 15 erfolgt somit eine Kondensation von Wasser, was dafür sorgt, dass sich anlagernder Ruß gleich mit Hilfe des kondensierten Wassers ausgespült werden kann. Dementsprechend kann hier wieder eine höhere Kühlleistung eingestellt werden, was mit Hilfe einer entsprechenden Rippendichte in Fig. 1 bzw. Lamellendichte in Fig. 2 realisiert wird. Optional kann das sich bildende Kondensat gesammelt und beispielsweise über einen Kondensatablauf 19 gemäß Fig. 1 abgeführt werden.
  • Der hier vorgestellte Abgaskühler 1 lässt sich zusammenfassend dadurch charakterisieren, dass er eine an die Abgastemperatur, die entlang des Abgaspfads 5 abnimmt, angepasste Kühlleistung besitzt, derart, dass im Zwischenbereich 14, in dem zwar eine Kohlenwasserstoff-Kondensation, jedoch keine WasserKondensation stattfindet, eine signifikant reduzierte Kühlleistung realisiert wird. Auf diese Weise kann in diesem Zwischenbereich 14, in dem die Kohlenwasserstoffkondensation stattfindet, die Anlagerung von Rußpartikeln deutlich reduziert werden, was die Gefahr eines Zusetzens und Verstopfens des Abgaspfads 5 im Abgaskühler 1 reduziert. Im Austrittsbereich 15 wird zwar eine Rußablagerung in Kauf genommen, die jedoch durch die Wasserkondensation ausgespült werden kann.

Claims (19)

  1. Abgaskühler für eine Abgasanlage (3) oder eine Abgasrückführanlage (4) einer Brennkraftmaschine,
    - mit einem Abgaspfad (5), der von einem Abgaseinlass (7) zu einem Abgasauslass (8) führt,
    - mit einem Kühlmittelpfad (9), der wärmeübertragend mit dem Abgaspfad (5) gekoppelt ist,
    - wobei der Abgaspfad (5) einen Eintrittsbereich (13) aufweist, der den Abgaseinlass (7) umfasst und der für eine Eintrittskühlleistung ausgelegt ist,
    - wobei der Abgaspfad (5) stromab des Eintrittsbereichs (13) einen Zwischenbereich (14) aufweist, der für eine Zwischenkühlleistung ausgelegt ist, die kleiner ist als die Eintrittskühlleistung,
    - wobei der Abgaspfad (5) stromab des Zwischenbereichs (14) einen Austrittsbereich (15) aufweist, der den Abgasauslass (8) umfasst und der für eine Austrittskühlleistung ausgelegt ist, die größer ist als die Zwischenkühlleistung,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Abgaskühler (1) als Rippenrohrwärmetauscher (20) ausgestaltet ist, bei dem sich mehrere Kühlmittelrohre (21) durch den Abgaspfad (5) erstrecken, die innen das Kühlmittel führen und außen zumindest im Eintrittsbereich (13) und im Austrittsbereich (15) Rippen (22) tragen,
    - dass der Kühlmittelpfad (9) eine Einlasskammer (23), mehrere Umlenkkammern (24, 25, 26, 27) und eine Auslasskammer (28) aufweist, die in Reihe über Gruppen (29, 30, 31, 32, 33) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) fluidisch miteinander verbunden sind,
    - dass die Einlasskammer (23) einen Kühlmitteleinlass (11) aufweist und mit einer der Umlenkkammern (24, 25, 26, 27) fluidisch verbunden ist,
    - dass die Umlenkkammern (24, 25, 26, 27) miteinander fluidisch verbunden sind,
    - dass die Auslasskammer (28) einen Kühlmittelauslass (12) aufweist und mit einer anderen der Umlenkkammern (24, 25, 26, 27) fluidisch verbunden ist.
  2. Abgaskühler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch ein einziges Gehäuse (2), in dem der gesamte Abgaspfad (5) untergebracht ist und das den Abgaseinlass (7) und den Abgasauslass (8) aufweist.
  3. Abgaskühler nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass nur ein einziger Kühlmittelpfad (9) vorgesehen ist, der mit den wenigstens drei Bereichen (13,14,15) des Abgaspfads (5) wärmeübertragend gekoppelt ist.
  4. Abgaskühler nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlmittelpfad (9) nacheinander mit den wenigstens drei Bereichen (13, 14, 15) des Abgaspfads (5) wärmeübertragend gekoppelt ist.
  5. Abgaskühler nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlmittelpfad (9) in der Strömungsrichtung des Kühlmittels zuerst mit dem Austrittsbereich (15), danach mit dem Zwischenbereich (14) und anschließend mit dem Eintrittsbereich (13) wäremübertragend gekoppelt ist.
  6. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass für einen vorbestimmten Betriebszustand des Abgaskühlers (1), der insbesondere einen vorbestimmten Abgasvolumenstrom, eine vorbestimmte Abgastemperatur, einen vorbestimmten Kühlmittelvolumenstrom und eine vorbestimmte Kühlmitteltemperatur aufweist, der Abgaskühler (1) so ausgelegt ist, dass ein Kohlenwasserstoff-Taupunkt (THC) im Bereich eines Übergangs (16) vom Eintrittsbereich (13) zum Zwischenbereich (14) liegt und dass ein Wasser-Taupunkt (TH2O) im Bereich eines Übergangs (17) vom Zwischenbereich (14) zum Austrittsbereich (15) liegt.
  7. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Austrittsbereich (15) des Abgaspfads (5) zum Abführen von Kondensat ausgestaltet ist.
  8. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Eintrittskühlleistung größer ist als die Austrittskühlleistung.
  9. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlleistung durch die im Abgaspfad (5) zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche bestimmt ist, so dass diese im Zwischenbereich (14) kleiner ist als im Eintrittsbereich (13) und als im Austrittsbereich (15).
  10. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlleistung durch die Dichte von Wärmeübertragungsmitteln (22, 36) im Abgaspfad (5) bestimmt ist, so dass diese im Zwischenbereich (14) kleiner ist als im Eintrittsbereich (13) und als im Austrittsbereich (15).
  11. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlleistung durch den durchströmbaren Querschnitt des Abgaspfads (5) und/oder durch den Strömungswiderstand im Abgaspfad (5) bestimmt ist, so dass diese im Zwischenbereich (14) größer ist als im Eintrittsbereich (13) und als im Austrittsbereich (15).
  12. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlleistung durch den Strömungswiderstand im Abgaspfad (5) bestimmt ist, so dass dieser im Zwischenbereich (14) kleiner ist als im Eintrittsbereich (13) und als im Austrittsbereich (15).
  13. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlmittelpfad (9) von einem Kühlmitteleinlass (11) zu einem Kühlmittelauslass (12) führt, wobei der Kühlmitteleinlass (11) am Austrittsbereich (15) und der Kühlmittelauslass (12) am Eintrittsbereich (13) angeordnet ist oder vice versa.
  14. Abgaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Kühlmittelpfad (9) vier Umlenkkammern (24, 25, 26, 27) aufweist,
    - dass die Einlasskammer (23) über eine erste Gruppe (29) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) mit der ersten Umlenkkammer (24) fluidisch verbunden ist,
    - dass die erste Umlenkkammer (24) über eine zweite Gruppe (30) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) mit der zweiten Umlenkkammer (25) fluidisch verbunden ist,
    - dass die zweite Umlenkkammer (25) über eine dritte Gruppe (31) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) mit der dritten Umlenkkammer (26) fluidisch verbunden ist,
    - dass die dritte Umlenkkammer (26) über eine vierte Gruppe (32) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) mit der vierten Umlenkkammer (27) fluidisch verbunden ist,
    - dass die vierte Umlenkkammer (27) über eine fünfte Gruppe (33) von durch den Abgaspfad (5) hindurchgeführten Kühlmittelrohren (21) mit der Auslasskammer (28) fluidisch verbunden ist.
  15. Abgaskühler nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kühlmittelrohre (21) der ersten Gruppe (29) und der zweiten Gruppe (30) im Austrittsbereich (15) und die Kühlmittelrohre (21) der vierten Gruppe (32) und der fünften Gruppe (33) im Eintrittsbereich (13) verlaufen oder vice versa, während die Kühlmittelrohre (21) der dritten Gruppe (31) im Zwischenbereich (14) verlaufen.
  16. Verfahren zum Betreiben eines Abgaskühlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, der einen Abgaspfad (5) mit einem Eintrittsbereich (13), einem Zwischenbereich (14) und einem Austrittsbereich (15) aufweist,
    - bei dem im Eintrittsbereich (13) eine Eintrittskühlleistung eingestellt wird,
    - bei dem im Zwischenbereich (14) eine Zwischenkühlleistung eingestellt wird,
    - bei dem im Austrittsbereich (15) eine Austrittskühlleistung eingestellt wird,
    - bei dem die Zwischenkühlleistung kleiner gewählt wird als die Eintrittskühlleistung und als die Austrittskühlleistung.
  17. Verfahren nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Abgas im Abgaskühler (1) vor dem Zwischenbereich (14) zumindest bis zu einem Kohlenwasserstoff-Taupunkt (THC) abgekühlt wird,
    - dass das Abgas im Abgaskühler (1) nach dem Zwischenbereich (14) zumindest bis zu einem Wasser-Taupunkt (TH2O) abgekühlt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kohlenwasserstoff-Taupunkt (THC) im Bereich eines Übergangs (16) vom Eintrittsbereich (13) zum Zwischenbereich (14) erreicht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wasser-Taupunkt (TH2O) im Bereich eines Übergangs (17) vom Zwischenbereich (14) zum Austrittsbereich (15) erreicht wird.
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