EP3108194B1 - Abgaswärmeübertrager - Google Patents

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Publication number
EP3108194B1
EP3108194B1 EP15703771.4A EP15703771A EP3108194B1 EP 3108194 B1 EP3108194 B1 EP 3108194B1 EP 15703771 A EP15703771 A EP 15703771A EP 3108194 B1 EP3108194 B1 EP 3108194B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
flow guide
flow
exhaust gas
housing
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP15703771.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3108194A1 (de
Inventor
Wolfgang Bucher
Jürgen Steimer
Jens Ruckwied
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 Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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 Mahle Behr GmbH and Co KG filed Critical Mahle Behr GmbH and Co KG
Publication of EP3108194A1 publication Critical patent/EP3108194A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3108194B1 publication Critical patent/EP3108194B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F02M26/32—Liquid-cooled heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/028—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using inserts for modifying the pattern of flow inside the header box, e.g. by using flow restrictors or permeable bodies or blocks with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • exhaust gas coolers are used in this context, which are thermally loaded to a high degree by the combustion exhaust gases introduced. The latter can reach temperatures of up to 700 ° C. during operation of the internal combustion engine.
  • an exhaust heat exchanger with a tube bundle with exhaust pipes, said selbiges tube bundle input and output side is taken in each case in a soil.
  • the tube bundle is surrounded by a through-flow of coolant housing, which thus encloses the tube bundle and the end face is bounded by the two floors.
  • a coolant inlet and a coolant outlet are provided for coolant supply and removal.
  • exhaust gas heat exchangers are for example from US 2003/0010479 A1 as well as from the CN 201884117 U known.
  • the known exhaust gas heat exchanger moreover has a housing through which flows a coolant, which encloses the tube bundle, is delimited on the face side by the two floors and has a coolant inlet and a coolant outlet. In the area of the coolant inlet, a flow-guiding device is provided, which directs the coolant to boiling-endangered areas of the housing.
  • an exhaust heat exchanger with a tube bundle with exhaust pipes, the tube bundle is taken on the input side and the output side in each case in a soil.
  • a through-flowed by the coolant housing is provided, which encloses the tube bundle and is connected to a cooling inlet and a coolant outlet.
  • a flow-guiding device is provided, which directs the coolant to boiling-endangered points of the housing and at the same time imposes a change of direction on the coolant flow.
  • JP-A-2013053620 discloses an exhaust heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the inflowing coolant flows in a predetermined pipe direction into the housing and is distributed undefined.
  • Coolant inlet usually not be mounted directly in the region of the bottom, so that the coolant has the natural tendency to flow away from the primarily to be cooled floor.
  • the hot combustion exhaust gas is introduced into the tube bundle, so that there is the danger of local boiling especially in this area.
  • the present invention addresses the problem of providing an improved embodiment for an exhaust gas heat exchanger of the generic type, which in particular prevents or at least minimizes the risk of local boiling.
  • the present invention is based on the general idea of directing a coolant flow to be introduced into an exhaust gas heat exchanger by means of a corresponding flow directing device to boiling points and thereby achieving optimum cooling in these areas and at the same time the risk of local boiling, which increases in these areas, at least reduce.
  • the exhaust gas heat exchanger according to the invention has a tube bundle with exhaust-carrying pipes, which is taken on the input side and output side each in a bottom.
  • the tube bundle is enclosed by a housing through which coolant flows, which end face is bounded by the two floors and has a coolant inlet and a coolant outlet.
  • a diffuser is usually provided, which supplies the hot exhaust gases emitted by the internal combustion engine.
  • a flow-guiding device is arranged in the area of the coolant inlet, which is the coolant at siedegefährdete points of the housing, namely on the input side ground, directs and there provides a locally enhanced cooling.
  • the at least one flow guide is designed, in particular shaped or
  • the exhaust gas heat exchanger can be cooled with significantly reduced coolant flow, whereby, for example, a pump capacity and a flow rate of coolant can be reduced.
  • the flow-guiding device is arranged on a coolant tube which opens into the coolant inlet.
  • the arrangement of the flow guide outside of the actual exhaust gas heat exchanger offers the great advantage that its structural components, such as the housing, can remain unchanged. As a result, in particular complex changes in geometry in the housing tool can be avoided.
  • the flow guide is in turn arranged externally to the exhaust gas heat exchanger to a feed nozzle, which is connected to the coolant inlet.
  • the flow guide on the feed pipe applies mutatis mutandis to that described in the previous paragraph, so that in this case, the flow can either be integrally formed with the feed, in particular in the manner of a metallic casting, or is subsequently connected thereto.
  • the flow guide may for example be formed integrally with the coolant tube or separately welded to this and with this, soldered or screwed.
  • the one-piece design offers the great advantage that the coolant tube and the flow guide can be made as a metallic casting, whereby the provision of Strömungsleitleaned invention requires only a single conversion of the casting tool for the coolant pipe.
  • the manufacturing flexibility increases, so that coolant tubes for different exhaust-gas heat exchangers can be equipped with different flow-guiding devices.
  • the flow-guiding device has at least one flow-guiding element, which is adjustable or pivotable.
  • an adjustable or pivotable flow-guiding element can either be actively adjusted, for example by means of a corresponding adjusting device, or passively, for example as a function of a flow pulse of the coolant.
  • the flow guide is pivotally mounted and biased by a spring in a first end position.
  • the flow guide element is now adjustable against the spring force up to a second end position.
  • the flow guide element is particularly advantageous, instead of the spring, to design the flow guide element as a spring plate and / or as a bent sheet-metal element under prestressing, which is connected on one side to the inner wall of the coolant connection and which bends depending on the flow impulse.
  • An exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention has a tube bundle 2 with exhaust-carrying tubes 3, wherein the tube bundle 2 is gripped on the input side and on the output side respectively in a bottom 4, 5.
  • the exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention has a housing 7, which flows through a coolant 6 and encloses the tube bundle 2 and is delimited by the two floors 4, 5.
  • the housing 7 has a coolant inlet 8 and a coolant outlet 9.
  • a flow-guiding device 10 is now arranged in the region of the coolant inlet 8 with a flow-guiding element 11, which seals the coolant 6 at siede-vulnerable points of the housing 7, namely in this case at the input-side bottom 4.
  • the flow guide 10 and the flow guide 11 are disposed on a coolant pipe 14, which opens into the coolant inlet 8.
  • the flow guide 11 protrudes into the housing 7 of the exhaust gas heat exchanger 1 and causes the required deflection of the coolant flow 6 in the direction of the input side Soil 4, whereby this effectively cooled and in particular the risk of local boiling can be minimized at least.
  • the flow-guiding device 10 and, with it, also the flow-guiding element 11 can be formed in one piece with the coolant tube 14, in particular if this is produced, for example, as a metallic casting.
  • the flow guide 10 or the flow guide 11 is made separately to the coolant tube 14 and then connected to this, for example clipped, glued, welded, soldered or pressed.
  • the flow guide 11 is formed separately from the coolant pipe 14 and inserted via a nose 15 in a corresponding opening 16 provided on the coolant pipe 14. Due to the complementary design of the opening 16 and the associated nose 15 on the flow guide 11, an exact alignment of the flow guide 11 can already be enforced. A fixation of the same on the coolant tube 14 can be done for example by the above-described soldering or welding. Of course, alternatively, a pressing of the nose 15 in the opening 16 is conceivable.
  • the flow guide 11 may be formed in particular groove-shaped, as shown in the illustrations in the Fig. 3 can be seen.
  • the flow guide 11 has an engagement length L between 2.0 and 30 mm, more preferably an engagement length L between 2.0 and 10 mm. About this engagement length engages the flow guide 11 in the housing 7 of the exhaust gas heat exchanger 1 (see, in particular Fig. 2 ).
  • At least one flow guide 11 is adjustable or pivotable, here about an axis A pivotable.
  • a not shown adjusting device may be used, which causes an active adjustment of the flow guide 11.
  • the flow guide 11 is pivotally mounted and by means of a spring 17 in a first end position (see. Fig. 4a ) is biased.
  • the flow guide 11 in response to the flow pulse of the coolant 6 against the spring force of the spring 17 to one in accordance with the Fig. 4b illustrated second end position adjustable.
  • Such a possibility of adjustment offers the great advantage that at a low coolant volume flow optimum flow and thus cooling of the input side bottom 4 can be achieved, whereas at a high coolant volume flow limitation of the pressure loss is achieved by dodging the pivotally mounted flow guide 11.
  • the flow guide 11 is connected on one side to the coolant tube 14 and adjustable depending on the flow impulse between a first and second end position. It is thus not pivotable about the axis A, but can only be bent due to its resilient design in response to the flow pulse of the coolant 6.
  • the flow guide 11 is thus formed in the manner of a unilaterally connected spring plate.
  • Such a flow guide 10 can dispense entirely with the spring 17 and is therefore particularly preferred.
  • This embodiment also offers the great advantage that, given a low coolant volume flow, optimal flow and thus cooling of the input-side bottom 4 can be achieved, whereas with a high coolant volume flow limitation of the pressure loss through elastic bending of the unilaterally connected flow guide 11 is achieved.
  • Such a resilient flow-guiding element 11 can be produced relatively simply and inexpensively as a stamped sheet metal part and is therefore predestined for use in the exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention.
  • the shape of the flow-directing element 11 or the material can directly influence the force to be bent, so that the flow is comparatively easily adjustable via these parameters.
  • a connection of the flow guide 11 to the coolant tube 14 can be done in a simple manner cohesively, for example by means of welding or soldering, with a gluing or other mechanical connection, such as clipping or pressing are conceivable. Especially the latter are advantageous because there is no heat input and therefore no delay is to be feared.
  • the flow guide element 11 inserted into the feed pipe 18 can have an almost arbitrary opening angle ⁇ and any desired orientation.
  • the opening angle ⁇ is to be adapted in terms of its size and orientation to a corresponding application, wherein the opening angle ⁇ can be between 90 and 310 °, in particular between 140 ° and 230 °.
  • the flow guide 11 may have additional, not shown openings for targeted regulation of the outflow and the amount of the coolant 6. These openings can also be designed as slots and / or holes.
  • a change in direction of the coolant flow 6 upon entry into the housing 7 can be forced, wherein the change in direction between 0 ° ⁇ ⁇ 90 °, preferably between 15 ° ⁇ ⁇ 42 °.
  • the length L of the flow guide 11 may be 2mm ⁇ L ⁇ 30mm, in particular 2mm ⁇ L ⁇ 10mm.
  • a directed flow of coolant within the housing 7 can be forced, whereby in particular areas susceptible to boiling, such as the ground 4 on the input side, can be better cooled. Due to the better cooling of the bottom 4, the life of the exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention can be increased. Due to the fact that the flow guiding device 10 is arranged, for example, in the coolant pipe 14 or in the feed pipe 18, the housing 7 of the exhaust gas heat exchanger 1 can remain unchanged, so that the same tools can continue to be used for the production.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In modernen Brennkraftmaschinen wird zunehmend ein Teil des Verbrennungsabgases im Abgaskrümmer abgezweigt, als Ballastgas mit angesaugter Frischluft vermischt und in den Brennraum zurückgeführt, um die Wärmekapazität des Brenngemischs zu erhöhen und somit die Verbrennungstemperatur abzusenken. Zur Verringerung von Stickoxidemissionen werden in diesem Zusammenhang sogenannte Abgaskühler eingesetzt, die thermisch im hohen Maße durch die eingeleiteten Verbrennungsabgase belastet werden. Letztere können im Betrieb der Brennkraftmaschine Temperaturen von bis zu 700° C erreichen.
  • Herkömmliche Abgaskühler genügend meist dem Wirkprinzip eines Abgaswärmeübertragers, der die vom Verbrennungsabgas aus dem Brennraum abgeführte Wärme auf ein Kühlmittel überträgt. Da die Stoffströme als solche im Abgaskühler bzw. Abgaswärmeübertrager durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind, werden entsprechende Vorrichtungen in Fachkreisen als indirekte Abgaswärmeübertrager, Rekuperatoren oder Wärmetauscher klassifiziert.
  • Aus der EP 2 559 962 A2 ist ein Abgaswärmeübertrager mit einem Rohrbündel mit abgasführenden Rohren bekannt, wobei selbiges Rohrbündel eingangs- und ausgangsseitig jeweils in einem Boden gefasst ist. Das Rohrbündel ist dabei von einem mit Kühlmittel durchströmten Gehäuse umgeben, welches somit das Rohrbündel umschließt und stirnseitig durch die beiden Böden begrenzt ist. Zur Kühlmittelzu- bzw. -abführung sind ein Kühlmitteleinlass sowie ein Kühlmittelauslass vorgesehen.
  • Weitere in ähnlicher Weise aufgebaute Abgaswärmetauscher sind beispielsweise aus der US 2003/0010479 A1 sowie aus der CN 201884117 U bekannt.
  • Aus der US 6,311,678 B1 ist ein Abgaswärmeübertrager mit einem Rohrbündel mit abgasführenden Rohren bekannt, wobei das Rohrbündel eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils in einem Boden gefasst ist. Der bekannte Abgaswärmeübertrager besitzt darüber hinaus ein von einem Kühlmittel durchströmtes Gehäuse, welches das Rohrbündel umschließt, stirnseitig durch die beiden Böden begrenzt ist und einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist. Im Bereich des Kühlmitteleinlasses ist dabei eine Strömungsleiteinrichtung vorgesehen, welche das Kühlmittel an siedegefährdete Stellen des Gehäuses lenkt.
  • Aus der WO 2013/164083 A1 ist ebenfalls ein Abgaswärmeübertrager mit einem Rohrbündel mit abgasführenden Rohren bekannt, wobei das Rohrbündel eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils in einem Boden gefasst ist. Darüber hinaus ist ein vom Kühlmittel durchströmtes Gehäuse vorgesehen, welches das Rohrbündel umschließt und mit einem Kühleinlass und einem Kühlmittelauslass verbunden ist. Im Bereich des Kühlmitteleinlasses ist eine Strömungsleiteinrichtung vorgesehen, die das Kühlmittels an siedegefährdete Stellen des Gehäuses lenkt und zugleich der Kühlmittelströmung eine Richtungsänderung aufzwingt.
  • Aus der JP 2013-053620 A , der JP 11-013550 A sowie der DE 10 2010 012 192 A1 sind weitere Abgaswärmetauscher bekannt. JP-A-2013053620 offenbart einen Abgaswärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgaswärmetauschern strömt üblicherweise ein Kühlmittel über ein Rohr gerade in ein Gehäuse ein, in welchem ein Verbrennungsabgase transportierendes Rohrbündel angeordnet ist und welches stirnseitig durch zwei Böden begrenzt ist. Das einströmende Kühlmittel strömt dabei in einer vorgegebenen Rohrrichtung in das Gehäuse ein und verteilt sich undefiniert. Durch das undefinierte Verteilen des Kühlmittels kann es jedoch zu weniger gut durchströmten Bereichen kommen, insbesondere im Bereich eines Bodens, so dass dort die Gefahr eines lokalen Siedens besteht, wodurch die Lebensdauer des Abgaswärmeübertragers reduziert wird. Bauraumbedingt kann ein Kühlmitteleinlass üblicherweise nicht direkt im Bereich des Bodens angebracht werden, so dass das Kühlmittel die natürliche Neigung besitzt, von dem vornehmlich zu kühlenden Boden wegzufließen. Gerade an diesem eingangsseitigen Boden jedoch wird das heiße Verbrennungsabgas in das Rohrbündel eingeleitet, so dass die Gefahr des lokalen Siedens insbesondere in diesem Bereich besteht.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgaswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Gefahr eines lokalen Siedens verhindert bzw. zumindest minimiert.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine in einen Abgaswärmetauscher einzuleitende Kühlmittelströmung mittels einer entsprechenden Strömungsleiteinrichtung gezielt an siedegefährdete Stellen zu lenken und dadurch eine optimale Kühlung in diesen Bereichen zu erreichen und gleichzeitig die Gefahr des lokalen Siedens, die in diesen Bereichen verstärkt auftritt, zumindest zu reduzieren. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager besitzt ein Rohrbündel mit abgasführenden Rohren, welches eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils in einem Boden gefasst ist. Das Rohrbündel ist dabei von einem mit Kühlmittel durchströmten Gehäuse umschlossen, welches stirnseitig durch die beiden Böden begrenzt ist und einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist. Stromauf des eingangsseitigen Boden ist üblicherweise ein Diffusor vorgesehen, der die heißen von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Verbrennungsabgase zuführt. Diese heißen Verbrennungsabgase treffen dabei direkt auf den eingangsseitigen Boden, wodurch dieser extremen Temperaturbelastungen ausgesetzt ist. Erfindungsgemäß ist deshalb im Bereich des Kühlmitteleinlasses eine Strömungsleiteinrichtung angeordnet, die das Kühlmittel an siedegefährdete Stellen des Gehäuses, nämlich an den eingangsseitigen Boden, lenkt und dort für eine lokal verstärkte Kühlung sorgt. Das wenigstens eine Strömungsleitelement ist dabei derart ausgebildet, insbesondere geformt oder
  • ausgerichtet, dass es eine Richtungsänderung der Kühlmittelströmung von ca. 0° < α < 90°, insbesondere von ca. 15° < α < 42° bewirkt. Durch die gezielte Einströmung des Kühlmittels in den Abgaswärmeübertrager kann nicht nur ein lokales Sieden im Bereich des eingangsseitigen Bodens vermieden, sondern zusätzlich auch die dort auftretende Temperaturbelastung reduziert werden, wodurch die Lebensdauer des Abgaswärmeübertragers gesteigert werden kann. Im Vergleich zu einer ungelenkten Kühlmittelströmung, bei welcher zur ausreichenden Kühlung sämtlicher lokaler Stellen ein deutlich erhöhter Kühlmittelstrom erforderlich ist, kann der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager mit deutlich reduziertem Kühlmittelstrom gekühlt werden, wodurch beispielsweise eine Pumpenleistung sowie eine Fördermenge an Kühlmittel reduziert werden können.
  • Erfindungsgemäß ist die Strömungsleiteinrichtung an einem Kühlmittelrohr angeordnet, welches in den Kühlmitteleinlass mündet. Die Anordnung der Strömungsleiteinrichtung außerhalb des eigentlichen Abgaswärmeübertragers bietet dabei den großen Vorteil, dass dessen konstruktive Komponenten, wie beispielsweise das Gehäuse, unverändert bleiben können. Hierdurch können insbesondere komplexe Geometrieänderungen im Gehäusewerkzeug vermieden werden. Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers ist die Strömungsleiteinrichtung wiederum extern zum Abgaswärmeübertrager an einem Zuführstutzen angeordnet, der mit dem Kühlmitteleinlass verbunden ist. Für die Anordnung der Strömungsleiteinrichtung an dem Zuführstutzen gilt sinngemäß das im vorherigen Absatz beschriebene, so dass auch in diesem Fall die Strömungsleiteinrichtung entweder einstückig mit dem Zuführstutzen ausgebildet sein kann, insbesondere in der Art eines metallischen Gussteils, oder aber nachträglich mit diesem verbunden wird.
  • Die Strömungsleiteinrichtung kann beispielsweise einstückig mit dem Kühlmittelrohr ausgebildet sein oder aber separat zu diesem und mit diesem verschweißt, verlötet oder verschraubt werden. Besonders die einstückige Ausbildung bietet dabei den großen Vorteil, dass das Kühlmittelrohr und die Strömungsleiteinrichtung als metallisches Gussteil hergestellt werden können, wodurch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Strömungsleiteinrichtung lediglich eine einmalige Umstellung des Gusswerkzeuges für das Kühlmittelrohr erfordert. Bei einer alternativen separaten Ausbildung der Strömungsleiteinrichtung und einem anschließenden Verbinden derselben mit dem Kühlmittelrohr steigt die Fertigungsflexibilität, so dass Kühlmittelrohre für unterschiedliche Abgaswärmeübertrager mit unterschiedlichen Strömungsleiteinrichtungen ausgestattet werden können.
  • Erfindungsgemäß weist die Strömungsleiteinrichtung wenigstens ein Strömungsleitelement auf, welches verstellbar oder schwenkbar ausgebildet ist. Ein derartiges verstellbares bzw. verschwenkbares Strömungsleitelement kann entweder, beispielsweise mittels einer entsprechenden Stelleinrichtung, aktiv verstellt werden, oder passiv, beispielsweise in Abhängigkeit eines Strömungsimpulses des Kühlmittels. Bei der zuletzt gekannten Variante ist das Strömungsleitelement schwenkbar gelagert und mittels einer Feder in eine erste Endstellung vorgespannt. In Abhängigkeit des Strömungsimpulses des Kühlmittels ist nun das Strömungsleitelement entgegen der Federkraft bis in eine zweite Endstellung verstellbar. Eine derartige variable Ausführung bietet die Möglichkeit einer optimalen Anströmung des eingangsseitigen Bodens bei geringem Kühlmittelvolumenströmen, sowie eine Begrenzung des Druckverlusts bei hohen Kühlmittelvolumenströmen durch die sich einstellende Querschnittsveränderung und das nachgebende Strömungsleitelement. Insbesondere vorteilhaft ist es, anstelle der Feder auch das Strömungsleitelement als Federblech und/oder als unter Vorspannung stehendes gebogenes Blechelement auszubilden, welches an der innenliegenden Wand des Kühlmittelstutzens einseitig angebunden ist und welches sich strömungsimpulsabhängig verbiegt.
  • 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
    eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgaswär-meübertrager,
    Fig. 2
    unterschiedliche Schnittdarstellung und Ansichten eines Kühlmittel-rohrs,
    Fig. 3
    unterschiedliche Ansichten bzw. Schnitte durch ein erfindungsge-mäßes Strömungsleitelement,
    Fig. 4a
    ein Kühlmittelrohr mit einem verstellbaren Strömungsleitelement in seiner ersten Endstellung,
    Fig. 4b
    eine Darstellung wie in Fig. 4a, jedoch bei einem Strömungselement in seiner zweiten Endstellung,
    Fig. 5a bis d
    unterschiedliche Ansichten auf einen Zuführstutzen mit einer Strömungsleiteinrichtung.
  • Entsprechend der Fig. 1, weist ein erfindungsgemäßer Abgaswärmeübertrager 1 ein Rohrbündel 2 mit abgasführenden Rohren 3 auf, wobei das Rohrbündel 2 eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils in einem Boden 4, 5 gefasst ist. Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager 1 ein von einem Kühlmittel 6 durchströmendes Gehäuse 7 auf, welches das Rohrbündel 2 umschließt und stirnseitig durch die beiden Böden 4, 5 begrenzt ist. Darüber hinaus besitzt das Gehäuse 7 einen Kühlmitteleinlass 8 sowie einen Kühlmittelauslass 9. Erfindungsgemäß ist nun im Bereich des Kühlmitteleinlasses 8 eine Strömungsleiteinrichtung 10 mit einem Strömungsleitelement 11 angeordnet, die das Kühlmittel 6 an siedegefährdete Stellen des Gehäuses 7, nämlich hierbei an den eingangsseitigen Boden 4, lenkt. Auf den eingangsseitigen Boden 4 treffen nämlich die aus einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine stammenden heißen Abgase 12, die vor dem Gehäuse 7 bzw. vor dem eingangsseitigen Boden 4 mittels eines Diffusors 13 zugeführt werden. Aus diesem Grund ist insbesondere der eingangsseitige Boden 4 einer extrem hohen Temperaturbelastung ausgesetzt und bedarf einer verstärkten Kühlung. Bei einem Abgaswärmetauscher aus dem Stand der Technik, bei welchem die Strömungsleiteinrichtung 10 nicht vorgesehen war, strömte das Kühlmittel 6 vergleichsweise schnell nach rechts und über den Kühlmittelauslass 9 wieder aus dem Gehäuse 7 ab. Hierdurch konnte eine effektive Kühlung des eingangsseitigen Bodens 4 nicht oder nur mit vergleichsweise großem Kühlmittelstrom erreicht werden. Eine nicht ausreichende Kühlung des einlassseitigen Bodens 4 reduziert jedoch die Lebensdauer des gesamten Abgaswärmetauschers 1.
  • Betrachtet man die Fig. 1 näher, so kann man erkennen, dass die Strömungsleiteinrichtung 10 und das Strömungsleitelement 11 an einem Kühlmittelrohr 14 angeordnet sind, welches in den Kühlmitteleinlass 8 mündet. Das Strömungsleitelement 11 ragt dabei in das Gehäuse 7 des Abgaswärmeübertragers 1 hinein und bewirkt die geforderte Umlenkung des Kühlmittelstroms 6 in Richtung des eingangsseitigen Bodens 4, wodurch dieser effektiv gekühlt und insbesondere die Gefahr eines lokalen Siedens zumindest minimiert werden kann.
  • Generell kann die Strömungsleiteinrichtung 10 und mit dieser auch das Strömungsleitelement 11 einstückig mit dem Kühlmittelrohr 14 ausgebildet sein, insbesondere sofern dieses beispielsweise als metallisches Gussteil hergestellt wird. Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass die Strömungsleiteinrichtung 10 bzw. das Strömungsleitelement 11 separat zum Kühlmittelrohr 14 hergestellt und anschließend mit diesem verbunden, beispielsweise verclipst, verklebt, verschweißt, verlötet oder verpresst wird.
  • Betrachtet man die Strömungsleiteinrichtung 10 bzw. das zugehörige Strömungsleitelement 11 gemäß den Fig. 2 und 3, so kann man erkennen, dass in diesem Fall das Strömungsleitelement 11 separat zum Kühlmittelrohr 14 ausgebildet und über eine Nase 15 in eine entsprechende am Kühlmittelrohr 14 vorgesehene Öffnung 16 eingesteckt wird. Durch die komplementäre Ausbildung der Öffnung 16 und der zugehörigen Nase 15 am Strömungsleitelement 11 kann bereits ein exaktes Ausrichten des Strömungsleitelements 11 erzwungen werden. Eine Fixierung desselben am Kühlmittelrohr 14 kann beispielsweise durch das zuvor beschriebene verlöten oder verschweißen erfolgen. Selbstverständlich ist alternativ auch ein Verpressen der Nase 15 in der Öffnung 16 denkbar. Das Strömungsleitelement 11 kann dabei insbesondere rinnenförmig ausgebildet sein, wie dies gemäß den Darstellungen in der Fig. 3 zu entnehmen ist. Üblicherweise weist das Strömungsleitelement 11 eine Eingriffslänge L zwischen 2,0 und 30 mm auf, besonders bevorzug eine Eingriffslänge L zwischen 2,0 und 10 mm. Über diese Eingriffslänge greift das Strömungsleitelement 11 in das Gehäuse 7 des Abgaswärmeübertragers 1 ein (vgl. insbesondere Fig. 2).
  • Betrachtet man die Strömungsleiteinrichtung 10 aus den Fig. 4a und 4b, so kann man erkennen, dass bei diesem das wenigstens eine Strömungsleitelement 11 verstellbar oder verschwenkbar ausgebildet ist, hier um eine Achse A verschwenkbar. Zum Verstellen des Strömungsleitelements 11 kann beispielsweise eine nicht gezeigte Stelleinrichtung verwendet werden, die ein aktives Verstellen des Strömungsleitelementes 11 bewirkt. Alternativ ist auch denkbar, dass das Strömungsleitelement 11 schwenkbar gelagert und mittels einer Feder 17 in eine erste Endstellung (vgl. Fig. 4a) vorgespannt ist. In dieser Ausgestaltung ist das Strömungsleitelement 11 in Abhängigkeit des Strömungsimpulses des Kühlmittels 6 entgegen der Federkraft der Feder 17 bis in eine gemäß der Fig. 4b dargestellte zweite Endstellung verstellbar. Eine derartige Möglichkeit der Verstellung bietet den großen Vorteil, dass bei einem geringen Kühlmittelvolumenstrom ein optimales Anströmen und damit Kühlen des eingangsseitigen Bodens 4 erreichbar ist, wogegen bei einem hohen Kühlmittelvolumenstrom eine Begrenzung des Druckverlustes durch Ausweichen des schwenkbar gelagerten Strömungsleitelementes 11 erreicht wird.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Strömungsleitelement 11 einseitig am Kühlmittelrohr 14 angebunden und strömungsimpulsabhängig zwischen einer ersten und zweiten Endstellung verstellbar. Es ist somit nicht um die Achse A schwenkbar ausgebildet, sondern kann lediglich aufgrund seiner federnden Ausbildung in Abhängigkeit des Strömungsimpulses des Kühlmittels 6 verbogen werden. Das Strömungsleitelement 11 ist somit in der Art eines einseitig angebundenen Federbleches ausgebildet. Eine derartige Strömungsleiteinrichtung 10 kann gänzlich auf die Feder 17 verzichten und ist deshalb besonders bevorzugt. Auch diese Ausführungsform bietet den großen Vorteil, dass bei einem geringen Kühlmittelvolumenstrom ein optimales Anströmen und damit Kühlen des eingangsseitigen Bodens 4 erreichbar ist, wogegen bei einem hohen Kühlmittelvolumenstrom eine Begrenzung des Druckverlustes durch elastisches Verbiegen des einseitig angebundenen Strömungsleitelementes 11 erreicht wird. Ein derartiges federndes Strömungsleitelement 11 lässt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig als Blechstanzteil herstellen und ist deshalb prädestiniert für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher 1. Durch die Form des Strömungsleitelements 11 bzw. das Material, kann direkt auf die zum Verbiegen aufzubringende Kraft Einfluss genommen werden, so dass über diese Parameter die Strömung vergleichsweise einfach einstellbar ist. Eine Anbindung des Strömungsleitelements 11 an das Kühlmittelrohr 14 kann dabei in einfacher Weise stoffschlüssig, beispielsweise mittels Schweißen oder Löten, erfolgen, wobei auch ein Kleben oder eine sonstige mechanische Verbindung, beispielsweise ein Verclipsen oder Verpressen denkbar sind. Besonders letztere sind dabei vorteilhaft, da kein Wärmeintrag erfolgt und daher kein Verzug zu befürchten ist.
  • Betrachtet man schließlich noch die Fig. 5a bis 5c, so kann man bei diesen eine Strömungsleiteinrichtung 10 erkennen, die an einem Zuführstutzen 18 angeordnet ist. Das in den Zuführstutzen 18 eingesetzte Strömungsleitelement 11 kann dabei einen nahezu beliebigen Öffnungswinkel β sowie eine beliebige Orientierung aufweisen. Der Öffnungswinkel β ist hinsichtlich seiner Größe und Ausrichtung auf eine entsprechende Anwendung anzupassen, wobei der Öffnungswinkel β zwischen 90 und 310°, insbesondere zwischen 140° und 230° liegen kann. Zusätzlich kann das Strömungsleitelement 11 zusätzliche, nicht gezeigte Öffnungen zur gezielten Regulierung der Abströmung und der Menge des Kühlmittels 6 besitzen. Diese Öffnungen können auch als Schlitze und/oder Bohrungen ausgeführt sein. Insbesondere kann bei den gezeigten Ausführungsformen des Strömungsleitelementes 11 auch eine Richtungsänderung des Kühlmittelstroms 6 beim Eintritt in das Gehäuse 7 erzwungen werden, wobei die Richtungsänderung zwischen 0° < α < 90°, vorzugsweise zwischen 15° < α < 42° beträgt. Die Länge L des Strömungsleitelements 11 kann dabei 2mm < L < 30mm, insbesondere 2mm < L < 10mm betragen.
  • Mit der erfindungsgemäßen Strömungsleiteinrichtung 10 bzw. dem erfindungsgemäßen Strömungsleitelement 11 kurz auch "Baffle" genannt, kann eine gelenkte Kühlmittelströmung innerhalb des Gehäuses 7 erzwungen werden, wodurch insbesondere siedegefährdete Bereiche, wie beispielsweise der eingangsseitige Boden 4 besser gekühlt werden können. Durch die bessere Kühlung des Bodens 4 kann die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers 1 gesteigert werden. Durch den Umstand, dass die Strömungsleiteinrichtung 10 beispielsweise im Kühlmittelrohr 14 bzw. im Zuführstutzen 18 angeordnet ist, kann das Gehäuse 7 des Abgaswärmeübertragers 1 unverändert bleiben, so dass für die Herstellung weiterhin dieselben Werkzeuge verwendet werden können.

Claims (5)

  1. Abgaswärmeübertrager (1),
    - mit einem Rohrbündel (2) mit abgasführenden Rohren (3), wobei das Rohrbündel (2) eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils in einem Boden (4,5) gefasst ist,
    - mit einem, von einem Kühlmittel (6) durchströmten Gehäuse (7), welches das Rohrbündel (2) umschließt, stirnseitig durch die beiden Böden (4,5) begrenzt ist und einen Kühlmitteleinlass (8) und einen Kühlmittelauslass (9) aufweist,
    - wobei im Bereich des Kühlmitteleinlasses (8) eine Strömungsleiteinrichtung (10) vorgesehen ist, die das Kühlmittel (6) an siedegefährdete Stellen des Gehäuses (7), nämlich an den eingangsseitigen Boden (4), lenkt,
    - wobei die Strömungsleiteinrichtung (10) wenigstens ein Strömungsleitelement (11) aufweist,
    - wobei das wenigstens eine Strömungsleitelement (11) derart ausgebildet ist, dass es eine Richtungsänderung der Kühlmittelströmung (6) von ca. 0° < α < 90°, insbesondere von ca. 15° < α < 42°, erzwingt,
    - wobei die Strömungsleiteinrichtung (10) an einem Kühlmittelrohr (14) angeordnet ist, welches in den Kühlmitteleinlass (8) mündet, oder
    - wobei die Strömungsleiteinrichtung (10) an einem Zuführstutzen (18) angeordnet ist, der mit dem Kühlmitteleinlass (8) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das wenigstens eine Strömungsleitelement (11) elastisch verbiegbar und/oder schwenkbar ausgebildet ist,
    - dass das Strömungsleitelement (11) einseitig am Kühlmittelrohr (14) angebunden, in der Art eines Federblechs ausgebildet und strömungsimpulsabhängig zwischen einer ersten und zweiten Endstellung verstellbar ist, oder
    - dass das Strömungsleitelement (11) schwenkbar gelagert und mittels einer Feder (17) in eine erste Endstellung vorgespannt und in Abhängigkeit des Strömungsimpulses des Kühlmittels (6) entgegen der Feder (17) bis in eine zweite Endstellung verstellbar ist.
  2. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1, erste Alternative im Oberbegriff,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungsleiteinrichtung (10) einstückig mit dem Kühlmittelrohr (14) ausgebildet ist oder mit diesem verschweißt, verlötet oder verschraubt ist.
  3. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1, erste Alternative im Oberbegriff oder nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kühlmittelrohr (14) und die Strömungsleiteinrichtung (10) als metallisches Gussteil ausgebildet sind.
  4. Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Strömungsleiteinrichtung (10) wenigstens ein Strömungsleitelement (11) aufweist, welches rinnenförmig ausgebildet ist.
  5. Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das wenigstens eine Strömungsleitelement (11) eine Eingriffslänge von 2,0 mm < L < 30,0 mm, insbesondere eine Länge von ca. 2,0 mm < L < 10,0 mm, aufweist, über welche es in das Gehäuse (7) eingreift.
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