Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher zur Abgaskühlung einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Stand der Technik Aus der DE 10 2008 014 169 A1 ist ein Wärmetauscher zur Abgaskühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges bekannt, welcher aus zwei Teilwärmetauschern besteht, wobei in dem ersten Teilwärmetauscher ein erstes Kühlmittel strömt, während der zweite Teilwärmetauscher von einem zweiten Kühlmittel durchströmt wird. Der erste und der zweite Teilwärmetauscher sind dabei so miteinander montiert, dass das zu kühlende Abgas zuerst den ersten und anschließend den zweiten Teilwärmetauscher durchströmen kann. Jeder Teilwärmetauscher weist dabei einen ersten Strömungskanal zur Durchströmung mit dem zu kühlenden Abgas und einen zweiten Strömungskanal zur Durchströmung mit dem Kühlmittel auf. Im Inneren des ersten Strömungskanals ist dabei eine Rippenstruktur zur Vergrößerung der Oberfläche zur Aufnahme der durch das Abgas abgegebenen Wärme ausgebildet, in Japan Abstracts 2009/139053A ist ein Wärmetauscher zur Kühlung von Abgas offenbart, welcher unterschiedliche Rippengeometrien am Ein- und Ausgang des Strömungskanals des Abgases aufweist. Mittels dieser Ausgestaltung soll einem Zusetzen des Strömungskanals durch Ruß vorgebeugt werden, um eine Leistungsminderung des Wärmetauschers zu verhindern. In Japan Abstracts 2008/096048A ist eine innere Rippe für einen Abgaswärmetauscher dargestellt, bei welchem eine Rußbildung, die die Leistung des Wärmetauschers reduziert, unterdrückt werden soll. Die innere Rippe weist dabei eine mäanderförmige Form auf, wobei die Spitzen zweier zueinander liegender inneren Rippen des Strömungskanals so verschoben sind, dass die Rippengeometrien ineinander greifen.

Das Zusetzen des Strömungskanals des Abgases wird als Fouling bezeichnet.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung. Vorteile Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Abgaswärmetauscher zur Abgaskühlung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welchen trotz Rußbildung ein hohes Leistungsvermögen aufrechterhalten wird.

Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Abgaswärmetauscher zur Abgaskühlung einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, mit einem ersten Strömungskanal zur Durchströmung mit einem zu kühlenden Abgas und einen zweitem Strömungskanal zur Durchströmung mit einem Kühlmedium, wobei im Inneren des ersten Strömungskanals eine Rippenstruktur ausgebildet ist, Erfindungsgemäß weist die Rippenstruktur einen Bereich auf, welcher eine Kondensatbildung des Abgases erzeugende Rippen (42) umfasst. Dies hat den Vorteil _» dass durch eine erzwungene Kondensatbildung der sich im Abgaswärmetauscher abgesetzte Ruß durch das flüssige Kondensat aus dem Abgaswärmetauscher transportiert werden kann. Durch diese Ausgestaltung wird der Abgaswärmetauscher immer frei gespült» so dass ein Zusetzen der Strömungskanäle des Abgases durch Ruß zuverlässig verhindert und eine Leistungsminderung des Abgaswärmetauschers unterbunden wird.

Vorteilhafterweise ist die Rippenstruktur in mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Rippen unterteilt _» wobei die, eine Kondensatbildung des Abgases erzeugenden Rippen des ersten Bereiches in Strömungsrichtung des Abgases vor einem zweiten Bereiches angeordnet sind, der zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildete Rippen umfasst. Durch die Variation der Bereiche in Strömungsrichtung kann je nach Bauart des Abgaswärmetauschers zuverlässig das Kondensat in dem Bereich erzeugt werden, an welchen sich ein Bereich anschließt, in dem mit einer großen Rußbildung gerechnet wird und dessen Ausspülen des Wärmetauschers erforderlich ist,

In einer Ausgestaltung sind die, die Kondensatbildung des Abgases erzeugenden Rippen des ersten Bereiches als Glattrippen ausgebildet sind, während die, zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildeten Rippen des zweiten Bereiches schräg verzahnt sind. Durch die Glattrippen des ersten Bereiches ist ein guter Abiauf des Kondensates im Strömungskanal gewährleistet, wobei gleichzeitig eine Ausspülung ermöglicht wird. Durch die schräg verzahnten Rippen des Bereiches zur Leistungserhöhung wird eine große Wärmetauschoberfläche geschaffen, um das von der Brennkraftmaschine abgegebene Abgas gut abkühlen zu können. Durch die unterschiedliche Verzahnung der Rippen wird deren Leistung und somit auch die Wandtemperatur so eingestellt, dass im leistungsstarken Bereich der Rippenstruktur, wo es warm ist, kein Wasser kondensiert» während in dem zweiten Bereich, welcher als Kondensationsbereich bezeichnet werden kann, ein Wärmeübergang in die Rippenstruktur extrem reduziert wird, wodurch die Rippentemperatur sehr niedrig wird, so dass dort an der kalten Rippenstruktur viel Wasser kondensiert, das dann stromabwärts weiter transportiert und den dort folgenden, wieder leistungsstarken Bereich vor» Ruß frei wäscht, Dadurch werden Leistungsverluste durch ein Zusetzen der Strömungskanäle weitgehend verhindert, wodurch eine sehr hohe Kühlleistung gewährleistet wird,

Die Kondensation erfolgt bei niedriger Abgastemperatur an der Wandgrenzschicht des Strömungskanals, wenn der Taupunkt von Wasser unterschritten ist. Es bildet sich durch Kondensation das kritische Rußkondensatgemisch, Dabei bieten Rippengeometrien ohne Versatz, wie Glattrippen oder tiefengewellte Rippen, starke Vorteile gegenüber Schrägrippen, welche bei höheren Abgastemperaturen klar leistungsstärker sind. Bei Rippen ohne Versatz sammelt sich das Kondensat an der Wand und fließt an dieser ab. Dabei verbleibt das Kondensat besonders wirksam an der Wand, wenn eine möglichst schwache Wellung der Rippenstruktur vorgesehen ist. Die Glattrippe, welche bei übrigen Abgaskühleranwendungen die leistungsschwächste Rippenstruktur ist, stellt sich für den Einsatz der Wasserkondensation als besonders leistungsstark heraus, da wegen der Auswaschung kein nennenswerter Leistungsabfall durch Fouling auftritt.

In einer Variante ist die Rippenstruktur aus mindestens zwei separaten Teilen zusammengesetzt, wobei ein erstes Teil die Kondensatbildung des Abgases erzeugenden Rippen aufweist, während das zweite Teil zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildete Rippen trägt. Durch die verschiedene Rippengeometrien aufweisende Bereiche lassen sich diese separaten Teile getrennt voneinander einfach herstellen.

In einer Weiterbildung ist eine Rippendichte der, die Kondensatbildung des Abgases erzeugenden Rippen des ersten Teiles gleich oder größer einer Rippendichte der, zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildeten Rippen des zweiten Teiles, Durch die hohe Rippendichte des ersten Teiles wird eine hohe Kondensation des Abgases realisiert, so dass ausreichend flüssiges Kondensat zum Ausspülen der leistungsstarken Bereiche vorhanden ist.

In einer Ausführungsform ist die Rippenstruktur einteilig ausgebildet, wobei die mindestens zwei Bereiche mit den unterschiedlichen Rippen aus einer einheitlichen Rippendichte der Rippenstruktur ausgebildet sind. Die Ausbildung der Rippenstruktur mit einer gleichbleibenden Rippendichte vereinfacht den Herstellungsprozess der Rippenstruktur.

In einer Variante sind drei Bereiche mit unterschiedlichen Rippen symmetrisch zu einer Mitte des Abgaswärmetauschers ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls der Herstellungsprozess vereinfacht, da insbesondere Säbeligkeit beim Stanzprozess vermieden wird.

In einer weiteren Ausgestaltung sind zwei Bereiche mit gleichen, zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildete Rippen am Abgaseintritt und am Abgasaustritt angeordnet, während der Bereich mit den unterschiedlichen, die Kondensatbildung des Abgases erzeugenden Rippen zwischen den beiden, zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildete Rippen umfassenden Bereichen angeordnet ist. In dem mittleren zweiten Bereich wird gezielt Kondensat gebildet, um ein Freiwaschen der Rippen des darauffolgenden Bereiches zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers zu vereinfachen. Durch eine nicht unterbrochene Rippengeometrie soll der Ablauf des Kondensats verbessert werden,

In einer Ausgestaltung nimmt der mindestens eine zweite, die zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers ausgebildete Rippen umfassende Bereich mindestens 25% der Länge der Rippenstruktur ein. Dadurch entsteht eine sehr leistungsstarke Geometrie, welche den Wirkungsgrad des Abgaswärmetauschers erhöht. In einer Ausführungsform sind die Rippen durch eine Steglinge und/oder einen Anstellwinkel und/oder eine Wellung gekennzeichnet. Durch diese unterschiedlichen Rippengeometrien lassen sich einfach verschiedene Bereiche der Rippenstruktur herstellen, je nachdem welche Leistung in den einzelnen vorgegebenen Bereichen erzielt werden soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen; Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Abgaswärmetauschers,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rippenstruktur des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers gemäß Fig. 1.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers, wie dieser bei einer Brenn kraftmasch ine eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommt. Der Abgaswärmetauscher 1 besteht aus einem Gehäuse 2, in dem mehrere, als Strömungskanäle für das Abgas dienende Flachrohre 3 angeordnet sind, die jeweils eine Rippenstruktur 4 aufweisen. Die Flachrohre 3 sind dabei an einen Abgaseintritt 5 und einen Abgasaustritt 8 angeschlossen. Die Flachrohre 3 sind untereinander so miteinander verbunden, dass ein Kühlmittel, welches zwischen den Flachrohren 3 fließt, und einen separaten Kühlmitteleingang 7 und Kühlmittelausgang 8 aufweist, nicht direkt mit dem zu kühlenden Abgas der Brennkraftmaschine in Berührung kommt. Der Strömungskanal 12 des Kühlmittels liegt zwischen den Flachrohren 3.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Rippenstruktur 4, welche innerhalb eines Flachrohres 3 ausgebildet ist und welche in Strömungsrichtung des Abgases (Pfeil P) alternierend ausgebildet ist. Die Rippenstruktur 4 weist dabei drei Bereiche 9, 10 _» 11 auf. Zwei Bereiche 9, 11 mit schräg verzahnten Rippen 41 sind dabei jeweils am Abgaseintritt 5 bzw. Abgasaustritt 6 angeordnet. Die Ausdehnung dieser beiden Bereiche 9, 1 1 ist gleich groß. Der mittlere Bereich 10 weist andere Rippen 42, beispielweise in Form von Glattrippen, auf, und variiert, in seiner Ausdehnung je nach benötigter Leistung. Dieser mittlere Bereich 10 kann neben Glatt rippen aber auch Wellungen oder Stegrippen mit einer Länge von >5 mm aufweisen, wobei dieser mittlere Bereich 10 als Kondensationsbereich arbeitet. Der erste und der dritte Bereich 9, 1 1 , bei welchen die Rippen 41 zur Leistungserhöhung des Abgaswärmetauschers 1 dienen, weisen Stegrippen mit Stegen <5 mm auf, um eine hohe Leistung zu erzielen. Die Rippendichte in dem mittleren Bereich 10, in welchen die Rippen 42 die Kondensationszone bilden, entspricht mindestens 70% der Rippendichte des leistungsstärkeren ersten und dritten Bereiches 9, 1 1 . Besonders günstig für die Ausbildung eines Kondensates in dem zweiten Bereich 10 ist es, wenn die Rippendichte in diesem Bereich 10 gleich hoch oder größer als in den Bereichen 9, 1 1 der hohen Leistung ist.

Da am Abgaseintritt 5 die Abgastemperatur in der Regel noch so hoch ist, dass, auch wenn die Küh (mitte Item peratur deutlich unter dem Taupunkt von Wasser im Abgas liegt, noch kein Wasser als Kondensat im Abgas kondensiert, ist es vorteilhaft, eine möglichst hohe Kühlerieistung, z.B. durch eine leistungsstarke optimierte Rippengeometrie, zu erreichen. Bei gleicher Rippendichte der Rippenstruktur 4 und infolge unterschiedlicher Verzahnung der Rippen 41 , 42 wird die Leistung und somit auch die Wandtemperatur des Abgaswärmetauschers 1 so eingestellt, dass im leistungsstarken vorderen ersten Bereich 9 die Rippen 41 so warm sind, dass kein Wasser kondensiert. Anschließend kann in dem zweiten Bereich 10 (Kondensationsbereich) der Wärmeübergang zu den Rippen 42 extrem reduziert werden, Die Rippen 42 weisen eine sehr niedrige Temperatur auf, so dass dort an den kalten Rippen 42 viel Wasser kondensiert, das dann stromabwärts durch das Abgas wester transportiert und den dort folgenden dritten leistungsstarken Bereich 1 1 von Ruß frei wäscht. Aufgrund dieser Ausgestaltung wird eine Kondensatbildung im mittleren Bereich 10 mit den Rippen 42 gezielt beeinftusst, um in Strömungsrichtung des Abgases (Pfeil P) zur Minimierung des Leistungsverlustes und des Druckverlustanstieges ein Abtransportieren von Ruß, insbesondere in Niedertemperatur-Abgaskühler-Anwendungen, zu gewährleisten. Dabei wird die Charakteristik des Strömungskanals innerhalb des Flachrohres 3 in Strömungsrichtung des Abgases so variiert, dass in einzelnen Bereichen 9, 11 gezielt eine Kondensation vermieden wird, während in anderen Bereichen 10 eine so starke Kondensation erzwungen wird, dass der in den leistungsstarken Bereichen 1 1 abgesetzte Ruß durch das Kondensat vermindert und abtransportiert werden kann. Die Rippen 41 , 42 der Bereiche 9, 10, 1 1 der Rippenstruktur 4 können je nach Kombination von lokaler Abgastemperatur und Kühimitteltemperatur spezifisch ausgebildet werden.

Es wird gewährleistet, dass der Abgaswärmetauscher 1 auch unter normalen 5 Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeuges, also bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, die geforderte Leistung erbringt. Die Leistungsoptimierung stellt dabei einen ausgewogenen Komprom iss zwischen den Anforderungen in den verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dar. Bei üblichen PKW- und LKW-Anwendungen tritt l f) Wasserkondensation nur in der Aufwärmphase auf. Bei Kühlarchitekturen mit einem separaten Niedertemperatur-Kühikreis und einem Niedertemperatur- Gaskühler tritt Wasserkondensation auch noch auf, wenn die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erreicht ist. Um dem unterschiedlichen Kondensationsverhalten der Bereiche 9, 10, 1 1 Rechnung

15 zu tragen, wird eine Rippenstruktur 4 des Flachrohres 3 mit mindestens zwei unterschiedlichen Rippengeometrien eingesetzt.

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