Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

In modernen Brennkraftmaschinen wird zunehmend ein Teil des Verbrennungsabgases abgezweigt, als Ballastgas mit angesaugter Frischluft vermischt und in den Brennraum zurückgeführt, um die Wärmekapazität des Brenngemischs zu erhöhen und somit die Verbrennungstemperatur abzusenken. Zur Verringerung von Stickoxidemissionen werden in diesem Zusammenhang sogenannte Abgaskühler eingesetzt, die thermisch in hohem Maße durch die eingeleiteten Verbrennungsabgase belastet werden. Letztere können im Betrieb der Brennkraftmaschine Temperaturen von bis zu 700 °C erreichen.

Herkömmliche Abgaskühler genügend meist dem Wirkprinzip eines Abgaswärmeübertragers, der die vom Verbrennungsabgas aus dem Brennraum abgeführte Wärme auf ein Kühlmittel überträgt. Da die Stoffströme als solche im Abgaskühler bzw. Abgaswärmeübertrager durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind, werden entsprechende Vorrichtungen in Fachkreisen als indirekte Abgaswärmeübertrager, Rekuperatoren oder Wärmetauscher klassifiziert.

Aus der EP 2 559 962 A2 ist ein Abgaswärmeübertrager mit einem Rohrbündel mit abgasführenden Rohren bekannt, wobei selbiges Rohrbündel eingangs- und ausgangsseitig jeweils in einem Boden gefasst ist. Das Rohrbündel ist dabei von einem mit Kühlmittel durchströmten Gehäuse umgeben, welches somit das Rohrbündel umschließt und stirnseitig durch die beiden Böden begrenzt ist. Zur Kühl- mittelzu- bzw. -abführung sind ein Kühlmitteleinlass sowie ein Kühlmittelauslass vorgesehen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgaswärmeübertragern strömt üblicherweise ein Kühlmittel über ein Rohr gerade in ein Gehäuse ein, in welchem ein Verbrennungsabgase transportierendes Rohrbündel angeordnet ist und welches stirnseitig durch zwei Rohrböden begrenzt ist. Das einströmende Kühlmittel strömt dabei in einer vorgegebenen Richtung in das Gehäuse ein und verteilt sich Undefiniert. Durch das Undefinierte Verteilen des Kühlmittels kann es jedoch zu weniger gut durchströmten Bereichen kommen, insbesondere im Bereich eines Rohrbodens, so dass dort die Gefahr eines lokalen Siedens besteht, wodurch die Lebensdauer des Abgaswärmeübertragers reduziert wird.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Abgaswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die Gefahr eines lokalen Siedens von Kühlmittel verhindert bzw. zumindest minimiert.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine in einen Abgaswärmeübertrager einzuleitende Kühlmittelströmung gezielt an siedegefährdete Stellen zu lenken und dadurch eine optimale Kühlung in diesen Bereichen zu erreichen und gleichzeitig die Gefahr des lokalen Siedens, die in diesen Bereichen verstärkt auftritt, zumindest zu reduzieren. Der erfindungsgemäße Abgaswärmeübertrager weist dabei ein Rohrbündel mit, insbesondere parallelen, abgasführenden Rohren auf, die eingangsseitig in einem ersten Rohrboden und ausgangsseitig in einem zweiten Rohrboden gehalten sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein das Rohrbündel umgebendes und von einem Kühlmittel durchströmtes Ge- häuse, welches stirnseitig durch die beiden Rohrböden begrenzt ist und einen Kühlmitteleinlass sowie einen Kühlmittelauslass aufweist. Erfindungsgemäß besitzen nun das Rohrbündel einen gestuften Außenumfang und das Gehäuse einen runden Querschnitt, so dass zwischen dem Rohrbündel und dem Gehäuse Kühlmittelbypasskanäle angeordnet sind, durch welche das Kühlmittel direkt vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass strömen könnte. Der Kühlmitteleinlass befindet sich dabei im Bereich des zweiten Rohrbodens, während der Kühlmitteleinlass im Bereich des ersten Rohrbodens angeordnet ist, so dass das Kühlmittel im Gehäuse im Gegenstrom zum Abgas in den Rohren, bzw. den Flachrohren, strömt. Zusätzlich sind die Kühlmittelbypasskanäle zumindest teilweise durch ein Inlay versperrt, das einen Kühlmittelstrom gezielt in Richtung des ersten Rohrbodens und über denselben lenkt und diesen dadurch gleichmäßig kühlt und insbesondere die Gefahr eines lokalen Siedens dort reduziert. Das Inlay übernimmt somit die Funktion einer Kühlmittelführung innerhalb des Abgaswärmeübertragers und ermöglicht dadurch nicht nur eine bestmögliche Kühlung des ersten Rohrbodens, insbesondere von siedegefährdeten Bereichen des ersten Rohrbodens, sondern ermöglicht zugleich auch eine verbesserte Durchströmung von Zwischenräumen zwischen den einzelnen Rohren im Rohrbündel, wodurch der Wärmeübertrag und die Leistung des Abgaswärmeübertragers insgesamt gesteigert werden können. Erreicht wird diese gezielte Führung des Kühlmittelstroms beispielsweise dadurch, dass das Inlay in seiner Form an einen Außenumfang der Rohre angeglichen ist, so dass zwischen den Rohren und dem Inlay ein Kühlmittelkanal entsteht, dessen Querschnitt im Wesentlichen dem Querschnitt eines Kühlmittelkanals zwischen zwei benachbarten Rohren entspricht. Ein Abstand zwischen den äußeren Rohren und dem Inlay entspricht somit bevorzugt dem Abstand zwischen zwei angrenzenden Rohren. An den beiden Längsenden des Inlays geht eine abgestufte Form eines Mittelteils des Inlays in eine halbrunde Form über, welche beispielsweise als zum Innenumfang des Gehäuses komplementär ausgebildeter Kragen ausgebildet sein kann, so dass das Inlay über diesen Kra- gen mit dem Gehäuse gefügt werden kann. Die Übergänge zwischen der Stufenform des Mittelteils und dem Kragen weisen dabei schräge Flächen auf, die die Kühlmittelströmung nicht oder nahezu nicht behindern und dadurch keinen oder nahezu keinen Druckverlust erzeugen. Das erfindungsgemäße Inlay ist dabei benachbart zum ersten Rohrboden angeordnet und dort mit einer Innenseite des Gehäuses gefügt. Durch das erfindungsgemäße Konzept des rundrohrähnlichen Gehäuses mit dem darin angeordneten Rohrbündel und Inlay sowie einer Verschattung des Abgaswärmeübertragers im Gegenstrom, wird eine bestmögliche Kühlung der Rohre und vor allen Dingen des Gaseintrittsbodens, das heißt des ersten Rohrbodens, erreicht, wodurch das Siederisiko des Abgaswärmeübertragers deutlich gesenkt werden kann. Im Umkehrschluss wird somit weniger Kühlmittel benötigt, um das Sieden zu vermeiden, wodurch wiederum eine Leistung einer Kühlmittelpumpe und schlussendlich ein Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs gesenkt werden können.

Durch die verbesserte Kühlung des ersten Bodens erhöht sich zudem die Ther- mowechselfestigkeit des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, wobei zugleich auf kostenintensive Designelemente, wie beispielsweise Gussringkanäle oder andere zusätzliche Bauteile, verzichtet werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Parallelstrom- Abgaswärmeübertragern, kann eine Geometrie des Kühlmitteleinlasses bzw. des Kühlmittelauslasses, das heißt der dort angeordneten Kühlmitteleinlass- oder Kühlmittelauslassstutzen frei gewählt werden, sofern ein definierter Öffnungsquerschnitt nicht unterschritten wird. Insbesondere kann dabei auf aufwändige Konstruktionen mit integrierten Leitelementen zur Kühlmittelführung verzichtet und auf kostengünstige Standardkomponenten, wie beispielsweise runde Blechstutzen, zurückgegriffen werden. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Inlay mit dem Gehäuse verschweißt, verlötet oder verschraubt. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltige Ausführungsformen des Inlays bzw. einer Verbindung desselben mit dem Gehäuse möglich sind. Es wäre theoretisch selbstverständlich auch ein Verstemmen oder ein Verkleben denkbar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung beträgt eine axiale Länge des Inlays zumindest 33 % der axialen Länge der Rohre, wodurch sichergestellt werden kann, dass ausreichend viel Kühlmittel in das Rohrbündel und damit zwischen die einzelnen Rohre gelenkt wird und diese dort kühlen kann. Bei zu kurzen bzw. schmalen Inlays bestünde nämlich die Gefahr, dass zu wenig Kühlmittel zwischen die eigentlichen Rohre und zu viel Kühlmittel durch die Kühlmittelbypasskanäle strömen würde, wodurch es unter Umständen zu einem Sieden des Kühlmittels im Bereich der Rohre kommen könnte. Aus diesem Grund ist die Länge des erfindungsgemäßen Inlays so gewählt, dass es bis zur Position des Rohrbündels reicht, an der eine Wandtemperatur der wärmeübertragenden bzw. abgasführenden Rohre nicht mehr siedekritisch ist, das heißt unterhalb einer Siedetemperatur des Kühlmittels liegt. Durch die Form bzw. Ausgestaltung des Inlays kann dabei gezielt definiert werden, wie viel Kühlmittel durch das Rohrbündel, das heißt zwischen den einzelnen Rohren, und wie viel Kühlmittel durch die jeweiligen Kühlmittelbypasskanäle zwischen den Rohren und dem Gehäuse strömen soll. Eine besonders optimierte Strömungsführung des Kühlmittels sowohl zwischen den einzelnen Rohren als auch im Bereich des ersten Bodens und der Kühlmittelbypasskanäle kann dabei durch eine axiale Länge des Inlays erreicht werden, die ca. ein Drittel der Länge der Rohre beträgt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sperrt das Inlay am ersten Rohrboden die im Bereich des Kühlmittelauslassstutzens ange- ordneten Kühlmittelbypasskanäle und gibt die gegenüberliegenden Kü hl mittel by- passkanäle frei, wodurch der erste Rohrboden quer zur Abgasströmung mit Kühlmittel überströmt, insbesondere gleichmäßig überströmt, wird, wodurch sich insbesondere siedegefährdete Stellen im Bereich des ersten Rohrbodens deutlich besser kühlen lassen. Auch hierdurch kann ein Siederisiko des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers deutlich gesenkt, wodurch im Umkehrschluss weniger Kühlmittel benötigt wird, um ein Sieden zu vermeiden und wodurch wiederum auch eine Leistung einer Kühlmittelpumpe und schlussendlich ein Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs gesenkt werden können. Zudem lässt sich durch die verbesserte Kühlung des ersten Bodens die Thermowechselfestigkeit erhöhen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Inlay aus einem tiefgezogenen Blech mit einer Wandstärke di von 0,3 mm kleiner di < 0,8 mm hergestellt. Selbstverständlich sind dabei auch Alternativen aus Kunststoff, insbesondere als Kunststoffspritzgussteil, oder andere Materialien, wie beispielsweise metallische Gussteile, denkbar, wobei insbesondere eine Variante mit dem tiefgezogenen Blech eine besonders bevorzugte Ausführungsform darstellt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Gehäuse aus Blech mit einer Wandstärke d _G von 1 ,0 mm < d _G < ,5 mm hergestellt. Diese vergleichsweise geringe Wanddicke und damit auch das geringe Gewicht des Abgaswärmeübertragers wird durch das erfindungsgemäße zylinderförmige Gehäuse ermöglicht, welches äußerst druckstabil ist und wobei das Gehäuse durch Einformen bzw. Verschweißen von Bandmaterial nicht nur äußerst wirtschaftlich, sondern auch in unterschiedlichsten und flexible zu wählenden Längen hergestellt werden kann. Die zylinderförmige Form des Gehäuses ist besonders günstig hinsichtlich der Druckstabilität, insbesondere im Vergleich zu recht- oder mehreckigen Gehäusequerschnitten, wobei zusätzlich Versteifungssicken oder ähnliche die Festigkeit steigernde Elemente nicht erforderlich sind. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager,

Fig. 2 eine Ansicht auf ein offenes Gehäuse des Abgaswärmeübertragers,

Fig. 3, 4 jeweils ein Inlay zum Einsetzen in das Gehäuse aus unterschiedlichen Ansichten,

Fig. 5 Längsschnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager,

Fig. 6 eine Querschnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager im Bereich des Inlays. Entsprechend der Figur 1 , weist ein erfindungsgemäßer Abgaswärmeübertrager 1 ein Gehäuse 2 (vergleiche auch die Figuren 2 sowie 5 und 6) auf, in welchem ein Rohrbündel 3 mit abgasführenden Rohren 4 (vergleiche Figur 6) angeordnet ist. Die Rohre 4 sind dabei eingangsseitig in einem ersten Rohrboden 5 (vergleiche Figur 5) und ausgangsseitig in einem zweiten Rohrboden 6 gehalten. Innerhalb der Rohre 4 strömt dabei Abgas in Richtung 6. Das Gehäuse 2, welches das Rohrbündel 3 umschließt und stirnendseitig durch die beiden Rohrböden 5, 6 begrenzt ist, weist zudem einen Kühlmitteleinlass 8 und einen Kühlmittelauslass 9 auf. Erfindungsgemäß besitzen nun das Rohrbündel 3 einen gestuften Außenumfang, wie dies beispielsweise der Figur 6 zu entnehmen ist, und das Gehäuse 2 einen runden Querschnitt, so dass zwischen dem Rohrbündel 3 und dem Gehäuse 2 Kühlmittelbypasskanäle 10 angeordnet sind. Der Kühlmitteleinlass 8 ist dabei im Bereich des zweiten Rohrbodens 6 angeordnet, während der Kühlmittelauslass 9 im Bereich des ersten Rohrbodens 5 angeordnet ist (vergleiche auch Figur 5), so dass das Kühlmittel im Gehäuse 2 im Gegenstrom zum Abgasstrom 7 in den Rohren 4 strömt. Die Kühlmittelbypasskanäle 10 sind dabei zumindest teilweise durch ein Inlay 1 1 versperrt, das einen Kühlmittelstrom 14 gezielt in Richtung des ersten Rohrbodens 5 lenkt und dort insbesondere in Richtung von siedegefährdeten Bereichen.

In Figur 6 sind dabei die durch das Inlay 1 1 versperrten Kühlmittelbypasskanäle durch das Bezugszeichen 10' bezeichnet. Das Inlay 1 1 ist darüber hinaus derart ausgebildet, dass es den Kühlmittelstrom 14 gezielt zwischen die Rohre 4 des Rohrbündels 3 lenkt und dadurch auch eine besonders effektive Kühlung der Rohre 4 und damit einen effektiven Wärmeübertrag ermöglicht. Erreicht wird dies dadurch, dass das Inlay 1 1 , wie dies gemäß den Figuren 2 bis 5 gezeigt ist, einen C-förmigen Querschnitt mit einem Mittelteil 12 und längsendseitig daran angeordnete und komplementär zum Innenumfang des Gehäuses 2 ausgebildeten Kragen 13, über welche das Inlay 1 1 flächig am Gehäuse 2 anliegt bzw. flächig mit diesem verbunden, beispielsweise verklebt, verschweißt, verlötet, verstemmt oder verschraubt werden kann. Das Mittelteil 12 weist dabei eine komplementär zum Außenumfang des Rohrbündels 3 ausgebildete Form auf, wie dies der Figur 6 zu entnehmen ist, so dass in diesem Bereich das Mittelteil 12 des Inlays 1 1 das Rohrbündel 3 formschlüssig beabstandet umgibt. Das Kühlmittel strömt dabei gemäß der Figur 2 zunächst über den Kühlmitteleinlass 8 in das Gehäuse 2 ein und wird dort im Bereich des zweiten Bodens 6 umgelenkt und durchströmt dann die Zwischenräume im Rohrbündel 3 zwischen den einzelnen Rohren 4 und zugleich auch die Kühlmittelbypasskanäle 10. Nach ca. 2/3 Drittel der Länge der Rohre 4 trifft der Kühlmittelstrom 14 auf das Inlay 1 1 , welches dort mit seinem Kragen 13 die Kühlmittelbypasskanäle 10' sperrt und den Kühlmittelstrom 14 im Folgenden lediglich noch über die Kühlmittelbypasskanäle 10 auf der dem Kühlmitteleinlass 8 und dem Kühlmittelauslass 9 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 sowie durch die einzelnen Kanäle zwischen den einzelnen Rohren 4 leitet. Hierdurch ist der Kühlmittelstrom 14 im Bereich der noch freien Kühlmittelbypasskanäle 10 stärker und gezwungen, beim Erreichen des ersten Rohrbodens 5 entlang diesem quer zur Richtung 7 hin zum Kühlmittelauslass 9 zu strömen, wodurch insbesondere ein siedegefährdeter Bereich am ersten Rohrboden 5 an einer dem Kühlmittelauslass 9 gegenüberliegenden Stelle des Gehäuses 2 besonders gut Kühlmittel überströmt und dadurch vor einem Sieden geschützt wird. Hierdurch kann insbesondere die Temperaturwechselfestigkeit des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers 1 deutlich gesteigert werden.

Das Inlay 1 1 selbst besitzt an dem Übergang zwischen dem jeweiligen Kragen 13 und dem Mittelteil 12 Schrägen 15, die die Kühlmittelströmung 14 nicht oder nur unwesentlich behindern und dadurch keinen oder nur einen geringfügigen Druckverlust erzeugen. Hergestellt werden kann das erfindungsgemäße Inlay 1 1 beispielsweise als tiefgezogenes Blechteil mit einer Wandstärke di von 0,3 mm < di < 0,8 mm oder alternativ auch als Kunststoffspritzgussteil oder als metallisches Gussteil. Hierdurch ist eine vergleichsweise kostengünstige aber dennoch qualitativ hochwertige Herstellung möglich. Das Gehäuse 2 selbst kann als umgeformtes und längsgeschweißtes Blechteil hergestellt werden, mit einer Wandstärke von d _G von 1 ,0 mm < d _G < 1 ,5 mm, wobei die vergleichsweise geringe Wandstärke aufgrund des druckstabilen Gehäuses 2 ermöglicht wird. Durch das umgeformte und entlang einer Schweißnaht 16 (vergleiche Figur 6) geschweißte Gehäuse 2 lassen sich auch unterschiedlich lange Gehäuse 2 vergleichsweise einfach und flexibel herstellen. Rohre 4 sind dabei vorzugsweise als Flachrohre ausgestaltet und können zudem die Wärmeübertragung steigernde Konturen, wie beispielsweise Winglets, Rippen oder Turbulenzeinlagen aufweisen.

Betrachtet man nochmals die Figur 6, so kann man erkennen, dass ein Kanal 17 zwischen dem Inlay 1 1 und den benachbarten Rohren 4 gleich groß ist wie ein Kanal 17' zwischen den einzelnen Rohren 4, wodurch eine besonders gleichmäßige Durchströmung gewährleistet werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertrager 1 lässt sich somit ein Sieden von Kühlmittel im Bereich eines ersten Rohrbodens 5 vergleichsweise einfach und effektiv unterbinden, wodurch die Thermowechselfestigkeit und damit auch die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Abgaswärmeübertragers 1 gesteigert werden können. Die Öffnungen im Kühlmitteleinlass 8 und im Kühlmittelauslass 9 können dabei beispielsweise in einem einfachen Laserschneidverfahren eingebracht werden. Aufgrund der zylindrischen Form des Gehäuses 2 können darüber hinaus kostengünstige Diffusoren 18 (vergleiche Figur 1 ) eingesetzt werden, die insbesondere auch als Gleichteile ausgebildet sein können. In Figur 1 ist zudem noch eine Entlüftungsöffnung 19 gezeigt. Insbesondere kann aufgrund des druck- stabilen zylinderförmigen Gehäuses 2 auch auf bislang erforderliche Ausstei- fungselemente, wie beispielsweise Schellen, verzichtet werden.

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