EP3108194B1 - Exhaust gas heat exchanger - Google Patents

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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
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EP
European Patent Office
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coolant
flow guide
flow
exhaust gas
housing
Prior art date
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EP15703771.4A
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EP3108194A1 (en
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Wolfgang Bucher
Jürgen Steimer
Jens Ruckwied
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Application filed by Mahle Behr GmbH and Co KG filed Critical Mahle Behr GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • 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
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    • 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
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    • 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
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an exhaust gas heat exchanger according to the preamble of claim 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.In modern internal combustion engines, a portion of the combustion exhaust gas is increasingly diverted in the exhaust manifold, mixed as ballast gas with fresh air sucked in and returned to the combustion chamber to increase the heat capacity of the fuel mixture and thus lower the combustion temperature. In order to reduce nitrogen oxide emissions, so-called 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.
  • 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.Conventional exhaust gas cooler sufficient mostly the operating principle of a Abgaswärmeübertragers, which transfers the heat removed from the combustion exhaust gas from the combustion chamber to a coolant. Since the streams are separated as such in the exhaust gas cooler or exhaust gas heat exchanger through a heat-permeable wall, corresponding devices are classified in the art as indirect exhaust gas heat exchanger, recuperators or heat exchangers.
  • 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.From the EP 2 559 962 A2 is known 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. For coolant supply and removal, a coolant inlet and a coolant outlet are provided.
  • Weitere in ähnlicher Weise aufgebaute Abgaswärmetauscher sind beispielsweise aus der US 2003/0010479 A1 sowie aus der CN 201884117 U bekannt.Other constructed in a similar manner exhaust gas heat exchangers are for example from US 2003/0010479 A1 as well as from the CN 201884117 U known.
  • 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.From the US 6,311,678 B1 is known an exhaust heat exchanger with a tube bundle with exhaust pipes, the tube bundle is taken on the input side and output side in each case in a soil. 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.
  • 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.From the WO 2013/164083 A1 is also known 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. In addition, 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. In the region of the coolant inlet, 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.
  • 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.From the JP 2013-053620 A , of the JP 11-013550 A as well as the DE 10 2010 012 192 A1 are known further exhaust gas heat exchanger. JP-A-2013053620 discloses an exhaust heat exchanger according to the preamble of claim 1. In the exhaust gas heat exchangers known from the prior art usually flows through a coolant straight into a housing in which a combustion exhaust gas transporting tube bundle is arranged and which is frontally limited by two floors. The inflowing coolant flows in a predetermined pipe direction into the housing and is distributed undefined. However, due to the undefined distribution of the coolant, it is possible for regions to flow through less well, in particular in the region of a bottom, so that there is the risk of local boiling, as a result of which the service life of the exhaust gas heat exchanger is reduced. Due to space can be 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. However, precisely at this input-side bottom, the hot combustion exhaust gas is introduced into the tube bundle, so that there is the danger of local boiling especially in this area.
  • 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.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.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • 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 oderThe 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. Upstream of the input-side bottom, a diffuser is usually provided, which supplies the hot exhaust gases emitted by the internal combustion engine. These hot combustion exhaust gases impinge directly on the input-side soil, which exposes it to extreme temperature loads. Therefore, according to the invention, 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
  • 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.aligned, that it causes a change in direction of the coolant flow of about 0 ° <α <90 °, in particular of about 15 ° <α <42 °. By the targeted inflow of the coolant in the exhaust gas heat exchanger not only a local boiling in the region of the input side soil can be avoided, but in addition also the temperature stress occurring there can be reduced, whereby the life of the exhaust gas heat exchanger can be increased. In comparison to an uncontrolled coolant flow, in which a significantly increased coolant flow is required for sufficient cooling of all local areas, the exhaust gas heat exchanger according to the invention can be cooled with significantly reduced coolant flow, whereby, for example, a pump capacity and a flow rate of coolant can be reduced.
  • 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.According to the invention, 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. In an alternative embodiment of the exhaust gas heat exchanger according to the invention 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. For the arrangement of 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.
  • 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.The flow guide may for example be formed integrally with the coolant tube or separately welded to this and with this, soldered or screwed. In particular, 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 Strömungsleiteinrichtung invention requires only a single conversion of the casting tool for the coolant pipe. In an alternative separate embodiment of the flow-guiding device and a subsequent connection thereof to the coolant tube, the manufacturing flexibility increases, so that coolant tubes for different exhaust-gas heat exchangers can be equipped with different flow-guiding devices.
  • 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.According to the invention, the flow-guiding device has at least one flow-guiding element, which is adjustable or pivotable. Such 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. In the last-known variant, the flow guide is pivotally mounted and biased by a spring in a first end position. As a function of the flow impulse of the coolant, the flow guide element is now adjustable against the spring force up to a second end position. Such a variable design offers the possibility of optimum flow of the input-side bottom with low coolant flow rates, as well as a limitation of the pressure loss at high coolant flow rates through the self-adjusting cross-sectional change and the yielding flow guide. It 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.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
  • 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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained not only in the combination specified, but can also be used in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
  • 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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
  • 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.
    Show, in each case schematically,
    Fig. 1
    a sectional view through an exhaust gas heat exchanger according to the invention,
    Fig. 2
    different sectional views and views of a coolant tube,
    Fig. 3
    different views or sections through a flow guide according to the invention,
    Fig. 4a
    a coolant tube with an adjustable flow guide in its first end position,
    Fig. 4b
    a representation like in Fig. 4a but with a flow element in its second end position,
    Fig. 5a to d
    different views of a feed with a flow guide.
  • 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.According to the Fig. 1 , 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. In addition, 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. In addition, the housing 7 has a coolant inlet 8 and a coolant outlet 9. According to the invention, 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. directs. Namely, the hot exhaust gases 12 originating from an internal combustion engine, not shown, which are supplied in front of the housing 7 or in front of the input-side floor 4 by means of a diffuser 13, meet on the input-side floor 4. For this reason, in particular the input-side bottom 4 is exposed to an extremely high temperature load and requires increased cooling. In an exhaust gas heat exchanger of the prior art, in which the flow guide 10 was not provided, the coolant 6 flowed comparatively quickly to the right and via the coolant outlet 9 again from the housing 7. As a result, an effective cooling of the input-side bottom 4 could not be achieved or only with a comparatively large coolant flow. However, insufficient cooling of the inlet-side bottom 4 reduces the service life of the entire exhaust gas heat exchanger 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.Looking at the Fig. 1 closer, it can be seen that 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.
  • 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.In general, 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. Alternatively, it is also conceivable that 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.
  • 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).Looking at the flow guide 10 and the associated flow guide 11 according to the Fig. 2 and 3 , it can be seen that in this case 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. Usually, 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 ).
  • 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.Looking at the flow guide 10 from the Fig. 4a and 4b , it can be seen that in this at least one flow guide 11 is adjustable or pivotable, here about an axis A pivotable. For adjusting the flow guide 11, for example, a not shown adjusting device may be used, which causes an active adjustment of the flow guide 11. Alternatively, it is also conceivable that the flow guide 11 is pivotally mounted and by means of a spring 17 in a first end position (see. Fig. 4a ) is biased. In this embodiment, 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.
  • 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.In a particularly preferred embodiment, 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.
  • 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.Finally, look at the Fig. 5a to 5c , so you can see in these a flow guide 10, which is arranged on a feed pipe 18. The flow guide element 11 inserted into the feed pipe 18 can have an almost arbitrary opening angle β and any desired orientation. The opening angle β is to be adapted in terms of its size and orientation to a corresponding application, wherein the opening angle β can be between 90 and 310 °, in particular between 140 ° and 230 °. In addition, 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. In particular, in the illustrated embodiments of the flow guide 11, 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 ° <α <90 °, preferably between 15 ° <α <42 °. The length L of the flow guide 11 may be 2mm <L <30mm, in particular 2mm <L <10mm.
  • 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.With the flow guide device 10 according to the invention or the flow guide element 11 according to the invention, also called "baffle", 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.

Claims (5)

  1. Exhaust gas transformer (1),
    - having a tube bundle (2) with exhaust gas-conducting tubes (3), wherein the tube bundle (2) is set in a base (4, 5) respectively on the input side and output side,
    - having a housing (7) through which a coolant (6) flows, said housing encloses the tube bundle (2), is delimited on the front end by the two bases (4, 5) and has a coolant inlet (8) and a coolant outlet (9),
    - wherein, in the region of the coolant inlet (8), a flow guide device (10) is provided which deflects the coolant (6) at points of the housing (7) at risk of boiling, namely at the input-side base (4),
    - wherein the flow guide device (10) has at least one flow guide element (11),
    - wherein the at least one flow guide element (11) is designed such that it forces a change of direction of the coolant flow (6) from approx. 0° < α < 90°, in particular from approx. 15° < α < 42°,
    - wherein the flow guide device (10) is arranged on a coolant tube (14), which opens into the coolant inlet (8), or
    - wherein the flow guide device (10) is arranged on a supply support (18), which is connected to the coolant inlet (8),
    characterised in that
    the at least one flow guide element (11) is designed so as to be elastically bendable and/or pivotable,
    - the flow guide element (11) is connected on one side to the coolant tube (14), is designed in the manner of a spring sheet and is adjustable between a first and a second end position depending on the flow pulse, or
    - the flow guide element (11) is pivotably mounted and is pre-tensioned by means of a spring (17) into a first end position and is adjustable as a function of the flow pulse of the coolant (6) counter to the spring (17) until reaching a second end position.
  2. Exhaust gas transformer according to claim 1, first alternative in the preamble,
    characterised in that
    the flow guide device (10) is designed integrally with the coolant tube (14) or is welded, soldered or screwed therewith.
  3. Exhaust gas transformer according to claim 1, first alternative in the preamble or according to claim 2,
    characterised in that
    the coolant tube (14) and the flow guide device (10) are designed as a metallic cast part.
  4. Exhaust gas transformer according to any one of the preceding claims,
    characterised in that
    the flow guide device (10) has at least one flow guide element (11) which is designed in a channel shape.
  5. Exhaust gas transformer according to any one of the preceding claims,
    characterised in that
    the at least one flow guide element (11) has an engagement length of 2.0 mm < L < 30.0 mm, in particular a length of approx. 2.0 mm < L < 10.0 mm, via which it engages into the housing (7).
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