WO2009089885A1 - Vorrichtung zum austausch von wärme und kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2009089885A1
WO2009089885A1 PCT/EP2008/010662 EP2008010662W WO2009089885A1 WO 2009089885 A1 WO2009089885 A1 WO 2009089885A1 EP 2008010662 W EP2008010662 W EP 2008010662W WO 2009089885 A1 WO2009089885 A1 WO 2009089885A1
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coolant
exhaust gas
channels
channel
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PCT/EP2008/010662
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Johannes Diem
Eberhard Pantow
Ulrich Maucher
Peter Geskes
Martin KÄMMERER
Klaus Irmler
Jens Holdenried
Michael Schmidt
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Behr Gmbh & Co. Kg
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    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a device for exchanging heat.
  • the invention relates to a motor vehicle with such a device.
  • a heat energy recovery from exhaust gases of an internal combustion engine attained a steadily increasing importance in the field of automotive engineering.
  • the recovery of heat energy by means of exhaust gas evaporator continues into the focus in order to achieve an increase in efficiency in terms of the operation of the internal combustion engine.
  • heat is removed from the exhaust gas, which is supplied to a cooling or refrigerant, which is usually vaporized.
  • the heat energy extracted from the exhaust gas can be used for a downstream Clausius-Rankine process, for example.
  • this document is concerned with document DE 601 23 987 T2, in which a Rankine cycle system is described in connection with an internal combustion engine, in which a high-temperature and high-pressure steam can be generated using an evaporator by means of heat energy of an exhaust gas of the internal combustion engine ,
  • BEST ⁇ T1GUNGSKOPIE It is an object of the present invention to build a device for exchanging heat in a particularly compact and efficient manner, in particular with regard to use in a motor vehicle.
  • the object of the invention is achieved by a device for exchanging heat with the features of patent claim 1 and by a motor vehicle having the features of patent claim 14.
  • the basic idea of the invention is to guide a serpentine in a disk heat exchanger of one of the participating media within one of the stacked planes.
  • the present exhaust gas evaporator is configured in a so-called sandwich construction, in which exhaust gas levels anddemit- telebenen are arranged alternately directly next to each other, the exhaust gas planes can contact the coolant planes over a large area, so that a heat energy transfer from the exhaust gases to the coolant particularly fast and can be done effectively.
  • a first flow space has a first flow path with flow path sections for the first medium which can be flowed through in succession in opposite directions. loading
  • the flow path sections are preferably separated from one another by a partition wall arranged between the at least two panes of the at least one pair of panes.
  • An embodiment is preferred in which two flow path sections which can be flowed through immediately one after the other are connected to one another via a deflection section.
  • the deflection is formed by a recess, particularly advantageously a breakthrough in the partition.
  • the deflecting section is formed by a gap remaining between the dividing wall and a lateral boundary of the first flow space, particularly advantageously the disk pair.
  • the two or more partitions are formed by an additional disk arranged between the at least two disks of the at least one pair of disks and designed in particular as a corrugated metal sheet.
  • At least one flow path section has one, two or more than two flow channels through which flow is possible in parallel.
  • at least two of the flow channels of the at least one flow path section are connected to one another via the deflection section.
  • an embodiment in which the flow channels are closed at their end faces advantageously by limiting the first flow space, particularly advantageous by one or both discs of the disc pair.
  • a preferred embodiment is one in which a first deflection section adjoins a second flow channel on a first partition wall of a first flow channel on a first end side of the first flow channel and a second deflection section on a second partition wall of the first flow channel on a second end face of the first flow channel opposite the first end side are arranged to one of the second flow channel different third flow channel.
  • flow channels together with the deflection channels form a single serpentine-like meandering flow path through the first flow space.
  • the second flow space has a larger flow cross section than a flow path section of the flow path in the first flow space, in particular a larger flow cross section than the first flow space.
  • Such an embodiment is designed in particular for operation with a liquid, optionally evaporating first medium and a gaseous second medium.
  • the device according to the invention is used in a motor vehicle with an internal combustion engine, an exhaust pipe and advantageous for the exchange of heat between a coolant, in particular a cooling circuit of the engine and the exhaust gas or between a Refrigerant refrigerant circuit of an air conditioner and the exhaust gas, wherein the coolant or the refrigerant is evaporated in particular in the device used.
  • the exhaust gas is preferably the second medium.
  • the first flow channels are preferably arranged substantially vertically, particularly preferably substantially perpendicular to a stationary surface of the motor vehicle.
  • exhaust system is understood to mean any components through which exhaust gases of an internal combustion engine are routed after the internal combustion engine has left the engine.
  • exhaust system also encompasses components of an exhaust gas recirculation system.
  • the exhaust gas evaporator described here may be advantageously integrated.
  • coolant describes any vaporizable working medium by means of which heat energy can be absorbed and transported in sufficient quantity, in particular water, which can also be present as water vapor, is particularly suitable for this purpose.
  • the coolant levels can be connected in parallel be so that it is ensured that all coolant levels are independently supplied with coolant. It is also possible that one or more coolant levels are connected in series with each other.
  • the exhaust gas planes and the coolant planes advantageously abut one another directly with their respective broad sides, or the exhaust gas planes and the coolant planes are arranged delimited from one another only by a highly heat-conducting separating device.
  • each of the coolant levels is enclosed on both sides by a respective exhaust gas level, so that the coolant levels are always heated or heated from two sides.
  • the cooling means can be guided particularly advantageously along and in the coolant plane if a plurality of mutually parallel coolant channels, such as flow channels, are arranged in each of the coolant planes.
  • a plurality of mutually parallel coolant channels such as flow channels
  • long, narrow coolant channels can be advantageously provided, in which the coolant can quickly heat up.
  • the exhaust gases are also arranged in the exhaust gas level for a plurality of mutually parallel exhaust gas ducts.
  • these exhaust ducts may extend linearly through the exhaust gas evaporator with respect to their end faces from an exhaust gas evaporator inlet side to an exhaust gas evaporator outlet side.
  • the exhaust ducts are each open at their end faces, so that the exhaust gases can flow into the exhaust ducts via openings in the end faces and can flow out again.
  • a plurality of exhaust gas channels in the exhaust gas plane is preferably arranged next to one another, so that a plurality of exhaust gas channels are arranged between a first side region and a second side region.
  • the exhaust gases can be passed over a wide area in the plurality of exhaust passages in a first main flow direction through the exhaust gas evaporator.
  • the exhaust gas evaporator can be designed to be particularly simple if the coolant channels are arranged on the evaporator side similar or even identical aligned, such as the exhaust gas channels on the exhaust side.
  • the coolant in order for the coolant to absorb heat energy from the exhaust gases in a particularly effective manner, it is advantageous if the coolant can remain in the exhaust gas evaporator for a sufficiently long time. This can be realized, for example, on the one hand by the coolant passing through the exhaust gas evaporator at a lower flow rate. On the other hand, the exhaust gas evaporator can be made longer.
  • a preferred embodiment variant provides that the coolant in the exhaust gas evaporator in a coolant plane travels a particularly long distance through the exhaust gas mixture. steamer can put back. Structurally particularly simple such a long distance can be realized in a coolant plane, when the coolant channels are spatially interconnected. Due to the spatial connection, the coolant can flow from a coolant channel to a further coolant channel and thus linger particularly long in time in the exhaust gas evaporator.
  • the coolant channels are closed at their end faces.
  • openings on end faces, for example, of two coolant channels directly adjacent to one another and / or corresponding to one another to be connected to one another by suitable piping.
  • suitable connection openings between two coolant channels may be provided in a common partition wall.
  • a preferred embodiment also provides that on a first partition wall of a first coolant channel on the first end face of the first coolant channel, a first connection opening to a second coolant channel and on a second partition wall of the first coolant channel on a second end side of the first coolant channel, a second connection opening to a further coolant channel are arranged.
  • all the coolant channels of a coolant plane can be combined to form a meandering coolant path.
  • connection openings can be provided on each partition wall.
  • cooling channels can be connected in parallel, in which the connection openings are provided in a suitable manner to the partitions and / or on the end faces.
  • the coolant channels together form a single meanderingdeffenwegrange through the exhaust gas evaporator.
  • the exhaust gas evaporator has a coolant path and an exhaust gas path, wherein the coolant path is arranged differently oriented in the exhaust gas evaporator than the exhaust gas path.
  • the exhaust gases and the coolant can flow through the exhaust gas evaporator, for example, in crossflow. It is clear that the exhaust gases and the coolant could also flow in opposite directions to each other with the channels selected.
  • the object of the invention is also achieved by a method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, in which exhaust gases of the internal combustion engine are conducted by means of an exhaust system into the environment and the exhaust gases before by means of evaporable coolant heat energy is withdrawn, and in which the exhaust gases be passed within an exhaust gas evaporator in a first main flow direction and the coolant in a main flow direction opposite to the main direction of flow through the Abgasverdamp- fer, wherein the cooling means are passed in sections transversely to the main flow directions through the exhaust gas evaporator.
  • the exhaust gases and the coolant are thereby moved not only in countercurrent to each other through the exhaust gas evaporator, but also in cross flow, whereby in particular the coolant remain temporally particularly long in the exhaust gas evaporator and this can heat or heat particularly well.
  • both the exhaust gas channels and the coolant channels can be arranged differently in the exhaust gas evaporator.
  • the coolant channels are arranged substantially vertically aligned within the exhaust gas evaporator, in particular substantially vertically to a road surface.
  • an inlet opening of the coolant planes is placed on the underside so that reliable operation can be ensured that the coolant channels of a coolant plane can initially be supplied with coolant, in particular with water , That is, at all coolant channels of the exhaust gas evaporator is ideally before a commutation of an internal combustion engine coolant available, so that a uniform evaporation of the coolant can be ensured in the coolant levels.
  • an uncritical inclination angle of the exhaust gas evaporator which is to be set correspondingly and which still prevents approximately an edge coolant channel and / or an edge coolant plane from being critically flooded with water, but not an opposite edge coolant channel and / or an opposite edge coolant plane, can be even more permissible and less critical
  • the inclination angle must be reduced by more than 5 °, ideally by approx. 10 °, so that unfavorable inclinations, for example, due to a tilted installation of an internal combustion engine, an exhaust system in a motor vehicle and / or an unfavorable inclination of the vehicle itself, can be prevented.
  • edge can coolant channels and / or coolant levels are additionally marked, which are arranged opposite the other coolant channels or coolant levels outside of the exhaust gas evaporator.
  • the aforementioned inclination angle may ideally be measured from a vertical plane.
  • the channels of the exhaust gas evaporator can be formed and configured in many different ways.
  • the coolant channels may be formed as a tube bundle or in plate construction with separating webs.
  • the exhaust gas evaporator can be produced if coolant channels of a coolant plane are formed by means of a corrugated sheet folded several times in the plane.
  • Such a corrugated sheet can advantageously form, for example, in combination with separating plates arranged parallel to the planes present here, wherein the exhaust gas channels can also be realized in a particularly simple manner by means of separating webs arranged on such a separating plate.
  • smooth channel walls can be provided.
  • the dimensions of the cooling channels can be influenced almost arbitrarily by differently selected dimensions of the channel side walls or channel bottom walls.
  • a change in the channel width can bring about a pressure loss and / or a change in the thermal energy transfer surface.
  • the width of the channels can also influence the number of channels in an exhaust gas evaporator and / or the total path length of a coolant path of a coolant plane.
  • the exhaust gas guide and theisserschleit can be designed loosely lucrative. From the hot exhaust gases, thermal energy can pass into the coolant particularly well if the exhaust gas guide device in an exhaust gas plane is designed in parallel flow and the coolant guide device in a coolant plane in the serpentine flow. Characterized in that the exhaust gas is flowed through in parallel flow, the exhaust gases can pass through the exhaust gas evaporator, for example, at high speed and uncritical dynamic pressure, while the coolant can dwell sufficiently long in the exhaust gas evaporator through the serpentine, so that it can absorb the heat energy particularly effective.
  • the flow guidance in exhaust gas evaporators can be a decisive criterion for a particularly good performance.
  • the strength of an exhaust gas evaporator can be significantly influenced.
  • the performance can run in two optimization directions. On the one hand, one wants to achieve a minimal pressure loss by avoiding any deflections or internal structures within a distance. On the other hand, the largest possible area for heat energy transfer should be available.
  • the pressure loss it should be noted for the pressure loss that the working medium very much reduces its density with the change in the state of matter, in particular from liquid to gaseous, and this can multiply the flow velocity. Therefore, a specific optimum between pressure loss and heat output must be found.
  • the strength is another important issue, since the working medium, in particular a coolant, usually has to be operated above the ambient pressure at working pressures in order to achieve sufficiently good effectiveness in connection with the exhaust gas evaporator.
  • the selected geometries of the components used must be able to absorb easily about the resulting by the working pressures occurring spinning forces. Thermal stresses, such as caused by temperature differences between the two working media, ie the exhaust gases on the one hand and the coolant on the other hand, must also be able to be absorbed.
  • the selected sheet thickness of a corrugated sheet also has a direct influence on the strength, in particular if individual sheet metal areas of the exhaust gas evaporator are used as tie rods. Furthermore, the sheet thickness can affect the thermal conductivity.
  • Another way to increase the effectiveness may be that in the channels turbulence generating structures are provided.
  • the present exhaust gas evaporator in particular with regard to a multi-folded in a plane corrugated sheet, this can be easily ensured.
  • the exhaust gas evaporator described here can be used advantageously in almost all motor vehicles, in particular also in commercial vehicles.
  • FIG. 1 schematically shows a view of a motor vehicle with an internal combustion engine and an exhaust system with an exhaust gas evaporator
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of the exhaust gas evaporator from FIG. 1,
  • FIG. 3 schematically shows a partially sectioned view of the exhaust gas evaporator from FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 4 schematically shows a perspective view of a corrugated sheet metal of the exhaust gas evaporator from FIGS. 1 to 3 for realizing a first coolant plane
  • Figure 5 is a perspective view of an alternative corrugated sheet.
  • the motor vehicle 1 shown in FIG. 1 comprises an internal combustion engine 2 with a downstream exhaust system 3, in which an exhaust gas evaporator 5, a catalytic converter 6, an intermediate silencer 7 and an end silencer 8 are arranged in an exhaust gas line 4 in this exemplary embodiment.
  • the motor vehicle 1 stands with four wheels 9 (numbered here only by way of example) on a road surface 10 which, according to the illustration of FIG. 1, lies in the plane of the paper.
  • the exhaust gas evaporator 5 is shown in more detail in Figures 2 to 4, in particular in Figure 2, the Sandvvichbauweise 11 of the exhaust gas evaporator 5 clearly numbered with its many exhaust levels 12 (here only exemplified) and its many coolant levels 13 (here also only exemplified ) is recognizable.
  • the exhaust gas levels 12 are somewhat stronger in terms of their thickness 14 than the narrower coolant levels 13, so that exhaust gases can pass through the exhaust gas levels 12 quickly.
  • the two outer planes are exhaust gas levels 12, so that it is ensured that all coolant levels 13 are enclosed on both sides by exhaust gas levels 12. As a result, the coolant in the coolant planes 13 can be heated particularly quickly.
  • Both the coolant planes 13 and the exhaust gas levels 12 are arranged in the exhaust gas evaporator 5 in a vertical orientation 15, wherein the bottom 16 of the exhaust gas evaporator 5 faces the road surface 10. According to the sandwich construction 11 of the present exhaust gas evaporator 5, a coolant plane 13 follows an exhaust gas plane 12.
  • the coolant which in this embodiment is water or in the heated state steam 17 (see FIG. 3), passes via an inlet opening 18 (see FIG. 4) into a coolant channel 19 according to a main flow direction 20.
  • the coolant meanders in the coolant planes 13 through the coolant Exhaust gas evaporator 5 and takes in this case more and more heat energy from the exhaust gases, which flow through the exhaust gas levels 12 in accordance with the main flow direction 21 substantially linear.
  • connection openings 23 (numbered here only by way of example)
  • coolant channels 25 (here only exemplarily numbered) of the coolant planes 13 and so meanders along the main flow direction 20.
  • AiIe Kühiffenkanäle 19 and 25 are arranged substantially parallel to each other and substantially in a vertical orientation 15 in the respective coolant plane 13.
  • the cooling channels 19 and 25 are flowed through either in a first secondary flow direction 26 or in a second secondary flow direction 27, which extend transversely to the two main flow directions 20 and 21.
  • Adeschleit spur 28 as they can provide several cooling channels 19 and 25 in one of the coolant levels 13 of the exhaust gas evaporator 5, here consists of a corrugated sheet 29 with a Glattrippengeomethe 30.
  • thedeffenleit By means of the corrugated sheet 29, thedeffenleit responded 28 structurally particularly easy to provide. It is understood that, depending on how the smooth rib geometry is selected with respect to a rib width 31 and / or rib height 32, the total length of the coolant path 22 and the number of coolant channels 19, 25 can be varied.
  • the rib height 32 in particular determine a coolant channel height and the rib width 31 the coolant channel width, both of which are not explicitly drawn in, since they essentially result from the rib height 32 or the rib width 31.
  • the coolant channels 19, 25 are closed at their end faces 33, 33A (not shown here, but numbered as an example), so that the coolant can only flow via the connection openings 23 from a coolant channel 19 into the further coolant channels 25 until the coolant reaches the coolant plane 13 via an outlet opening 34 of theméstoffleit Anlagen 28 leaves again.
  • connection openings 23 a deflection of the coolant along the coolant path 22 within the coolant plane 13 is achieved.
  • An exhaust gas guide is presently not shown, since it structurally simple consists essentially of rectilinear exhaust ducts whose end faces are not closed, so that hereby the exhaust gases flow into the exhaust ducts and can flow out of the exhaust ducts again.
  • the exhaust gas guide can also be made of a corrugated sheet, but without the above-described connection openings 23. Because a plurality of exhaust gas channels are connected in parallel on the exhaust gas guide device, the exhaust gas guide device is designed to be multi-flow in this embodiment.
  • the coolant channels 19, 25 are connected in series to thedekarleit Korea 28, since the coolant flows through all the coolant channels 19, 25 successively.
  • thedeffenleit responded 28 is constructed in this embodiment einflutig.
  • a separating tray (not shown here) is arranged so as to separate the respective Abgasebe- nen 12 and coolant plane 13, in particular the exhaust channels and the coolant channels 19, 25 spatially from each other.
  • the exhaust gas evaporator 5 in connection with the sandwich design 11 is subjected to a very high degree of strength in a particularly advantageous manner. It is understood that the described exhaust gas evaporator 5 represents only a first embodiment, but is not to be understood as limiting the invention.
  • Fig. 5 shows a formed as a corrugated iron 41 additional disk, which is inserted into a non-illustrated device for exchanging heat according to the present invention.
  • the corrugated sheet 41 has integrally formed partitions 42, 42 a, which flow channels 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 separate from each other.
  • the flow channels 43 and 45 form a first flow path section
  • the flow channels 44 and 46 a second flow path section
  • the flow channels 47 and 49 a third flow path section
  • the flow channels 48 and 50 a fourth flow path section.
  • the first and the third flow path sections are thereby flowed through, for example, onto the viewer, whereas the second and the fourth flow path sections are flowed through by the observer.
  • the first flow path section 43, 45 is connected to the second flow path section 44, 46 via a deflection section formed by a recess 51.
  • the second flow path section 44, 46 is connected to the third flow path section 47, 49 via a deflection section, not shown.
  • the third flow path section 47, 49 is in turn connected to the fourth flow path section 48, 50 via a deflection section formed by a recess 52.
  • the deflecting sections forming gaps between the partitions 42 and a not shown, the flow channels on their side facing the viewer facing side wall of the first flow space, in which the corrugated sheet 51 is arranged.
  • the partition walls 42a are connected to the side wall, so that the flow path portions are flowed through in the order mentioned and alternately in opposite flow directions.
  • a single serpentine meandering flow path through the first flow space is formed, which is formed by a series connection of the flow path sections.
  • an exhaust system with an exhaust gas evaporator, which is connected downstream of an internal combustion engine of a motor vehicle, wherein the exhaust gas evaporator has a sandwich construction, in which exhaust gas levels and coolant planes are arranged alternately directly next to each other, the exhaust gas evaporator preferably abgas textbook a Abgasleit responded and evaporate - Has a ferriterhoffleit observed, which are spatially separated from each other, wherein preferably in each of the coolant planes a plurality of mutually parallel coolant channels are arranged, which are in particular spatially interconnected, wherein the coolant channels are preferably closed at their end faces.
  • a first connection opening to a second coolant channel and at a second partition wall of the first coolant channel to a second end face of the first coolant channel, a second connection opening to a further coolant channel are arranged on a first partition wall of a first coolant channel on a first end side of the first coolant channel, wherein the coolant channels preferably together form a single meandering coolant path through the exhaust gas evaporator and / or are arranged substantially vertically aligned within the exhaust gas evaporator, in particular substantially vertical to a roadway surface, the exhaust gas evaporator preferably having a coolant path and an exhaust gas path, wherein the coolant path track differently oriented in the exhaust gas evaporator is arranged as the exhaust path.
  • coolant channels of a coolant plane are formed by means of a corrugated sheet which is folded several times in the coolant plane and / or the exhaust gas guide device is multi-flow and the coolant guide device is of single-flow design.
  • the object of the invention is also achieved by a method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle, in which exhaust gases of the internal combustion engine are conducted by means of an exhaust system in the environment and the exhaust gases before by means of evaporable coolant heat energy is withdrawn, the exhaust gases within an exhaust gas evaporator in a first main flow direction and the coolant are passed through the exhaust gas evaporator in a main flow direction opposite to the first main flow direction, wherein the coolant is passed through the exhaust gas evaporator in sections transverse to the main flow directions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (3) mit einem Abgasverdampfer (5), welche einer Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet ist, wobei der Abgasverdampfer (5) eine Sandwichbauweise aufweist, bei welcher Abgasebenen (12) und Kühlmittelebenen (13) abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, wodurch ein sehr kompakter und zugleich sehr effizienter Abgasverdampfer bereit gestellt ist.

Description

Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einerseits eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme. Andererseits betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.
Eine Wärmeenergierückgewinnung aus Abgasen einer Brennkraftmaschine erlangt auch im Bereich des Kraftfahrzeugwesens eine stetig steigende Bedeutung. Insbesondere rückt hierbei die Wärmeenergierückgewinnung mittels Abgasverdampfer immer weiter in den Fokus, um hierbei eine Effizienz- Steigerung hinsichtlich des Betriebs der Brennkraftmaschine zu erzielen. In einem Abgasverdampfer wird dem Abgas Wärme entzogen, die einem Kühloder Kältemittel zugeführt wird, welches dabei üblicherweise verdampft wird. Die dem Abgas entzogene Wärmeenergie kann etwa für einen nachgeschalteten Clausius-Rankine-Prozess verwendet werden.
Beispielsweise beschäftigt sich mit dieser Thematik die Druckschrift DE 601 23 987 T2, in welcher ein Rankine-Zyklussystem im Zusammenhang mit einer Brennkraftmaschine beschrieben ist, bei welchem unter Verwendung eines Verdampfers mittels Wärmeenergie eines Abgases der Brennkraftma- schine ein Hochtemperatur- und Hochdruckdampf erzeugt werden kann.
BESTÄT1GUNGSKOPIE Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme besonders kompakt und effizient zu bauen, insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie von einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Grundgedanke der Erfindung ist es, in einem Scheibenwärmeübertrager eines der beteilig- ten Medien innerhalb einer der gestapelten Ebenen serpentinenartig zu führen.
Dadurch, dass der vorliegende Abgasverdampfer in einer sogenannten Sandwichbauweise ausgestaltet ist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmit- telebenen abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, können die Abgasebenen mit den Kühlmittelebenen großflächig in Kontakt treten, so dass ein Wärmeenergieübergang von den Abgasen zu dem Kühlmittel besonders schnell und effektiv erfolgen kann.
Auf Grund der großen zur Verfügung stehenden Kontaktflächen zwischen einer Abgasseite und einer Verdampferseite des Abgasverdampfers kann dieser zudem sehr kompakt gebaut werden. Dies ist insbesondere im Kraftfahrzeugwesen besonders von Vorteil, da hier Komponenten eines Kraftfahrzeuges möglichst wenig Bauraum einnehmen und zugleich sehr leicht ausgebildet sein sollen. So liegt mittels der Sandwichbauweise vorteilhafter Weise eine sehr leistungsstarke Konstruktion hinsichtlich dem Zusammenspiel der Abgasseite und der Verdampferseite des Abgasverdampfers vor.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein erster Strömungsraum einen ersten Strömungspfad mit nacheinander in entgegengesetzten Richtungen durchströmbaren Strömungspfadabschnitten für das erste Medium auf. Be- vorzugt sind die Strömungspfadabschnitte durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete Trennwand voneinander getrennt.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zwei unmittelbar nacheinander durchströmbare Strömungspfadabschnitte über einen Umlenkabschnitt miteinander verbunden sind. Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der Umlenkabschnitt durch eine Aussparung, besonders vorteilhaft einen Durchbruch in der Trennwand gebildet. Gemäß einer anderen vorteilhaften Variante ist der Umlenkabschnitt durch eine zwischen der Trennwand und einer seitlichen Begrenzung des ersten Strömungsraums, besonders vorteilhaft dem Scheibenpaar verbleibenden Lücke gebildet.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zwei oder mehr als zwei Trennwände miteinander einstückig ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind die zwei oder mehr Trennwände durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete und insbesondere als Wellblech ausgebildete Zusatzscheibe gebildet.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher zumindest ein Strömungspfadabschnitt einen, zwei oder mehr als zwei zueinander parallel durchströmbare Strömungskanäle aufweist. Besonders bevorzugt sind zumindest zwei der Strömungskanäle des zumindest einen Strömungspfadabschnittes über den Umlenkabschnitt miteinander verbunden. Durch eine vorbestimmte Anzahl von parallelgeschalteten Strömungskanälen ist für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Druckverlust einerseits und eine Verweildauer des ersten Mediums in dem ersten Strömungsraum andererseits einstellbar.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Strömungskanäle an ihren Stirnseiten verschlossen sind, vorteilhaft durch eine Begrenzung des ersten Strömungsraums, besonders vorteilhaft durch eine oder beide Scheiben des Scheibenpaars.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher an einer ersten Trennwand eines ersten Strömungskanals an einer ersten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein erster Umlenkabschnitt zu einem zweiten Strömungskanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Strömungskanals an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein zweiter Umlenkabschnitt zu einem von dem zweiten Strö- mungskanal unterschiedlichen dritten Strömungskanal angeordnet sind.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Strömungskanäle gemeinsam mit den Umlenkkanälen einen einzigen serpentinenartig mäandrie- renden Strömungspfad durch den ersten Strömungsraum bilden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der erste und der zweite Strömungsraum in unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der zweite Strömungsraum einen größeren Strömungsquerschnitt als ein Strömungspfadabschnitt des Strömungspfades in dem ersten Strömungsraum, insbesondere einen größeren Strömungsquerschnitt als der erste Strömungsraum aufweist. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere für den Betrieb mit einem flüssigen, gegebenenfalls verdampfenden ersten Medium und einem gasförmigen zweiten Medium ausgelegt.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasleitung eingesetzt und vorteilhaft zum Austausch von Wärme zwischen einem Kühlmittel insbesondere eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors und dem Abgas oder zwischen einem Kältemittel eines Kältekreislaufs einer Klimaanlage und dem Abgas, wobei das Kühlmittel oder das Kältemittel insbesondere in der Vorrichtung verdampft wird, eingesetzt. Das Abgas ist dabei vorzugsweise das zweite Medium. Bevorzugt sind dabei die ersten Strömungskanäle im Wesentlichen vertikal, besonders bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu einer Standfläche des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Unter dem Begriff „Abgasanlage" versteht man vorliegend jegliche Komponenten, durch welche Abgase einer Brennkraftmaschine nach dem Verlas- sen der Brennkraftmaschine geleitet werden. So erfasst der Begriff „Abgasanlage" auch Komponenten einer Abgasrückführung. Insbesondere in einer solchen Abgasrückführung kann der hier beschriebene Abgasverdampfer vorteilhaft integriert sein.
Mit dem Begriff „Kühlmittel" wird jedes verdampfbare Arbeitsmedium beschrieben, mittels welchem Wärmeenergie in ausreichender Menge aufgenommen und transportiert werden kann. Insbesondere Wasser, welches auch als Wasserdampf vorliegen kann, eignet sich hierzu besonders gut.
Der Begriff „Sandwichbauweise" ist im Wesentlichen selbsterklärend, wobei insbesondere im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Abgasverdampfer klar ist, dass die Abgasebenen mit den Kühlmittelebenen alternierend im bzw. am Abgasverdampfer angeordnet sind. Oftmals wird für den Begriff „Sandwichbauweise" auch die Bezeichnung „Scheibenbauweise" verwendet.
Somit ist es auch vorteilhaft, wenn abgasseitig mehr als eine Abgasebene und/oder kühlmittelseitig mehr als eine Kühlmittelebene vorgesehen sind, da ein Wärmeübertrag zwischen den Abgasen und dem Kühlmittel insbesonde- re mit mehreren Abgas- bzw. Kühlmittelebenen deutlich effektiver realisiert werden kann. Insbesondere die Kühlmittelebenen können parallel geschaltet sein, so dass gewährleistet ist, dass alle Kühlmittelebenen unabhängig voneinander mit Kühlmittel versorgbar sind. Möglich ist aber auch, dass eine oder mehrere Kühlmittelebenen in Reihe zueinander geschaltet sind.
Hierbei stoßen die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen vorteilhafter Weise mit ihren jeweiligen Breitseiten unmittelbar aneinander bzw. die Abgasebenen und die Kühlmittelebenen sind lediglich durch eine gut wärmeleitende Trenneinrichtung voneinander abgegrenzt angeordnet. Vorzugsweise ist jede der Kühlmittelebenen beidseits von jeweils einer Abgasebene einge- schlössen, so dass die Kühlmittelebenen immer von zwei Seiten erwärmt bzw. erhitzt werden.
Damit die Abgase einerseits in der Abgasebene und das Kühlmittel andererseits in der Kühlmittelebene vorteilhaft durch den Abgasverdampfer geleitet werden können, sieht eine vorteilhafte Ausführungsvariante vor, dass der Abgasverdampfer abgasseitig eine Abgasleiteinrichtung und/oder verdamp- ferseitig eine Kühlmittelleiteinrichtung aufweist, welche räumlich voneinander getrennt sind.
Die Kühlmittel können hierbei besonders vorteilhaft entlang und in der Kühlmittelebene geleitet werden, wenn in jeder der Kühlmittelebenen mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle, wie Strömungskanäle, angeordnet sind. Hierbei können insbesondere lange, enge Kühlmittelkanäle vorteilhaft vorgesehen werden, in welchen sich das Kühlmittel schnell erhit- zen kann.
Allein schon durch die beschriebene Sandwichbauweise, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen direkt nebeneinander angeordnet sein können, kann eine hohe Leistung hinsichtlich des Abgasverdampfers bei einem nur gering benötigten Bauraum erzielt werden. Dadurch, dass vorliegend zusätzlich Abgaskanäle bzw. Kühlmittelkanäle in den einzelnen Ebe- nen des Abgasverdampfers vorgesehen werden können, kann selbst bei sehr knapp vorgegebenen Bauraumrandbedingungen eine hohe Leistung bzw. eine Leistungssteigerung erzielt werden.
Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn zum Leiten die Abgase auch in der Abgasebene mehrere parallel zueinander verlaufende Abgaskanäle angeordnet sind. Beispielsweise können diese Abgaskanäle hinsichtlich ihrer Stirnseiten von einer Abgasverdampfereingangsseite zu einer Abgasverdampferaus- gangsseite linear durch den Abgasverdampfer verlaufen. Die Abgaskanäle sind an ihren Stirnseiten jeweils geöffnet, so dass die Abgase über Öffnungen in den Stirnseiten in die Abgaskanäle einströmen und wieder herausströmen können. Hierbei ist vorzugsweise eine Vielzahl an Abgaskanäle in der Abgasebene nebeneinander angeordnet, so dass mehrere Abgaskanäle zwischen einem ersten Seitenbereich und einem zweiten Seitenbereich an- geordnet sind. So können die Abgase breitflächig in der Vielzahl der Abgaskanäle in eine erste Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden.
Der Abgasverdampfer kann hierbei besonders einfach konstruiert werden, wenn die Kühlmittelkanäle auf der Verdampferseite ähnlich oder sogar identisch ausgerichtet angerordnet sind, wie die Abgaskanäle auf der Abgasseite.
Damit jedoch das Kühlmittel Wärmeenergie aus den Abgasen besonders effektiv aufnehmen kann, ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmittel ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen kann. Dies kann beispielsweise einerseits realisiert werden, indem das Kühlmittel mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit den Abgasverdampfer passiert. Andererseits kann der Abgasverdampfer länger ausgebildet werden. Eine bevorzugte Ausfüh- rungsvariante sieht vor, dass das Kühlmittel in dem Abgasverdampfer in einer Kühlmittelebene eine besonders lange Wegstrecke durch den Abgasver- dampfer zurück legen kann. Baulich besonders einfach kann eine solch lange Wegstrecke in einer Kühlmittelebene realisiert werden, wenn die Kühlmittelkanäle räumlich untereinander verbunden sind. Durch die räumliche Verbindung kann das Kühlmittel von einem Kühlmittelkanal zu einem weiteren Kühlmittelkanal strömen und somit zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verweilen.
Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle an ihren Stirnseiten verschlossen sind. Hierdurch ist es nicht erfor- derlich, dass Öffnungen an Stirnseiten beispielsweise zweier unmittelbar nebeneinander und/oder miteinander korrespondierender Kühlmittelkanäle durch eine geeignete Verrohrung miteinander verbunden werden müssen. Vielmehr können geeignete Verbindungsöffnungen zwischen zwei Kühlmittelkanälen in einer gemeinsamen Trennwand vorgesehen sein.
So sieht eine bevorzugte Ausführungsvariante auch vor, dass an einer ersten Trennwand eines ersten Kühlmittelkanals an der ersten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine erste Verbindungsöffnung zu einem zweiten Kühlmittelkanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Kühlmittelkanals an einer zweiten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine zweite Verbindungsöffnung zu einem weiteren Kühlmittelkanal angeordnet sind. Hierdurch können alle Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene zu einer mäandrierenden Kühlmittelwegstrecke zusammengefasst werden. Grundsätzlich können solche Verbindungsöffnungen an jeder Trennwand vorgesehen sein. Auch kön- nen Kühlkanäle parallel geschaltet werden, in dem die Verbindungsöffnungen in geeigneter Weise an den Trennwänden und/oder an den Stirnseiten vorgesehen werden.
Um eine möglichst lange Kühlmittelwegstrecke in einer der Kühlmittelebenen bereitstellen zu können, ist es deshalb vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle gemeinsam eine einzige mäandrierende Kühlmittelwegstrecke durch den Abgasverdampfer bilden.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Abgasverdampfer eine Kühlmittelwegstre- cke und eine Abgaswegstrecke aufweist, wobei die Kühlmittelwegstrecke anders orientiert in dem Abgasverdampfer angeordnet ist als die Abgaswegstrecke. Hierdurch können die Abgase und das Kühlmittel beispielsweise im Kreuzstrom den Abgasverdampfer durchströmen. Es ist klar, dass die Abgase und die Kühlmittel bei entsprechend gewählten Kanälen auch im Gegens- trom zueinander strömen könnten.
Gerade in diesem Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung auch von einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei welchem Abgase der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasanlage in die Umgebung geleitet werden und den Abgasen zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel Wärmeenergie entzogen wird, und bei welchem die Abgase innerhalb eines Abgasverdampfers in eine erste Hauptströmungsrichtung und die Kühlmittel in eine der ersten Hauptströmungsrichtung entgegen gesetzte Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdamp- fer hindurch geleitet werden, wobei die Kühlmittel streckenweise quer zu den Hauptströmungsrichtungen durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden. Vorteilhafter Weise werden die Abgase und das Kühlmittel hierbei nicht nur im Gegenstrom zueinander durch den Abgasverdampfer hindurch bewegt, sondern auch im Kreuzstrom, wodurch insbesondere das Kühlmittel zeitlich besonders lang in dem Abgasverdampfer verbleiben und sich hierbei besonders gut erwärmen bzw. erhitzen kann.
Es versteht sich, dass sowohl die Abgaskanäle als auch die Kühlmittelkanäle unterschiedlich in dem Abgasverdampfer angeordnet sein können. Um in- sbesondere die Gefahr zu verringern, dass es in einem der Kühlmittelkanäle zu einer kritischen Ansammlung von Flüssigkeit, insbesondere von Wasser, kommen kann, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlmittelkanäle im Wesentlichen vertikal ausgerichtet innerhalb des Abgasverdampfers, insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Fahrbahnoberfläche, angeordnet sind.
Mittels der Verbindungsöffnungen, welche idealerweise sehr nahe an den Stirnseitenwandungen angeordnet sind, kann zudem vermieden werden, dass an der Unterseite einer Kühlmittelebene Sammelbecken für etwa noch nicht verdampftes Wasser entstehen. Hierdurch kann die Gefahr einer Leistungsverminderung des Abgasverdampfers auf Grund solcher Wassersam- meisteilen vermieden werden. Bei einer diesbezüglich besonders vorteilhaften Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu den Verbindungsöffnungen auch insbesondere eine Einlassöffnung der Kühlmittelebenen an der Unterseite platziert ist, so dass betriebssicher gewährleistet werden kann, dass die Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene anfänglich mit Kühlmittel, insbesondere mit Wasser, versorgt sein können. Das heißt, an allen Kühlmittelkanälen des Abgasverdampfers steht vor einer Inbetriebnahme einer Brennkraftmaschine idealerweise Kühlmittel zur Verfügung, so dass eine gleichmäße Verdampfung des Kühlmittels in den Kühlmittelebenen gewährleistet werden kann.
Solange eine kritische Wasseransammlung in einem der Kühlmittelkanäle bzw. einer der Kühlmittelebenen vermieden werden kann, ist es möglich, die Kühlmittelkanäle bzw. die Kühlmittelebenen auch aus einer vertikalen Ausrichtung heraus ausgelenkt in dem Abgasverdampfer vorzusehen. Ein ent- sprechend einzustellender unkritischer Neigungswinkel des Abgasverdampfers, bei welchem noch vermieden ist, dass etwa ein Randkühlmittelkanal und/oder eine Randkühlmittelebene mit Wasser kritisch geflutet ist, aber ein gegenüberliegender Randkühlmittelkanal und/oder eine gegenüberliegende Randkühlmittelebene nicht, kann ein solcher noch erlaubter und unkritischer Neigungswinkel vorsorglich um mehr als 5°, idealerweise um ca. 10°, reduziert werden, so dass ungünstigen Schräglagen, beispielsweise auf Grund eines geneigten Einbaus einer Brennkraftmaschine, einer Abgasanlage in einem Kraftfahrzeug und/oder einer ungünstigen Schräglage des Fahrzeuges an sich, vorgebeugt werden kann.
Mit der Begriffsergänzung „Rand" können Kühlmittelkanäle und/oder Kühlmittelebenen zusätzlich gekennzeichnet werden, welche gegenüber den übrigen Kühlmittelkanälen bzw. Kühlmittelebenen außen am Abgasverdampfer angeordnet sind.
Der vorstehend erwähnte Neigungswinkel kann idealerweise von einer Vertikalebene aus gemessen werden.
Somit kann besonders sichergestellt werden, dass anfänglich alle Kühlmittelkanäle mit einem flüssigen Kühlmittel bzw. mit Wasser versorgt sind. Hier- durch wird die Gefahr verringert, dass beispielsweise ein anfänglich nicht mit Wasser versorgter Kühlmittelkanal das verdampfende Wasser alleine fördert.
Die Kanäle des Abgasverdampfers können vielfältig gebildet und ausgestal- tet sein. Beispielsweise können insbesondere die Kühlmittelkanäle als Rohrbündel oder in Plattenbauweise mit Trennstegen ausgebildet sein. Baulich besonders einfach ist der Abgasverdampfer herstellbar, wenn Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene mittels eines in der Ebene mehrfach gefalteten Wellblechs gebildet sind.
Ein solches Wellblech kann beispielsweise im Verbund mit parallel zu den vorliegenden Ebenen angeordneten Trennblechen vorteilhaft die hier beschriebenen Kanäle bilden, wobei die Abgaskanäle auch besonders einfach mittels an einem solchen Trennblech angeordneten Trennstegen realisiert werden können. Um möglichst wenig Strömungsverluste innerhalb der Kanäle zu haben, können bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante glatte Kanalwandungen vorgesehen sein. Insbesondere können durch unterschiedlich gewählte Dimensionierungen der Kanalseitenwandungen bzw. Kanalboden- Wandungen die Abmessungen der Kühlkanäle nahezu beliebig beeinflusst werden.
Beispielsweise kann eine Änderung der Kanalbreite einen Druckverlust und/oder eine Veränderung der Wärmeenergieübertragungsfläche mit sich bringen. Auch kann die Breite der Kanäle die Kanalanzahl in einem Abgasverdampfer und/oder die Gesamtwegstrecke einer Kühlmittelwegstrecke einer Kühlmittelebene beeinflussen.
Auch die Abgasleiteinrichtung und die Kühlmittelleiteinrichtung können bau- lieh vielfältig gestaltet sein. Aus den heißen Abgasen kann Wärmeenergie besonders gut in das Kühlmittel übergehen, wenn die Abgasleiteinrichtung in einer Abgasebene im Parallelstrom und die Kühlmittelleiteinrichtung in einer Kühlmittelebene im Serpentinenstrom ausgebildet sind. Dadurch, dass die Abgasleiteinrichtung im Parallelstrom durchströmt wird, können die Abgase den Abgasverdampfer beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit und unkritischem Staudruck passieren, während das Kühlmittel durch den Serpentinenstrom ausreichend lang in dem Abgasverdampfer verweilen kann, so dass es die Wärmeenergie besonders effektiv aufnehmen kann.
Es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen an dem vorliegenden Abgasverdampfer vorgenommen werden können. Insbesondere die Strömungsführung in Abgasverdampfern kann ein ausschlaggebendes Kriterium für eine besonders gute Leistungsfähigkeit sein. Darüber hinaus kann mit entsprechend steif ausbildeten Kanä- len die Festigkeit eines Abgasverdampfers wesentlich beeinflusst werden. Die Leistungsfähigkeit kann hierbei in zwei Optimierungsrichtungen verlaufen. Zum einen will man einen minimalen Druckverlust erzielen, indem möglichst keine Umlenkungen noch innere Strukturen innerhalb einer Wegstrecke vorhanden sind. Zum anderen soll eine möglichst große Fläche für eine Wärmeenergieübertragung zur Verfügung stehen. Für den Druckverlust sollte zusätzlich beachtet werden, dass das Arbeitsmedium seine Dichte mit der Änderung des Aggregatzustandes, insbesondere von flüssig zu gasförmig, sehr verringert und dies die Strömungsgeschwindigkeit vervielfachen kann. Es muss daher ein spezifisches Optimum zwischen Druckverlust und Wär- meleistung gefunden werden.
Insbesondere bei Abgasverdampfern ist die Festigkeit, wie vorstehend bereits erwähnt, ein weiteres wichtiges Thema, da das Arbeitsmedium, insbesondere ein Kühlmittel, meist bei Arbeitsdrücken über dem Umgebungsdruck betrieben werden muss, um eine ausreichend gute Effektivität im Zusammenhang mit dem Abgasverdampfer erzielen zu können. Somit müssen auch die gewählten Geometrien der verwendeten Bauteile etwa die durch die auftretenden Arbeitsdrücke entstehenden Drückkräfte problemlos aufnehmen können. Thermische Spannungen, etwa hervorgerufen durch Tempera- turdifferenzen zwischen den beiden Arbeitsmedien, also den Abgase einerseits und dem Kühlmittel andererseits, müssen ebenfalls aufgenommen werden können. Auch die gewählte Blechdicke eines Wellbleches hat einen direkten Einfluss auf die Festigkeit, insbesondere wenn einzelne Blechbereiche des Abgasverdampfers als Zuganker verwendet werden. Weiter kann sich die Blechdicke auf die Wärmeleitfähigkeit auswirken.
Eine weitere Möglichkeit, die Effektivität zu Steigern kann darin liegen, dass in den Kanälen turbulenzerzeugende Gebilde vorgesehen werden. Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau des vorliegenden Abgasverdampfers, insbesondere im Hinblick auf ein in einer Ebene mehrfach gefaltetes Wellblech, kann dies problemlos gewährleistet werden. Der hier beschriebene Abgasverdampfer kann in nahezu aiien Kraftfahrzeugen vorteilhaft eingesetzte werden, insbesondere auch in Nutzkraftwagen.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft ein Abgasverdampfer dargestellt ist. Es zeigen
Figur 1 schematisch eine Ansicht eines Kraftfahrzeuges mit einer Brenn- kraftmaschine und einer Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer,
Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Abgasverdampfers aus der Figur 1 ,
Figur 3 schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht des Abgasverdampfers aus den Figuren 1 und 2,
Figur 4 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wellbleches des Abgasverdampfers aus den Figuren 1 bis 3 zum Realisieren einer ersten Kühlmittelebene, und
Figur 5 eine perspektivische Ansicht eines alternativen Wellbleches.
Das in der Figur 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Brennkraftmaschi- ne 2 mit einer nachgeschalteten Abgasanlage 3, bei welcher in diesem Ausführungsbeispiel in einem Abgasstrang 4 ein Abgasverdampfer 5, ein Katalysator 6, ein Mittelschalldämpfer 7 und ein Endschalldämpfer 8 angeordnet sind. Das Kraftfahrzeug 1 steht mit vier Rädern 9 (hier nur exemplarisch beziffert) auf einem Fahrbahnuntergrund 10, welcher nach der Darstellung der Figur 1 in der Papierebene liegt. Der Abgasverdampfer 5 ist in den Figuren 2 bis 4 schematisch detailierter dargestellt, wobei insbesondere in der Figur 2 die Sandvvichbauweise 11 des Abgasverdampfers 5 deutlich mit seinen vielen Abgasebenen 12 (hier nur exemplarisch beziffert) und mit seinen vielen Kühlmittelebenen 13 (hier ebenfalls nur exemplarisch beziffert) zu erkennen ist. Die Abgasebenen 12 sind hierbei hinsichtlich ihrer Dicke 14 etwas stärker ausgebildet als die schmaleren Kühlmittelebenen 13, so dass Abgase die Abgasebenen 12 schnell passieren können. Vorteilhafter Weise sind in der hier gewählten Sandwichbauweise 11 die beiden äußeren Ebenen Abgasebenen 12, so dass gewährleistet ist, dass alle Kühlmittelebenen 13 beidseitig von Abgasebenen 12 umschlossen sind. Hierdurch kann das Kühlmittel in den Kühlmittelebenen 13 besonders schnell erhitzt werden.
Sowohl die Kühlmittelebenen 13 als auch die Abgasebenen 12 sind in dem Abgasverdampfer 5 in vertikaler Ausrichtung 15 angeordnet, wobei die Unterseite 16 des Abgasverdampfers 5 dem Fahrbahnuntergrund 10 zugewandt ist. Gemäß der Sandwichbauweise 11 des vorliegenden Abgasverdampfers 5 folgt auf eine Abgasebene 12 eine Kühlmittelebene 13.
Das Kühlmittel, welches in diesem Ausführungsbeispiel Wasser bzw. im erhitzten Zustand Wasserdampf 17 (siehe Figur 3) ist, gelangt über eine Einlassöffnung 18 (siehe Figur 4) in einen Kühlmittelkanal 19 gemäß einer Hauptströmungsrichtung 20. Das Kühlmittel mäandriert in den Kühlmittelebenen 13 durch den Abgasverdampfer 5 und nimmt hierbei mehr und mehr Wärmeenergie aus den Abgasen auf, welche die Abgasebenen 12 gemäß der Hauptströmungsrichtung 21 im Wesentlichen linear durchströmen.
Während das Kühlmittel entlang einer Kühlmittelwegstrecke 22 mäandrie- rend durch die Kühlmittelebene 13 strömt, gelangt es über Verbindungsöff- nungen 23 (hier nur exemplarisch beziffert) durch einzelne Trennwände 24
(hier nur exemplarisch beziffert) jeweils in weitere Kühlmittelkanäle 25 (hier nur exemplarisch beziffert) der Kühlmittelebenen 13 und schlängelt sich so entlang der Hauptströmungsrichtung 20. AiIe Kühimittelkanäle 19 und 25 sind im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen in vertikaler Ausrichtung 15 in der jeweiligen Kühlmittelebene 13 angeordnet. Hierbei werden die Kühlkanäle 19 bzw. 25 entweder in einer ersten Nebenströmungsrichtung 26 oder in einer zweiten Nebenströmungsrichtung 27 durchströmt, welche quer zu den beiden Hauptströmungsrichtungen 20 und 21 verlaufen.
Eine Kühlmittelleiteinrichtung 28, wie sie in einer der Kühlmittelebenen 13 des Abgasverdampfers 5 mehrere Kühlkanäle 19 bzw. 25 bereit stellen kann, besteht hier aus einem Wellblech 29 mit einer Glattrippengeomethe 30. Mittels des Wellblechs 29 ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 baulich besonders einfach bereit gestellt. Es versteht sich, dass je nach dem wie die Glattrippengeomethe 30 hinsichtlich einer Rippenbreite 31 und/oder einer Rippenhöhe 32 gewählt wird, die Gesamtlänge der Kühlmittelwegstrecke 22 und die Anzahl der Kühlmittelkanäle 19, 25 variiert werden können. Hierbei bestimmen die Rippenhöhe 32 insbesondere eine Kühlmittelkanalhöhe und die Rippenbreite 31 die Kühlmittelkanalbreite, welche beide nicht explizit ein- gezeichnet sind, da sie sich im Wesentlichen aus der Rippenhöhe 32 bzw. der Rippenbreite 31 ergeben.
Die Kühlmittelkanäle 19, 25 sind an ihren Stirnseiten 33, 33A verschlossen (hier nicht dargestellt, aber exemplarisch beziffert), so dass das Kühlmittel nur über die Verbindungsöffnungen 23 von einem Kühlmittelkanal 19 in die weiteren Kühlmittelkanäle 25 strömen kann, bis das Kühlmittel die Kühlmittelebene 13 über eine Auslassöffnung 34 der Kühlmittelleiteinrichtung 28 wieder verlässt. Somit wird mittels der Verbindungsöffnungen 23 eine Umlenkung des Kühlmittels entlang der Kühlmittelwegstrecke 22 innerhalb der Kühlmittelebene 13 erzielt. In dem konkreten Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 sind somit an einer ersten Trennwand 24A eines ersten Kühlmittelkanals 19A an der ersten Stirnseite 33 des ersten Kühlmittelkanals 19A eine erste Verbindungsöffnung 23A zu einem zweiten Kühlmittelkanal 19B und an einer zweiten Trennwand 24B des ersten Kühlmittelkanals 19A an einer zweiten Stirnseite 33A des ersten Kühlmittelkanals 19A eine zweite Verbindungsöffnung 23B zu einem weiteren Kühlmittelkanal 19C angeordnet.
Eine Abgasleiteinrichtung ist vorliegend nicht dargestellt, da sie konstruktiv einfach im Wesentlichen aus geradlinig ausgebildeten Abgaskanälen besteht, deren Stirnseiten nicht verschlossen sind, so dass hierüber die Abgase in die Abgaskanäle einströmen und auch wieder aus den Abgaskanälen ausströmen können. Die Abgasleiteinrichtung kann auch aus einem Wellblech hergestellt sein, jedoch ohne die vorstehend beschriebenen Verbin- dungsöffnungen 23. Dadurch, dass an der Abgasleiteinrichtung mehrere Abgaskanäle parallel geschaltet sind, ist die Abgasleiteinrichtung in diesem Ausführungsbeispiel mehrflutig ausgelegt. Im Gegensatz hierzu sind die Kühlmittelkanäle 19, 25 an der Kühlmittelleiteinrichtung 28 in Reihe geschaltet, da das Kühlmittel alle Kühlmittelkanäle 19, 25 nacheinander durchströmt. Somit ist die Kühlmittelleiteinrichtung 28 in diesem Ausführungsbeispiel einflutig konstruiert.
Zwischen der Abgasleiteinrichtung und der Kühlmittelleiteinrichtung 28 ist ein Trennboden (hier nicht gezeigt) angeordnet, um so die jeweilige Abgasebe- nen 12 und Kühlmittelebene 13, insbesondere die Abgaskanäle und die Kühlmittelkanäle 19, 25 räumlich voneinander zu trennen. Insbesondere auf Grund der hier gewählten Kombination aus dem vorliegenden Wellblech 29, dem Trennboden und den verschlossenen Stirnseiten 33, 33A erfährt der Abgasverdampfer 5 im Zusammenhang mit der Sandwichbauweise 11 in besonders vorteilhafter Weise eine sehr hohe Festigkeit. Es versteht sich, dass der beschriebene Abgasverdampfer 5 nur ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, jedoch nicht einschränkend hinsichtlich der Erfindung zu verstehen ist.
Fig. 5 zeigt eine als Wellblech 41 ausgebildete Zusatzscheibe, welche in eine nicht weiter dargestellte Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist. Das Wellblech 41 weist einstückig miteinander ausgebildete Trennwände 42, 42a auf, welche Strömungskanäle 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50 voneinander trennen. Hierbei bilden die Strömungskanäle 43 und 45 einen ersten Strömungspfadabschnitt, die Strömungskanäle 44 und 46 einen zweiten Strömungspfadabschnitt, die Strömungskanäle 47 und 49 einen dritten Strömungspfadabschnitt und die Strömungskanäle 48 und 50 einen vierten Strömungspfadabschnitt.
Der erste und der dritte Strömungspfadabschnitt werden dabei beispielsweise auf den Betrachter zu durchströmt, wohingegen der zweite und der vierte Strömungspfadabschnitt vom Betrachter weg durchströmt werden. Der erste Strömungspfadabschnitt 43, 45 ist dabei mit dem zweiten Strömungspfadab- schnitt 44, 46 über einen durch eine Aussparung 51 gebildeten Umlenkabschnitt verbunden. Der zweite Strömungspfadabschnitt 44, 46 ist mit dem dritten Strömungspfadabschnitt 47, 49 über einen nicht gezeigten Umlenkabschnitt verbunden. Der dritte Strömungspfadabschnitt 47, 49 ist wiederum mit dem vierten Strömungspfadabschnitt 48, 50 über einen durch eine Aus- sparung 52 gebildeten Umlenkabschnitt verbunden. Durch die Aussparungen 51 , 52 ergeben sich die Umlenkabschnitte bildende Lücken zwischen den Trennwänden 42 und einer nicht gezeigten, die Strömungskanäle auf ihrer dem Betrachter zugewandten Stirnseite verschließenden Seitenwand des ersten Strömungsraums, in welchem das Wellblech 51 angeordnet ist. Die Trennwände 42a sind dagegen mit der Seitenwand verbunden, so dass die Strömungspfadabschnitte in der erwähnten Reihenfolge und abwechselnd in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmt werden. Somit ergibt sich für das erste Medium ein einziger serpentinenartig mäandrie- render Strömungspfad durch den ersten Strömungsraum, welcher durch eine Hintereinanderschaltung der Strömungspfadabschnitte gebildet wird.
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung auch durch eine Abgasanlage mit einem Abgasverdampfer gelöst, welche einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges nachgeschaltet ist, wobei der Abgasverdampfer eine Sandwichbauweise aufweist, bei welcher Abgasebenen und Kühlmittelebenen abwechselnd unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, wobei der Abgasverdampfer bevorzugt abgasseitig eine Abgasleiteinrichtung und verdamp- ferseitig eine Kühlmittelleiteinrichtung aufweist, welche räumlich voneinander getrennt sind, wobei bevorzugt in jeder der Kühlmittelebenen mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlmittelkanäle angeordnet sind, die insbesondere räumlich untereinander verbunden sind, wobei die Kühlmittelkanäle bevorzugt an ihren Stirnseiten verschlossen sind.
Bevorzugt sind an einer ersten Trennwand eines ersten Kühlmittelkanals an einer ersten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine erste Verbindungsöffnung zu einem zweiten Kühlmittelkanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Kühlmittelkanals an einer zweiten Stirnseite des ersten Kühlmittelkanals eine zweite Verbindungsöffnung zu einem weiteren Kühlmittelkanal angeordnet, wobei die Kühlmittelkanäle bevorzugt gemeinsam eine einzige mäandrierende Kühlmittelwegstrecke durch den Abgasverdampfer bilden und/oder im Wesentlichen vertikal ausgerichtet innerhalb des Abgasverdampfers, insbesondere im Wesentlichen vertikal zu einer Fahrbahnoberfläche, angeordnet sind, wobei der Abgasverdampfer bevorzugt eine Kühlmit- telwegstrecke und eine Abgaswegstrecke aufweist, wobei die Kühlmittelweg- strecke anders orientiert in dem Abgasverdampfer angeordnet ist als die Abgaswegstrecke.
Bevorzugt sind Kühlmittelkanäle einer Kühlmittelebene mittels eines in der Kühlmittelebene mehrfach gefalteten Wellblechs gebildet und/oder die Abgasleiteinrichtung mehrflutig und die Kühlmittelleiteinrichtung einflutig ausgebildet ist.
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gelöst, bei welchem Abgase der Brennkraftmaschine mittels einer Abgasanlage in die Umgebung geleitet werden und den Abgasen zuvor mittels verdampfbarer Kühlmittel Wärmeenergie entzogen wird, wobei die Abgase innerhalb eines Abgasverdampfers in einer ersten Hauptströmungsrichtung und die Kühlmit- tel in einer der ersten Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Hauptströmungsrichtung durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden, wobei die Kühlmittel streckenweise quer zu den Hauptströmungsrichtungen durch den Abgasverdampfer hindurch geleitet werden.
Bezugsziffernliste
1 Kraftfahrzeug
2 Brennkraftmaschine 3 Abgasanlage
4 Abgasstrang
5 Abgasverdampfer
6 Katalysator
7 Mittelschalldämpfer 8 Endschalldämpfer
9 Räder
10 Fahrbahnuntergrund
11 Sandwichbauweise
12 Abgasebene 13 Kühlmittelebene
14 Dicke
15 vertikale Ausrichtung
16 Unterseite
17 Wasserdampf 18 Einlassöffnung
19 Kühlmittelkanal
19A erster Kühlmittelkanal
19B zweiter Kühlmittelkanal
19C weiterer Kühlmittelkanal 20 Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels
21 Hauptströmungsrichtung der Abgase
22 Kühlmittelwegstrecke
23 Verbindungsöffnungen 23A erste Verbindungsöffnung 23B zweite Verbindungsöffnung
24 Trennwände 24A erste Trennwand 24B zweite Trennwand
25 Kühlmittelkanäle
26 erste Nebenströmungsrichtung 27 zweite Nebenströmungsrichtung
28 Kühlmittelleiteinrichtung
29 Wellblech
30 Glattrippengeometrie
31 Rippenbreite 32 Rippenhöhe
33 erste Stirnseite 33A zweite Stirnseite
34 Auslassöffnung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und ei- nem zweiten Medium, mit in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten
Scheibenpaaren, wobei zwischen den zwei Scheiben zumindest eines Scheibenpaares ein von einem ersten Medium durchströmbarer erster Strömungsraum und zwischen zwei zueinander benachbarten Scheibenpaaren ein von einem zweiten Medium durchströmbarer zweiter Strö- mungsraum ausgebildet sind, wobei der erste Strömungsraum einen ersten Strömungspfad mit nacheinander in entgegengesetzten Richtungen durchströmbaren Strömungspfadabschnitten für das erste Medium aufweist, welche durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete Trennwand voneinander getrennt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei zwei unmittelbar nacheinander durchströmbare Strömungspfadabschnitte über einen Umlenkabschnitt miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Umlenkabschnitt durch eine
Aussparung, insbesondere einen Durchbruch in der Trennwand gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Umlenkabschnitt durch eine zwischen der Trennwand und einer seitlichen Begrenzung des ersten Strömungsraums, insbesondere dem Scheibenpaar verbleibenden Lücke gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei oder mehr als zwei Trennwände miteinander einstückig ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die zwei oder mehr Trennwände durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordnete und insbesondere als Wellblech ausgebil- dete Zusatzscheibe gebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Strömungspfadabschnitt einen, zwei oder mehr als zwei zueinander parallel durchströmbare Strömungskanäle aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 7, wobei zumindest zwei der Strömungskanäle des zumindest einen Strömungspfadabschnittes über den Umlenkabschnitt miteinander verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle an ihren Stirnseiten verschlossen sind, insbesondere durch eine Begrenzung des ersten Strömungsraums, insbesondere durch eine oder beide Scheiben des Scheibenpaars.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer ersten Trennwand eines ersten Strömungskanals an einer ersten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein erster Umlenkabschnitt zu einem zweiten Strömungskanal und an einer zweiten Trennwand des ersten Strömungskanals an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des ersten Strömungskanals ein zweiter Umlenkabschnitt zu einem von dem zweiten Strömungskanal unterschiedlichen dritten Strömungskanal angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle gemeinsam mit den Umlenkkanälen einen einzigen serpentinenartig mäandrierenden Strömungspfad durch den ersten Strömungsraum bilden.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Strömungsraum in unterschiedlichen Hauptströmungsrichtungen durchströmbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Strömungsraum einen größeren Strömungsquerschnitt als ein Strömungspfadabschnitt des Strömungspfades in dem ersten Strömungsraum, insbesondere einen größeren Strömungsquerschnitt als der erste Strömungsraum aufweist.
14. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Abgasleitung und einer in der Abgasleitung angeordneten Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einem Kühlmittel insbesondere eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors und dem Abgas oder zwischen einem Kälte- mittel eines Kältekreislaufs einer Klimaanlage und dem Abgas, wobei das Kühlmittel oder das Kältemittel insbesondere in der Vorrichtung verdampft wird, wobei die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
15. Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, wobei die ersten Strömungskanäle im Wesentlichen vertikal, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zu einer Standfläche des Kraftfahrzeugs, wie Fahrbahnoberfläche, angeordnet sind.
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