DE102009004940A1

DE102009004940A1 - Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102009004940A1
Application number: DE200910004940
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl.-Ing. Gärtner; Thomas Dr.-Ing. Koch; Marcus Schrade
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes (AS) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung (1) zum Übertragen von Wärme aus einem Abgasstrom (AS) zu einem Arbeitsmedium (AM), die einen ersten vom Abgasstrom (AS) durchströmbaren Kanal (3) und einen zweiten vom Arbeitsmedium (AM) durchströmbaren Kanal (4) aufweist, die in Gegenstrombauweise angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist der zweite Kanal (4) im ersten Kanal (3) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist häufig gewünscht bzw. zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades sogar notwendig, die in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltene Energie zu nutzen. Dies kann beispielsweise zu Heizzwecken geschehen.
Weiterhin ist es bei allen Verbrennungskraftmaschinen notwendig, eine Schalldämpfung für den Abgasweg zur Geräuschminderung vorzusehen, häufig sogar aus Vor- und nachgeordnetem Endschalldämpfer bestehend.
Es ist zweckmäßig, diese beiden Aufgaben zu kombinieren.
Bisher realisierte kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtungen, wie z. B. in der Offenlegungsschrift DE 296 05 597 U1 oder auch in der Offenlegungsschrift EP 0 823 016 B1 beschrieben, nutzen das Reflexionsprinzip und leiten den Abgasstrom mäanderförmig durch die Vorrichtung. Dadurch entsteht ein hoher Gegendruck im Abgasstrang. Aus der EP 0 823 016 B1 ist auch ein Ausführungsbeispiel für ein Gegenstromprinzip bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine umfasst eine kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung zum Übertragen von Wärme aus einem Abgasstrom zu einem Arbeitsmedium, die einen ersten vom Abgasstrom durchströmbaren Kanal und mindestens einen zweiten vom Arbeitsmedium durchströmbaren Kanal aufweist, die in Gegenstrombauweise angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind der oder die zweiten Kanäle im ersten Kanal angeordnet.
Durch eine solche vollständige Umschließung des Arbeitsmediumskanals, insbesondere eines kühleren und Wärme aufnehmenden Mediums, durch den Abgasstromkanal mit dem heißen Abgasstrom ist ein guter Wärmeübergang mit größtmöglicher Wärmeübergangsfläche ermöglicht.
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der erste Kanal als ein Ringkanal rund um den zweiten Kanal angeordnet ist, indem zwei Rohre mit unterschiedlich großem Durchmesser axialsymmetrisch mit einer gemeinsamen Längsachse ineinander gesetzt sind. Dies stellt einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau eines Wärmetauschers dar.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass innerhalb des ersten Kanals mehrere vom Arbeitsmedium durchströmbare Kanäle angeordnet sind, indem in ein äußeres Rohr eine Anzahl von inneren Rohren eingesetzt ist.
Für eine möglichst homogene Strömung und somit zur Vermeidung von Strömungsgeräuschen ist der Abgasstrom umlenkungsfrei im ersten Kanal in einem Ringraum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr führbar. Diese Bauweise führt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem sehr geringen Druckverlust des Abgasstromes, also einem geringen so genannten Abgasgegendruck. Ein geringer Abgasgegendruck führt zu einer verbesserten Gemischbildung und unterstützt den Ladungswechsel und führt somit zu einem stärkeren und effizienteren Motor.
Dabei strömt das Arbeitsmedium in dem inneren Rohr vorzugsweise in entgegen gesetzter Richtung zum Abgasstrom. Dies führt zu einer bestmöglichen Wärmeübertragung zwischen heißen Abgasstrom und kühlerem Arbeitsmedium. Je nach Verwendung der Vorrichtung kann es sich bei dem Arbeitsmedium um ein im Fahrzeug vorhandenes Kühlmittel, insbesondere einer klimatisierten Luft, einem Kältemittel, Frischluft oder ein anderes geeignetes kühleres Medium handeln.
Zur Verbesserung des Komforts im Fahrzeug, insbesondere zur Reduzierung von Strömungsgeräuschen des Abgasstromes ist das innere Rohr mit einer Anzahl von Schalldämpfermitteln versehen. Hierdurch ist eine einfache kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfervorrichtung gebildet.
Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass das oder die Schalldämpfermittel als eine Finne ausgebildet ist bzw. sind, die in der Wand des inneren Rohres angeordnet ist bzw. sind. Beispielsweise ist oder sind das oder die, insbesondere als Finne/n ausgebildete/n Schalldämpfermittel senkrecht in der Wand des inneren Rohres nach innen und/oder nach außen von der Wand senkrecht abstehend angeordnet. Diese Finnen vergrößern einerseits die zur Wärmeübertragung nutzbare Oberfläche und führen andererseits zu einer Schalldämpfung.
Je nach Größe und Funktion der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung sind die Schalldämpfermittel in Anzahl und Anordnung variabel. Auch kann oder können das oder die Schalldämpfermittel in Länge und Höhe variabel ausgebildet sein. Durch eine solche variable und flexible Ausgestaltung und Anordnung der Schalldämpfermittel ist es möglich, die kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung auf die jeweilige Anwendung anzupassen oder abzustimmen.
Eine mögliche Ausführungsform sieht vor, dass das oder die Schalldämpfermittel sich in Längsrichtung über die gesamte Länge des inneren Rohres als Finnen erstrecken.
Vorzugsweise sind die Schalldämpfermittel, insbesondere die Finnen, mit einer Verrippung und/oder einer Oberflächenstruktur versehen. Dies führt zum einen zu einer Vergrößerung der für die Wärmeübertragung nutzbaren Oberfläche und verbessert selbige. Zum anderen hat diese Oberflächengestaltung positive Auswirkungen auf die Schalldämpfung.
In einer möglichen Ausführungsform bildet die Vorrichtung einen Resonanzdämpfer.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform bildet die Vorrichtung einen Reflexionsdämpfer.
In einer alternativen Ausführungsform bildet die Vorrichtung einen Absorptionsdämpfer.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform bildet die Vorrichtung einen Interferenzdämpfer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Führung eines Abgasstroms im Bereich einer kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung, und
2 schematisch in Draufsicht einen Teil einer als so genannten Abgasstrang ausgebildeten Vorrichtung zur Führung des Abgasstroms mit integrierter kombinierter Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Querschnitt durch eine kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 gezeigt, die in einer Vorrichtung 2 zur Führung eines Abgasstroms AS einer Verbrennungskraftmaschine integriert ist, wie dies in 2 näher gezeigt ist.
Die kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 umfasst zum Übertragen von Wärme vom Abgasstrom AS zu einem Arbeitsmedium AM einen ersten vom Abgasstrom AS durchströmbaren Kanal 3 und einen zweiten vom Arbeitsmedium AM durchströmbaren Kanal 4. Die beiden Kanäle 3 und 4 sind dabei in Gegenstrombauweise angeordnet. Das heißt, im Betrieb der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 strömt eines der Medien, z. B. der Abgasstrom AS in eine Richtung und das andere Medium, das Arbeitsmedium AM, in entgegen gesetzter Richtung.
Für eine möglichst große Wärmeübergangsfläche ist der zweite Kanal 4 im ersten Kanal 3 angeordnet. Dabei ist der erste Kanal 3 als ein Ringkanal rund um den zweiten Kanal 4 angeordnet. Hierzu umfasst die Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 zwei Rohre R1, R2 mit unterschiedlich großem Durchmesser. Die beiden Rohre R1 und R2 sind axialsymmetrisch mit einer gemeinsamen Längsachse ineinander gesetzt sind, wobei das Rohr R1 das äußere Rohr und das Rohr R2 das innere Rohr bildet.
Zur Erzielung eines möglichst geringen Druckverlusts des Abgasstroms AS ist dieser umlenkungsfrei im ersten Kanal 3 in einem Ringraum 5 zwischen dem inneren Rohr R2 und dem äußeren Rohr R1 führbar, wie dies auch in 2 an der geraden Führung der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 zu sehen ist.
In einer nicht näher dargestellten alternativen Ausführungsform sind innerhalb des ersten Kanals 3 mehrere vom Arbeitsmedium AM durchströmbare Kanäle 4 angeordnet, indem in ein äußeres Rohr R1 eine Anzahl von inneren Rohren R2 eingesetzt ist.
Zur Erzielung einer hinreichend guten Schalldämpfung umfasst die kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 eine Anzahl von Schalldämpfermitteln 6.
In einer möglichen Ausführungsform ist das innere Rohr R2 mit den Schalldämpfermitteln 6 versehen. Als eine besonders vorteilhafte Form hat sich die Ausbildung der Schalldämpfermittel 6 als Finnen erwiesen. Dabei sind die Finnen in der Wand des inneren Rohres R2 angeordnet, wobei die Finnen senkrecht in der Wand des inneren Rohres R2 eingebracht sind und über die Wand sowohl nach innen als auch nach außen von der Wand senkrecht abstehen und die Wand überragen. Diese Finnen stabilisieren die kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 und reduzieren die Strömungsgeräusche und somit die Schallemission der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1.
Je nach Anwendung sowie Form und Größe der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 kann in Anzahl und/oder die Art der Anordnung der Schalldämpfermittel 6, insbesondere der Finnen, variieren. Auch die Höhe und/oder Länge der Schalldämpfermittel 6 kann variieren. Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Schalldämpfermittel 6 in Längsrichtung über die gesamte Länge des inneren Rohres R2 und somit über die gesamte Länge der Kanäle 3 und 4.
Zusätzlich können die Schalldämpfermittel 6 auch mit einer Verrippung oder einer Oberflächenstruktur, insbesondere mit einer entsprechenden Schicht, versehen sein. Beispielsweise können die Schalldämpfermittel 6 mindestens eine Rippe aufweisen. Dies führt zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs durch Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche und zu einer Reduzierung der Schallemission.
Im Betrieb der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 durchströmt der Abgasstrom AS den aus dem innerem Rohr R2 und äußerem Rohr R1 gebildeten Ringraum 5.
Auf diese Weise wird das im inneren Rohr R2 strömende Arbeitsmedium AM vollständig vom Abgasstrom AS umströmt und es findet ein bestmöglicher Wärmeübergang statt.
In 2 ist die Vorrichtung 1 zur Führung des Abgasstroms AS als ein Abgasstrang gezeigt, in welchen die kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 integriert ist.
Über eine Eingangsöffnung 7 am Anfang der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 strömt der heiße Abgasstrom AS ein und das durch den heißen Abgasstrom AS aufgewärmte Arbeitsmedium AM strömt dort aus. Über eine am gegenüberliegenden Ende angeordnete Ausgangsöffnung 8 strömt der Abgasstroms AS abgekühlt aus, wobei dort das kühlere Arbeitsmedium AM zuströmt.
Durch dieses Gegenstromprinzip strömt das kalte Arbeitsmedium AM in der kombinierten Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung 1 allmählich an immer heißerem Abgas des Abgasstroms AS vorbei, was die Wärmeübertragung vorteilhaft beeinflusst.
Bei dem Arbeitsmedium AM kann es sich insbesondere um ein im Fahrzeug vorhandenes Medium, z. B. ein Kältemittel, klimatisierte Luft oder ein anderes geeignetes Medium, handeln.
Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise als Resonanzdämpfer ausgebildet. Alternativ dazu ist auch eine Ausbildung der Vorrichtung als Reflexionsdämpfer, Absorptionsdämpfer oder Interferenzdämpfer möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 29605597 U1 [0005]
- EP 0823016 B1 [0005, 0005]

Claims

Vorrichtung zur Führung eines Abgasstromes (AS) einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine kombinierte Wärmetauscher- und Schalldämpfer-Vorrichtung (1) zum Übertragen von Wärme aus einem Abgasstrom (AS) zu einem Arbeitsmedium (AM), die einen ersten vom Abgasstrom (AS) durchströmbaren Kanal (3) und mindestens einen zweiten vom Arbeitsmedium (AM) durchströmbaren Kanal (4) aufweist, die in Gegenstrombauweise angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (4) im ersten Kanal (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des ersten Kanals (3) mehrere vom Arbeitsmedium (AM) durchströmbare Kanäle (4) angeordnet sind, indem in ein äußeres Rohr (R1) eine Anzahl von inneren Rohren (R2) eingesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Arbeitsmedium (AM) durchströmbaren Kanäle (4) in ihrer Längsausdehnung parallel zueinander und parallel zum ersten Kanal (3) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (AS) umlenkungsfrei im ersten Kanal (3) in einem Zwischenraum zwischen den inneren Rohren (R2) und dem äußeren Rohr (R1) führbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (3) als ein Ringkanal rund um den zweiten Kanal (4) angeordnet ist, indem zwei Rohre (R1, R2) mit unterschiedlich großem Durchmesser axialsymmetrisch mit einer gemeinsamen Längsachse ineinander gesetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom (AS) umlenkungsfrei im ersten Kanal (3) in einem Ringraum (5) zwischen dem inneren Rohr (R2) und dem äußeren Rohr (R1) führbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die inneren Rohre (R2) mit einer Anzahl von Schalldämpfermitteln (6) versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalldämpfermittel (6) als eine Finne ausgebildet ist, die in der Wand des inneren Rohres (R2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die, insbesondere als Finne/n ausgebildete/n, Schalldämpfermittel (6) senkrecht in der Wand des inneren Rohres (R2) nach innen und/oder nach außen von der Wand senkrecht abstehend angeordnet ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldämpfermittel (6) in Anzahl und/oder Anordnung variabel sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Schalldämpfermittel (6) in Länge und/oder Höhe variabel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Schalldämpfermittel (6) sich in Längsrichtung über die gesamte Länge des inneren Rohres (R2) erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Schalldämpfermittel (6) mit einer Verrippung und/oder einer Oberflächenstruktur versehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Resonanzdämpfer bildet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Reflexionsdämpfer bildet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Absorptionsdämpfer bildet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Interferenzdämpfer bildet.