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Abgaswärmeübertrager

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager mit einem Rohrbündel aus Abgasrohren und einem Bypasskanal nach dem Oberbegriff des Patent- anspruches 1.

Abgaswärmeübertrager sind - insbesondere bei Kraftfahrzeugen - als Abgasheizungen, so genannte Zuheizer oder als Abgaskühler bekannt. Durch die DE-A 199 62 863 der Anmelderin wurde ein Abgaswärmeübertrager be- kannt, der insbesondere als Zuheizer in Kraftfahrzeugen mit verbrauchsoptimierten Motoren verwendbar ist, um das Heizwärmedefizit dieser Motoren zu kompensieren. Das Abgas gibt seine Wärme über ein Rohrbündel von Abgasrohren an das Kühlmittel ab, welches durch den Heizkörper der Fahrzeugheizung strömt. Für den Fall, dass die Abgasheizung nicht mehr benö- tigt wird, schaltet ein Abgasventil den Abgasstrom um, sodass er einen Bypasskanal durchströmt, der durch eine Trennwand von den Abgasrohren thermisch isoliert ist, was eine Heizwirkung weitestgehend unterbindet. Die Abgasrohre sind also in einem vom Kühlmittel durchströmten Gehäuse angeordnet, während der Bypasskanal in einem abgetrennten, thermisch iso- lierten Raum untergebracht ist. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist die Integration von Abgasrohren und Bypasskanal; nachteilig ist die raumaufwendige thermische Isolierung des Bypasskanals.

Durch die DE-A 102 03 003 wurde ein Abgaswärmeübertrager bekannt, der vorwiegend als Abgaskühler in einem Abgasrückführsystem (AGR-System)

einsetzbar ist. Dabei wird Abgas einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors entnommen, im Abgaskühler durch das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes gekühlt und dem Motor zur vollständigen Verbrennung wieder zugeführt. Auch hier ist ein Bypasskanal parallel zu einem Rohrbündel von Ab- gasrohren geschaltet, wobei der Abgasstrom entweder zum Zwecke der Kühlung durch das Rohrbündel oder im Falle der Nichtkühlung durch den Bypasskanal geleitet wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Abgaswärmeübertra- ger der eingangs genannten Art die thermische Isolierung zu verbessern, zu vereinfachen und möglichst Raum sparend zu gestalten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abgasrohre und der Bypasskanal in einem von Kühlmittel durchströmbaren Gehäuse angeordnet sind und dass der Bypasskanal durch eine Kunststoffummantelung thermisch isoliert ist. Wegen der relativ hohen Abgastemperaturen ist der Kunststoff hochtempe- raturfest, z. B. ein PTFE oder ein PI. Damit wird der Vorteil erreicht, dass auf zwei getrennte Räume mit einer Trennwand verzichtet und eine wirksame thermische Isolierung auf kleinstem Bauraum realisiert werden kann. Der Bypasskanal kann somit in unmittelbarer Nähe der Abgasrohre angeordnet und damit auch vom Kühlmittel umströmt werden, wobei er aufgrund seiner Isolierung keine oder wenig Wärme an das Kühlmittel abgibt, wenn er von heißen Abgasen durchströmt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Bypasskanal als Edelstahlrohr ausgebildet, vorzugsweise mit einem ovalen Querschnitt, d. h. in Anpassung an das Rohrbündel der Abgasrohre. Vorteilhafterweise beträgt die Wandstärke des Edelstahlrohres ca. 0,4 mm, sodass auch eine Ver- schweißung mit den Rohrböden möglich ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Kunststoffummantelung etwas kürzer als die Länge des Edelstahlrohres, sodass bei der Verschweißung des Edelstahlrohres mit den Rohrböden keine thermische Beeinträch- tigung der Kunststoffummantelung auftritt. Die Verschweißung erfolgt vor-

zugsweise mit Laserstrahlen, sodass nur eine lokal sehr eng begrenzte Zone im Bereich der Rohr/Bodenverbindung erwärmt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kunststoffummante- lung entweder als einstückiges Rohr oder als Rohr, bestehend aus zwei gefügten Halbschalen, ausgebildet. Dabei ist ein einstückiges, z. B. extrudiertes Kunststoffrohr besonders preiswert. Ein zweiteiliges Rohr dagegen kann auch nach der Verschweißung mit den Rohrböden montiert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind in der Kunststoffummante- lung so genannte Entgasungsbohrungen, vorzugsweise auf der Ober- und auf der Unterseite der Ummantelung angeordnet. Zwischen der Außenfläche des Edelstahlrohres und der Innenfläche der Kunststoffummantelung besteht ein geringer Spalt, der sich mit Kühlmittel füllt, welches infolge der hohen Abgastemperaturen zur Verdampfung gebracht wird. Der so entstehende Kühlmitteldampf hat einerseits eine isolierende Wirkung, soll jedoch andererseits, um Schäden zu vermeiden, durch die Entgasungsbohrungen nach außen entweichen.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt die Wandstärke der Kunststoffummantelung etwa 1 ,5 mm. Es ergibt sich somit der Vorteil einer wirksamen thermischen Isolierung auf geringstem Bauraum.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Abgaskühler in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 den Abgaskühler gemäß Fig. 1 im Schnitt mit Abgasklappe und

Fig. 3 ein kunststoffummanteltes Bypassrohr für den Abgaskühler.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Abgaskühler 1 für ein Abgasrückführsystem für Kraftfahrzeugmotoren. Der Abgaskühler 1 ist genauer in der DE-A 102 03 003 beschrieben, welche in vollem Umfang in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen wird. Im Wesentlichen weist der Abgaskühler 1 ein Rohrbündel 2 von Abgasrohren 3 und ein Bypassrohr 4 auf, welche stirn-

seitig in einem Rohrboden 5 verschweißt sind. Der gegenüberliegende, nicht dargestellte Rohrboden ist analog ausgebildet, d. h. auch dort sind die Ab- gasrohre 3 und das Bypassrohr 4 verschweißt und damit abgedichtet. Zwischen den Rohrböden ist ein Gehäuse 6 angeordnet, welches von Kühlmittel durchströmt wird; es weist daher Kühlmittelanschlüsse 6a, 6b auf, welche mit einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges verbunden sind. Sämtliche Teile des Abgaskühlers 1 sind vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Abgaskühler 1 mit Gehäuse 6, welches über den Rohrboden 5 hinaus zu einem Abgaseintrittsstutzen 7 verlängert ist, welcher einen Abgaseintrittsbereich 8 bildet. Der Eintritt des Abgasstroms ist durch einen Pfeil A dargestellt. Im Abgaseintrittsbereich 8 ist unmittelbar vor dem Rohrboden 5 eine schwenkbare Klappe 9 angeordnet, welche zwei winklig angeordnete Schließflächen 9a, 9b aufweist und um eine Schwenkachse 9c schwenkbar ist. Die Stellung der Abgasklappe 9 wird durch einen nicht dargestellten Stellmotor bewirkt. In der dargestellten Klappenposition sind die Abgasrohre 3 verschlossen, während der Querschnitt des Bypassrohres 4 voll geöffnet ist. In der anderen, nicht dargestellten Klappenposition verschließt der Schenkel 9a den Bypasskanal 4, gleichzeitig werden die Querschnitte der Abgasrohre 3 freigegeben - damit wird eine Kühlung der Abgase durch das Kühlmittel, welches das Gehäuse 6 durchströmt, bewirkt. Beide Darstellungen in Fig. 1 und Fig. 2 entsprechen - wie erwähnt - dem oben genannten Stand der Technik, insbesondere im Hin- blick auf die Ausbildung des Bypasskanals 4.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes ummanteltes Bypassrohr 10, welches den Bypasskanal 4 nach dem Stand der Technik in Fig. 1 und Fig. 2 ersetzt. Das Bypassrohr 10 ist aus Edelstahl hergestellt und weist etwa eine Materi- alstärke von 0,4 mm und einen dem bekannten Bypassrohr entsprechenden Querschnitt (in Relation zu den Abgasrohren 3) auf. Der Querschnitt ist - wie aus der Zeichnung ersichtlich - oval, d. h. mit zwei flachen Seiten und zwei gerundeten Schmalseiten. Das Bypassrohr 10 ist von einer Ummantelung 11 aus hochtemperaturfesten Kunststoff, z. B. PTFE oder PI, umgeben, wobei die Ummantelung 11 dicht, d. h. mit einem Klemm- oder Schiebesitz am Au-

ßenumfang des Bypassrohres 10 anliegt. Die Ummantelung 11 umschließt das Bypassrohr voll umfänglich, bezüglich der Länge ist die Ummantelung 11 jedoch kürzer als das Bypassrohr 10, welches stirnseitig jeweils einen überstand ü gegenüber der Ummantelung 11 aufweist. Dieser überstand ü ist aus fertigungstechnischen Gründen vorgesehen, weil die Stirnseiten des Bypassrohres 10 in die Rohrböden gesteckt und dort verschweißt werden. Bei der Verschweißung soll keine unzulässige Erwärmung der Kunststoff- ummantelung 11 auftreten. Die Schweißverbindung wird vorzugsweise durch Laserschweißen ausgeführt, sodass nur mit einer örtlich stark eingeschränk- ten Wärmeentwicklung zu rechnen ist. Somit reicht die Kunststoffummante- lung 11 im eingebauten Zustand des Bypassrohres 10 fast unmittelbar bis an die Rohrböden, sodass eine nahezu vollständige Isolierung des Bypassrohres 10 durch die Kunststoffummantelung 11 gegeben ist. Die Materialstärke der Kunststoffummantelung beträgt etwa 1 ,5 mm. Die Kunststoffummante- lung 11 kann entweder einstückig als extrudiertes Kunststoffrohr ausgebildet oder aus zwei Halbschalen 11a, 11 b - wie in der Zeichnung dargestellt - hergestellt sein. Im Falle einer zweiteiligen Ausbildung sind die beiden Halbschalen 11a, 11b an ihren Längsseiten, d. h. den Schmalseiten des Bypassrohres 10 durch einen Flansch 11c miteinander verbunden. In der oberen und der unteren Halbschale 11a, 11 b der Kunststoffummantelung 11 sind mehrere Entgasungsbohrungen 12 mit einem Durchmesser von etwa 2 mm angeordnet. Die Entgasungsbohrungen 11 schaffen eine Verbindung zwischen einem nicht dargestellten Spalt zwischen Kunststoffummantelung 11 und Abgasrohr 10, der sich im Betrieb des Abgaskühlers mit Kühlmittel füllt. Das Kühlmittel verdampft, wenn heißes Abgas durch das Bypassrohr 10 strömt. Durch die Entgasungsbohrungen 12 kann der Kühlmitteldampf nach außen in das Kühlmittel entweichen, und es wird verhindert, dass sich innerhalb der Kunststoffummantelung 11 ein zu hoher Druck aufbaut. Gleichzeitig wird durch diese Verdampfung des Kühlmittels im Spalt zwischen Kunst- stoffummantelung 11 und Bypassrohr 10 eine zusätzliche thermische Isolation bewirkt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Bypassrohres 10, d. h. durch die Kunststoffummantelung 11 können sowohl die Abgasrohre 3 als auch das Bypassrohr 10 mit Ummantelung 11 zusammen in dem vom Kühlmittel

durchströmten Gehäuse 6 angeordnet werden, ohne dass es einer Trennwand innerhalb des Gehäuses 6 zur Isolierung des Bypasskanals bedarf. Es ergibt sich daraus eine raumsparende Bauweise bei gleichzeitig wirksamer thermischer Isolierung.