EP3203173B1 - Abgaswärmeübertrager - Google Patents

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EP3203173B1
EP3203173B1 EP17151774.1A EP17151774A EP3203173B1 EP 3203173 B1 EP3203173 B1 EP 3203173B1 EP 17151774 A EP17151774 A EP 17151774A EP 3203173 B1 EP3203173 B1 EP 3203173B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
heat transfer
heat exchanger
bypass channel
gas heat
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Not-in-force
Application number
EP17151774.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3203173A1 (de
Inventor
Pramod Barhate
Simon HUND
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
Publication of EP3203173A1 publication Critical patent/EP3203173A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3203173B1 publication Critical patent/EP3203173B1/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
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas heat exchanger with a heat exchanger region and a bypass channel bypassing it according to the preamble of claim 1.
  • a bypass channel is usually used in conventional exhaust gas heat exchangers. This is partly housed in the exhaust gas heat exchanger, but partly also mounted externally thereto.
  • the bypass channel has hitherto been designed as a single tube with surrounding knitwear or as a double tube, whereby a thermal insulation is to be achieved.
  • the hot exhaust gas can bypass the cooling path during the cold start process and thereby bring the internal combustion engine and downstream oxidation catalysts to their operating temperature more quickly.
  • a heat exchanger with flow channels which can be traversed by a common first outlet to a common first outlet of a first fluid.
  • the heat exchanger also has a housing which receives the flow channels in itself and flows through by a second fluid from a second inlet region to a second outlet region.
  • the flow channels have a flat cross-section and are in fluid communication with each other.
  • a heat exchanger which comprises a bypass channel for guiding an exhaust gas and / or a charge air in a tubular body.
  • a bypass channel for guiding an exhaust gas and / or a charge air in a tubular body.
  • this is isolated by a fiber material relative to the heat exchanger.
  • an exhaust heat exchanger for transferring heat between the exhaust gas of an internal combustion engine and a coolant which has a housing, an exhaust gas inlet opening and an exhaust gas outlet opening and a heat transfer area encloses.
  • a through-flow of at least a partial flow of the exhaust gas bypass is integrated, which is thermally insulated from the coolant, wherein the bypass is double-walled.
  • DE-A-10346250 discloses an exhaust gas heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing an improved or at least one alternative embodiment for an exhaust gas heat exchanger of the generic type, which is characterized in particular by an increased performance.
  • the present invention is based on the general idea, in a known per se exhaust gas heat exchanger with a heat exchanger region and a bypass channel bypassing them now for the first time instead of previously used in the heat exchanger region tube bundle heat exchanger now use stacked disc cooler.
  • the exhaust gas heat exchanger according to the invention also has a bypass valve which, depending on the position, divides an incoming exhaust gas flow between the heat exchanger region and thus the stacked plate radiator and the bypass duct arranged there.
  • the stacked-plate radiator is arranged according to the invention with a plurality of stacking disks, the bypass duct being attached, in particular soldered, to an outer, in particular an uppermost, stacking disk of the stacked-disk radiator.
  • the exhaust gas heat exchanger according to the invention has a significantly increased performance, which can not be achieved with conventional tube bundle coolers.
  • the exhaust gas heat exchanger according to the invention has no housing in which the bypass channel is integrated, but this is simply soldered to the outside, that is the top or bottom stacking disk.
  • the bypass channel according to the invention is coupled on three sides with the environment and not with the heat exchanger area, which in itself a significantly improved energy decoupling can be created to heat exchanger area, as in previously known from the prior art exhaust gas heat exchangers with integrated tube bundle cooler in a housing and bypass channel was even possible.
  • a U-profile connected to the outer stacking disk which forms the bypass channel together with the outer stacking disk.
  • Such a U-profile can be produced relatively cheaply a pipe, whereby the exhaust gas heat exchanger can be structurally simple in construction and manufactured inexpensively.
  • bypass channel and the stacked disc radiator are connected to the end in a diffuser or a flange, or in particular soldered thereto.
  • turbulence inserts in particular rib or lattice structures, are arranged between the individual stack disks.
  • a turbulence insert can be a heat transfer significantly improved turbulent Flow of the coolant can be generated, whereby the performance of the Abgasebenstedtragers can be increased.
  • each stacking disk of the stacked disk cooler is composed of a first and a second element.
  • the first element may for example be U-shaped and have pronounced inner ribs, while the second element is trough-shaped with a tub bottom and tub edges.
  • the inner ribs lie on the tub bottom and are in particular connected to these, for example soldered. Due to the multi-part construction of each stacking disk in particular their production is simpler and thereby cheaper possible.
  • the present invention is further based on the general idea of equipping an internal combustion engine with at least one such exhaust heat exchanger, which can be achieved faster at cold start their operating temperature, as well as, for example, the internal combustion engine downstream oxidation catalysts, whereby the nitrogen oxide emissions and fuel consumption can be reduced ,
  • an exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention has a heat exchanger region 2 and a bypass channel 3 bypassing this heat exchanger region 2.
  • a bypass valve 4 is provided, which in the present case is designed as a flap valve, and which, according to position, divides the exhaust gas stream 5 between the heat exchanger region 2 and the bypass channel 3.
  • a Stapelaminkühler 6 is arranged with a plurality of stacking disks 7, wherein the Bypass channel 3 attached to an outer stacking disk 7 'of the stacked disk cooler 6, in particular soldered.
  • the great advantage of the Abgastageübertragers invention lies in the fact that the bypass duct 3 is not as in the prior art known and a tube bundle having exhaust gas heat exchanger enclosed by a housing and thus flows around coolant, but connected to one side of the stacked disc cooler 6 and is surrounded by the ambient air around the other three sides.
  • This makes it possible to significantly shorten a cold start phase of an internal combustion engine 8, since the exhaust gas stream 5 flowing through the bypass channel 3 is not cooled by the stack disc radiator 6 and thereby both the internal combustion engine 8 and downstream oxidation catalysts can be brought to operating temperature more quickly. By quickly reaching the operating temperature can be in the internal combustion engine 8, both the consumption of fuel and the emission of nitrogen oxides reduced.
  • the exhaust gas heat exchanger 1 has a lateral coolant inlet 9 and a lateral coolant outlet 10, via which the exhaust gas heat exchanger 1 is connected to a coolant circuit.
  • the coolant inlet 9 or the coolant outlet 10 can also be arranged in reverse (countercurrent cooler).
  • both the bypass channel 3 and the stack disc cooler 6 are longitudinally connected in a diffuser 11 or generally to a flange 12 or connected, in particular soldered to this, are.
  • a housing as previously known from the prior art exhaust gas heat exchanger, the exhaust gas heat exchanger 1 according to the invention does not have, thereby saving this component and thus not only the assembly costs, but also the storage and logistics and material costs can be reduced.
  • the cooler designed as a stacked disc cooler 6 is much more powerful than previously used in this area tube bundle cooler.
  • bypass channel 3 is formed by a simple tube 13.
  • This tube 13 may be formed, for example, as a sheet metal tube or as an extruded profile and thereby manufactured comparatively inexpensive.
  • the bypass channel 3 designed as a pipe 13 is connected via spacer elements 14 to the outer stacking disk 7 'of the stack disk cooler 6, so that between the bypass channel 3 and the outermost stacking disk 7 'of the stacked disk cooler 6, a heat-insulating air gap 15 remains.
  • each stacking disk 7, 7 ' is composed of a first and a second element 21, 22.
  • the first element 21 may for example be U-shaped and have pronounced inner ribs 23, while the second element 22 is trough-shaped, with a tub bottom 24 and tub edges 25, with mounted stacking disk 7, 7 'the inner ribs 23 abut the tub bottom 24 and in particular connected to this, for example soldered, are.
  • a particularly rigid stacked disc cooler 6 can be achieved.
  • the individual stacking disks 7, 7 'together exhaust channels 26 and coolant channels 27.
  • turbulence inserts 28, in particular ribs or lattice structures may be arranged, which generate a turbulent flow and thus improve the heat transfer.
  • bypass channel 3 is formed by a stacking disk 7,7 '.
  • This stacking disk is preferably formed identically to the other stacking disks 7, whereby the variety of parts is reduced.
  • FIGS. 16 and 17 it can be seen that the bypass channel 3 is formed by the two uppermost stacking disks 7, 7 '.
  • no turbulence inserts 28 are arranged in the bypass channel 3 formed by the stacking disks 7, 7 ', so that a throughflow without or with only a slight pressure drop is possible.
  • the surrounding coolant channels 27 are not flowed through by coolant, whereby a heat-insulating air gap 15 remains here as well. This can be achieved by blocking an input of the respective coolant channels 27.
  • the advantage of this solution is the reduced variety of parts. Due to the higher number of stacking disks 7, 7 ', their unit price can be reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerbereich und einem diesen umgehenden Bypasskanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Um bei einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine ebenfalls eine Abgasrückführung vornehmen zu können, wird bei herkömmlichen Abgaswärmeübertragern üblicherweise ein Bypasskanal eingesetzt. Dieser wird teilweise im Abgaswärmeübertrager untergebracht, teilweise aber auch extern dazu montiert. Der Bypasskanal ist bislang als Einzelrohr mit umliegendem Gestrick oder als Doppelrohr ausgeführt, wodurch eine thermische Isolierung erreicht werden soll. Hierdurch kann das heiße Abgas beim Kaltstartvorgang die Kühlstrecke umgehen und dadurch die Brennkraftmaschine und nachgeschaltete Oxidationskatalysatoren schneller auf ihre Betriebstemperatur bringen. Hierdurch lässt sich insbesondere auch die beim Kaltstart noch vergleichsweise hohe Stickoxidemission schnell reduzieren und der Kraftstoffverbrauch durch eine schnellere Aufheizung der Brennkraftmaschine schneller senken.
  • Aus der zum Anmeldezeitpunkt noch nicht veröffentlichten DE 10 2014 222 158 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerbereich sowie einem diesen umgehenden Bypasskanal bekannt. Ebenfalls weist der bekannte Wärmeübertrager ein Bypassventil auf, welches je nach Stellung einen eintretenden Abgasstrom zwischen dem Wärmeübertragerbereich und dem Bypasskanal aufteilt.
  • Aus der DE 10 2006 033 313 A1 ist ein Wärmeübertrager mit Strömungskanälen bekannt, welche von einem gemeinsamen ersten Eintritt bis zu einem gemeinsamen ersten Austritt von einem ersten Fluid durchströmbar sind. Der Wärmeübertrager besitzt darüber hinaus ein Gehäuse, das die Strömungskanäle in sich aufnimmt und von einem zweiten Fluid von einem zweiten Eintrittsbereich bis zu einem zweiten Austrittsbereich durchströmt wird. Die Strömungskanäle weisen dabei einen flachen Querschnitt auf und stehen untereinander in Strömungsverbindung.
  • Aus der DE 10 2008 014 170 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt, der einen Bypasskanal zur Führung eines Abgases und/oder einer Ladeluft in einem Rohrkörper umfasst. Um dabei einen unerwünschten Wärmeübertrager zwischen dem Bypasskanal und dem Wärmetauscher reduzieren zu können, ist dieser über ein Fasermaterial gegenüber dem Wärmetauscher isoliert.
  • Aus der DE 101 42 539 A1 ist ebenfalls ein Abgaswärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Abgas einer Brennkraftmaschine und einem Kühlmittel bekannt, der ein Gehäuse aufweist, eine Abgaseintrittsöffnung und eine Abgasaustrittsöffnung und einen Wärmeübertragungsbereich umschließt. Im Gehäuse ist dabei ein von zumindest einem Teilstrom des Abgases durchströmbarer Bypass integriert, der gegenüber dem Kühlmittel thermisch isoliert ist, wobei der Bypass doppelwandig ausgebildet ist. DE-A-10346250 offenbart einen Abgaswärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Generell besteht bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgaswärmeübertragern mit integriertem Bypasskanal das Problem, das diese den stetig steigenden Leistungsanforderungen an den Wärmeübertrag nicht mehr gerecht werden.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgaswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Leistung auszeichnet.
  • 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, bei einem an sich bekannten Abgaswärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerbereich und einem diesen umgehenden Bypasskanal erstmals anstelle von bisher in dem Wärmeübertragerbereich eingesetzten Rohrbündel-Wärmeübertrager nun Stapelscheibenkühler einzusetzen. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager besitzt darüber hinaus ein Bypassventil, welches je nach Stellung einen eintretenden Abgasstrom zwischen dem Wärmeübertragerbereich und damit dem erfindungsgemäß dort angeordneten Stapelscheibenkühler und dem Bypasskanal aufteilt. In dem Wärmeübertragerbereich ist dabei wie erwähnt, erfindungsgemäß der Stapelscheibenkühler mit mehreren Stapelscheiben angeordnet, wobei der Bypasskanal an eine äußere, insbesondere eine oberste, Stapelscheibe des Stapelscheibenkühlers angebracht, insbesondere angelötet ist. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager besitzt eine deutlich erhöhte Leistung, die mit herkömmlichen Rohrbündelkühlern nicht zu erreichen ist. Im Gegensatz zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Rohrbündel-Wärmeübertragern, besitzt der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager kein Gehäuse, in welches der Bypasskanal integriert ist, sondern dieser wird einfach außen an die äußere, das heißt die oberste bzw. unterste Stapelscheibe angelötet. Hierdurch ist der erfindungsgemäße Bypasskanal an drei Seiten mit der Umgebung und nicht mit dem Wärmeübertragerbereich gekoppelt, wodurch an sich schon eine deutlich verbesserte energetische Entkopplung zum Wärmeübertragerbereich geschaffen werden kann, als dies bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Abgaswärmeübertragern mit in einem Gehäuse integrierten Rohrbündelkühler und Bypasskanal überhaupt möglich war.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein mit der äußeren Stapelscheibe verbundenes U-Profil vorgesehen, welches zusammen mit der äußeren Stapelscheibe den Bypasskanal bildet. Ein derartiges U-Profil lässt sich einem Rohr vergleichsweise kostengünstig herstellen, wodurch der Abgaswärmeübertrager an sich konstruktiv einfach aufgebaut und kostengünstig gefertigt werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind der Bypasskanal und der Stapelscheibenkühler endseitig in einen Diffusor oder einen Flansch an- oder eingebunden, insbesondere mit diesem verlötet.
  • Hierdurch kann eine längsendseitige Fassung sowohl des Bypasskanals als auch der einzelnen Stapelscheiben des Stapelscheibenkühlers vergleichsweise einfach bewerkstelligt werden, wobei der gesamte Stapelscheibenkühler mit Bypasskanal und Diffusor bzw. Flansch beispielsweise vorgefertigt und anschließend in einem Lötofen verlötet werden kann.
  • Zweckmäßig sind zwischen den einzelnen Stapelscheiben Turbulenzeinlagen, insbesondere Rippen- oder Gitterstrukturen, angeordnet. Durch eine derartige Turbulenzeinlage kann eine den Wärmeübertrag deutlich verbesserte turbulente Strömung des Kühlmittels erzeugt werden, wodurch die Leistung des Abgaswärmeübertragers gesteigert werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist jede Stapelscheibe des Stapelscheibenkühlers aus einem ersten und einem zweiten Element zusammengesetzt. Das erste Element kann dabei beispielsweise U-förmig ausgebildet sein und ausgeprägte Innenrippen aufweisen, während das zweite Element wannenförmig mit einem Wannenboden und Wannenrändern ausgebildet ist. Bei montiertem Stapelscheiben liegen dabei die Innenrippen am Wannenboden an und sind insbesondere mit diesen verbunden, beispielsweise verlötet. Durch den mehrteiligen Aufbau jeder Stapelscheibe ist insbesondere deren Fertigung einfacher und dadurch auch kostengünstiger möglich.
  • Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Abgaswärmeübertrager auszustatten, wodurch erreicht werden kann, dass diese beim Kaltstart schneller ihre Betriebstemperatur erreicht, ebenso wie beispielsweise der Brennkraftmaschine nachgeschaltete Oxidationskatalysatoren, wodurch die Stickoxidemissionen und der Kraftstoffverbrauch reduziert werden können.
  • 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.
  • Dabei zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager in einer Seitenansicht,
    Fig. 2
    eine Darstellung wie in Fig. 1, jedoch bei einer anderen Seitenansicht,
    Fig. 3
    unterschiedliche Darstellungen eines als doppelwandigen Rohrs ausgebildeten Bypasskanals,
    Fig. 4
    eine Seitenansicht auf einen Abgaswärmeübertrager mit dem gemäß der Fig. 3 gezeigten Bypasskanal,
    Fig. 5
    eine Schnittdarstellung durch den Abgaswärmeübertrager gemäß der Fig. 4 entlang der Schnittebene B-B,
    Fig. 6
    eine weitere mögliche Ausführungsform eines Bypasskanals, diesmal als U-Profil,
    Fig. 7
    eine Seitenansicht auf den Abgaswärmeübertrager mit demgemäß der Fig. 6 gezeigten Bypasskanal,
    Fig. 8
    eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene D-D aus Fig. 7,
    Fig. 9
    eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bypasskanals,
    Fig. 10
    eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher mit demgemäß der Fig. 9 ausgebildeten Bypasskanal,
    Fig. 11
    eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene F-F aus Fig. 10,
    Fig. 12
    einen als Rohr ausgebildeten Bypasskanal,
    Fig. 13
    eine Seitenansicht auf einen Abgaswärmeübertrager mit demgemäß der Fig. 12 dargestellten Bypasskanal,
    Fig. 14
    eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene H-H aus Fig. 13,
    Fig. 15
    einen als Stapelscheibe ausgebildeten Bypasskanal,
    Fig. 16
    eine Seitenansicht auf einen Abgaswärmeübertrager mit demgemäß der Fig. 15 dargestellten Bypasskanal,
    Fig. 17
    eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene I-I aus Fig. 16.
  • Nur die Ausführung gemäß den Figuren 9-11 entspricht die Erfindung. Die übrigen Ausführungen gemäß den Figuren 3-8 und 12-17 sind Beispiele die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind. Entsprechend den Fig. 1, 2, und 9-11, weist ein erfindungsgemäßer Abgaswärmeübertrager 1 einen Wärmeübertragerbereich 2 sowie einen diesen Wärmeübertragerbereich 2 umgehenden Bypasskanal 3 auf. Darüber hinaus vorgesehen ist ein Bypassventil 4, welches im vorliegenden Fall als Klappenventil ausgebildet ist, und welches ja nach Stellung den Abgasstrom 5 zwischen dem Wärmeübertragerbereich 2 und dem Bypasskanal 3 aufteilt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in dem Wärmeübertragerbereich 2 ein Stapelscheibenkühler 6 mit mehreren Stapelscheiben 7 angeordnet ist, wobei der Bypasskanal 3 an eine äußere Stapelscheibe 7' des Stapelscheibenkühlers 6 angebracht, insbesondere angelötet ist.
  • Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers liegt dabei darin, dass der Bypasskanal 3 nicht wie bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten und einen Rohrbündelkühler aufweisenden Abgaswärmeübertrager von einem Gehäuse umschlossen und damit von Kühlmittel umströmt ist, sondern mit einer Seite an den Stapelscheibenkühler 6 angebunden und mit den drei übrigen Seiten von der Umgebungsluft umströmt ist. Hierdurch ist es möglich, eine Kaltstartphase einer Brennkraftmaschine 8 deutlich zu verkürzen, da der durch den Bypasskanal 3 strömende Abgasstrom 5 nicht durch den Stapelscheibenkühler 6 gekühlt wird und dadurch sowohl die Brennkraftmaschine 8 als auch nachgeordnete Oxidationskatalysatoren schneller auf Betriebstemperatur bringen kann. Durch das schnelle Erreichen der Betriebstemperatur lassen sich in der Brennkraftmaschine 8 sowohl der Verbrauch an Kraftstoff als auch der Ausstoß an Stickoxiden reduzieren.
  • Betrachtet man die Abgaswärmeübertrager 1, so kann man erkennen, dass diese einen seitlichen Kühlmitteleinlass 9 sowie einen seitlichen Kühlmittelauslass 10 aufweisen, über welche der Abgaswärmeübertrager 1 mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Selbstverständlich kann der Kühlmitteleinlass 9 bzw. der Kühlmittelauslass 10 auch umgekehrt angeordnet sein (Gegenstromkühler).
  • Betrachtet man die Fig. 1, 2, 4, 7, 10 und 13 weiter, so kann man erkennen, dass sowohl der Bypasskanal 3 als auch der Stapelscheibenkühler 6 längsendseitig in einen Diffusor 11 oder generell an einen Flansch 12 eingebunden bzw. angebunden, insbesondere mit diesem verlötet, sind. Ein Gehäuse wie bisher aus dem Stand der Technik bekannte Abgaswärmeübertrager, weist der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager 1 nicht auf, wodurch dieses Bauteil eingespart und damit nicht nur die Montagekosten, sondern auch die Lager- und Logistik- sowie die Materialkosten reduziert werden können. Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 ist darüber hinaus, dass der als Stapelscheibenkühler 6 ausgebildete Kühler deutlich leistungsstärker ist, als bisher in diesem Bereich eingesetzte Rohrbündelkühler.
  • Betrachtet man nunmehr den Bypasskanal 3 gemäß der Figur 12, so kann man erkennen, dass dieser durch ein einfaches Rohr 13 gebildet ist. Dieses Rohr 13 kann dabei beispielsweise als Blechrohr oder als Strangpressprofil ausgebildet sein und dadurch vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. Um zwischen dem Stapelscheibenkühler 6 und dem Bypasskanal 3 einen Wärmeübertrag möglichst reduzieren zu können, kann dabei vorgesehen sein, dass der als Rohr 13 ausgebildete Bypasskanal 3 über Abstandselemente 14 an der äußeren Stapelscheibe 7' des Stapelscheibenkühlers 6 angebunden ist, so dass zwischen dem Bypasskanal 3 und der äußersten Stapelscheibe 7' des Stapelscheibenkühlers 6 ein wärmeisolierender Luftspalt 15 verbleibt. Selbstverständlich ist auch eine vollflächige Verlötung des als Rohr 13 ausgebildeten Bypasskanals 3 mit der äußersten Stapelscheibe 7' des Stapelscheibenkühlers 6 denkbar. Ebenso denkbar ist, dass das Rohr 13 als doppelwandiges Rohr 16 (vergleiche Fig. 3) ausgebildet ist, wodurch ebenfalls ein wärmeisolierender Luftspalt 15 zwischen einem inneren Rohr 17 und einem äußeren Rohr 18 des doppelwandigen Rohres 16 verbleibt. Betrachtet man den Bypasskanal 3 gemäß den Fig. 6 bis 8, so kann man erkennen, dass dieser in diesem Fall durch ein U-Profil 19 gebildet ist, welches mit der äußeren Stapelscheibe 7' verbunden ist (vergleiche insbesondere die Schnittdarstellung D-D in Fig. 8). Ein ähnliches U-Profil 19 weist auch der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager 1 gemäß den Fig. 9 bis 11 auf, wobei in diesem Fall das U-Profil 19 noch kleine Stege 20 an seinen U-Schenkeln aufweist, um beispielsweise eine verbesserte Lötfläche zur äußeren Stapelscheibe 7' bilden zu können.
  • Betrachtet man die Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 gemäß den Fig. 5, 8, 11 und 14, so kann man erkennen, dass jede Stapelscheibe 7, 7' aus einem ersten und zweiten Element 21, 22 zusammengesetzt ist. Das erste Element 21 kann dabei beispielsweise U-förmig ausgebildet sein und ausgeprägte Innenrippen 23 aufweisen, während das zweite Element 22 wannenförmig ausgebildet ist, mit einem Wannenboden 24 und Wannenrändern 25, wobei bei montierter Stapelscheibe 7, 7' die Innenrippen 23 am Wannenboden 24 anliegen und insbesondere mit diesem verbunden, beispielsweise verlötet, sind. Hierdurch kann ein besonders steifer Stapelscheibenkühler 6 erreicht werden. In aufeinander gestapelter Weise bilden die einzelnen Stapelscheiben 7, 7' miteinander Abgaskanäle 26 sowie Kühlmittelkanäle 27. Insbesondere in den Kühlmittelkanälen 27 können dabei Turbulenzeinlagen 28, insbesondere Rippen- oder Gitterstrukturen, angeordnet sein, die eine turbulente Strömung erzeugen und damit den Wärmeübertrag verbessern.
  • Betrachtet man nunmehr den Bypasskanal 3 gemäß der Figur 15, so kann man erkennen, dass dieser durch eine Stapelscheibe 7,7' gebildet ist. Diese Stapelscheibe ist dabei vorzugsweise identisch zu den anderen Stapelscheiben 7 ausgebildet, wodurch sich die Teilevielfalt reduziert. Gemäß den Fig. 16 und 17 kann man erkennen, dass der Bypasskanal 3 durch die beiden obersten Stapelscheiben 7,7' gebildet wird. Im Unterschied zu den benachbarten Stapelscheiben 7 des Wärmeübertragerbereichs 2 sind in dem durch die Stapelscheiben 7,7' gebildeten Bypasskanal 3 keine Turbulenzeinlagen 28 angeordnet, so dass eine Durchströmung ohne oder mir nur geringem Druckabfall möglich ist. Die umliegenden Kühlmittelkanäle 27 nicht von Kühlmittel durchströmt sind, wodurch auch hier ein wärmeisolierender Luftspalt 15 verbleibt. Dies kann durch ein Blockieren eines Eingangs der jeweiligen Kühlmittelkanäle 27 erreicht werden. Vorteil dieser Lösung ist die reduzierte Teilevielfalt. Durch die höhere Anzahl an Stapelscheiben 7, 7' kann deren Stückpreis reduziert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 wird erstmals von dem langjährig angewandten Prinzip, Abgaswärmeübertrager ausschließlich mit Rohrbündelkühler auszustatten, abgewichen, und zwar derart, dass nun erstmals Stapelscheibenkühler 6 eingebaut werden. An diese Stapelscheibenkühler 6 wird an die äußer(st)e Stapelscheibe 7' der Bypasskanal 3 angebunden, wodurch mit dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 auch ein Umgehung des Stapelscheibenkühlers 6 und damit eine schnellere Aufheizung von Katalysatoren bzw. einer Brennkraftmaschine 8 möglich sind. Durch die im Vergleich zu einem Rohrbündelkühler deutlich erhöhte Kühlleistung des Stapelscheibenkühlers 6 ist es darüber hinaus möglich, den Abgaswärmeübertrager 1 bei gleichen Abmessungen leistungsstärker auszubilden oder aber bei gleicher gewünschter Leistung kleiner zu gestalten.

Claims (6)

  1. Abgaswärmeübertrager (1)
    - mit einem Wärmeübertragerbereich (2),
    - mit einem den Wärmeübertragerbereich (2) umgehenden Bypasskanal (3),
    - mit einem Bypassventil (4), welches je nach Stellung einen Abgasstrom (5) zwischen dem Wärmeübertragerbereich (2) und dem Bypasskanal (3) aufteilt,
    - wobei in dem Wärmeübertragerbereich (2) ein Stapelscheibenkühler (6) mit mehreren Stapelscheiben (7, 7') angeordnet ist,
    und der Bypasskanal (3) an eine äußere Stapelscheibe (7') des Stapelscheibenkühlers (6) angebracht, insbesondere angelötet ist, dadurch gekennzeichnet,
    - dass ein mit der äußeren Stapelscheibe (7') verbundenes U-Profil (19) vorgesehen ist, welche zusammen den Bypasskanal (3) bilden, wobei das U-Profil (19) kleine Stege (20) an seinen U-Schenkeln aufweist, um eine verbesserte Lötfläche zur äußeren Stapelscheibe (7') bilden zu können.
  2. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
    dass der Bypasskanal (3) und der Stapelscheibenkühler (6) längsendseitig in einen Diffusor (11) eingebunden oder an einen Flansch (12) angebunden, insbesondere mit diesem verlötet, sind.
  3. Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen einzelnen Stapelscheiben (7,7') Turbulenzeinlagen (28), insbesondere Rippen- oder Gitterstrukturen, angeordnet sind.
  4. Abgaswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass jede Stapelscheibe (7,7') aus einem ersten und einem zweiten Element (21,22) zusammengesetzt ist.
  5. Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
    - dass das erste Element (21) U-förmig ausgebildet ist und ausgeprägte Innenrippen (23) aufweist,
    - dass das zweite Element (22) wannenförmig mit einem Wannenboden (24) und Wannenrändern (25) ausgebildet ist, wobei bei montierter Stapelscheibe (7,7') die Innenrippen (23) am Wannenboden (24) anliegen und insbesondere mit diesem verbunden, beispielsweise verlötet, sind.
  6. Brennkraftmaschine (8) mit zumindest einem Abgaswärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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