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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Im heutigen Automobilbau werden nach wie vor als Hauptantriebsquelle Verbrennungsmotoren vorgesehen. Hierbei sind zwei verschiedene Verbrennungskonzepte maßgeblich im Einsatz, zum einen der fremdgezündete Ottomotor, zum anderen der selbstgezündete Dieselmotor. Die Verbrennungsmotoren wandeln dabei die in einem Kraftstoff enthaltene chemische Energie um in mechanische Energie zum Forttrieb sowie in thermische Energie, die während des Verbrennungsprozesses entsteht und über den Motor sowie das Abgas abgeführt werden. Die Verbrennungsmotoren sind dabei durch den idealisierten Carnot-Prozess in dem Wirkungsgrad zur Wandlung der chemischen Energie in mechanische Energie begrenzt. Da hierbei circa maximal 40 % in mechanische Energie umgewandelt werden, werden circa 60 % der im Kraftstoff enthaltenen chemischen Energie als Verlust abgeführt.
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In den letzten Jahren gab es daher diverse Bestrebungen, die im Abgas enthaltene Wärmeenergie entsprechend zurückzugewinnen und hierdurch den Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses in Bezug auf die Nutzung der Energie im Kraftfahrzeug weiter zu steigern. Hierdurch wird der Verbrauch sowie der CO2-Ausstoß eines jeweiligen Kraftfahrzeuges gesenkt.
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Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedene Konzepte zur Nutzung der im Abgas enthaltenen Energie bekannt. Beispielsweise ist es möglich, durch Auflademaschinen, insbesondere in Form von Abgasturboladern, den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors weiter zu steigern. Ebenfalls ist es bekannt, thermoelektrische Generatoreinheiten im Bereich des Abgasstranges anzuordnen, um mit Hilfe des Seebeck-Effektes die im Abgas enthaltene Wärmeenergie in elektrische Energie zu wandeln und dem Kraftfahrzeugbordnetz oder anderen Verbrauchern zuzuführen.
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Beispielsweise ist aus der
EP 1 679 480 A1 bekannt, thermoelektrische Generatoreinheiten zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug anzuordnen, wobei als Wärmequelle der Abgasstrang und als Wärmesenke der Kühlwasserkreislauf des Kraftfahrzeuges genutzt werden. Über die Regelungsmöglichkeiten sowohl im Abgasstrang, als auch im Kühlwasserkreislauf ist es ferner möglich, den Betriebspunkt der thermoelektrischen Generatoreinheiten jeweils so einzustellen, dass sie nach Möglichkeit mit einem Optimum arbeiten.
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Weiterhin zeigt die
DE 31 03 197 A1 einen Wärmetauscher für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Beheizung von Kraftfahrzeugen. In diesem Wärmetauscher ist ein Strömungsmittelkanal für das Abgas eingesetzt, wobei stromab vom Einlass dieses Strömungsmittelkanals eine Stauvorrichtung in Form einer Düsenanordnung vorgesehen ist, deren Düsen das Abgas längs der Wärmetauscherfläche leiten. Auch die
DE 10 2009 013 535 A1 zeigt eine thermoelektrische Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme. Diese wird insbesondere dadurch charakterisiert, dass es im Inneren der Vorrichtung durch eine entsprechende Haltestruktur ermöglicht wird, das Durchfließen eines warmen und eines kalten Mediums über einen möglichst großen thermischen Kontakt zu ermöglichen und so einen maximal großen Wärmeübergang sicherzustellen. Die
DE 10 2009 038 643 A1 zeigt weiterhin einen Wärmetauscher, der aus einer Mehrzahl von Rohren besteht und es so ermöglicht, die Wärme des Abgases an ein zugeführtes Kühlwasser abzugeben.
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Eine Problemstellung, die sich bei der Anordnung von thermoelektrischen Generatoren an oder in einem Abgasstrang ergibt, ist die Leistungsfähigkeit des Wärmeüberganges bei längs-, quer- oder kreuzangeströmten Generatoreinheiten. Insbesondere zur Erzeugung von hohen elektrischen Energieflussraten können die benötigten Wärmemengen bei dem instationären Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug nicht immer zweifelsfrei bereitgestellt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, einen Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, der gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen dem Abgas eine höhere Wärmemenge entzieht.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei der Wärmetauscher einen Wärmeübergang der in einem Abgas enthaltenen Abgaswärme an ein Kühlmedium ermöglicht, wobei das Abgas durch einen Heizkanal und das Kühlmedium durch einen Kühlkanal strömen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanal in eine Zuführkammer und eine Abführkammer aufgegliedert ist, wobei die Abführkammer an einer Wärmetauscherwand angeordnet ist und die Wärmetauscherwand direkt zu dem Kühlkanal benachbart ist und die Zuführkammer auf der der Wärmetauscherwand gegenüberliegenden Seite der Abführkammer angeordnet ist und wobei die Abführkammer und die Zuführkammer zumindest abschnittsweise parallel verlaufen, wobei zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer Öffnungen angeordnet sind, durch die das Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt und in der Abführkammer im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmetauscherwand trifft und/oder prallt und dann durch die Abführkammer abführbar ist.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird insbesondere in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges eingegliedert. Er kann dazu im Rahmen der Erfindung einen kanalförmigen, einen plattenförmigen oder aber auch einen zylinderförmigen Aufbau haben. Kennzeichnend ist, dass sowohl die Zuführkammer, als auch die Abführkammer zumindest abschnittsweise parallel verlaufen und somit einen Durchtritt des Abgases von der Zuführkammer in die Abführkammer ermöglicht. Das Abgas tritt also durch den Auslasstrakt der Verbrennungskraftmaschine, welcher insbesondere durch einen Krümmer dargestellt wird, aus und wird über den Abgasstrang abgeführt. Der Abgasstrang weist zumeist verschiedene Abgasnachbehandlungseinheiten, wie beispielsweise Katalysatoren oder Ähnliches auf. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird im Bereich des Abgasstranges angeordnet und kann wiederum direkt an dem Krümmer oder aber nach dem Krümmer oder aber im weiteren Verlauf des Abgasstranges angeordnet sein. Das Abgas wird folglich zunächst dem Wärmetauscher zugeführt und durchläuft den Wärmetauscher in dem Heizkanal. Der Heizkanal des Wärmetauschers selber kann dabei länglich in Röhrenform ausgebildet sein, so dass der Heizkanal einen Teil des Abgasstranges bildet oder aber auch als Plattenwärmetauscher oder in sonstiger geometrischer Form ausgebildet sein. Ebenfalls kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch in einem Bypasskanal des Abgasstranges angeordnet sein. Nach Durchfließen des Heizkanals wird das Abgas durch den weiteren Abgasstrang abgeführt, so dass es nach einem Endschalldämpfer entsprechend in die Umgebung austritt.
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Erfindungsgemäß ist der Heizkanal in eine Zuführkammer und eine Abführkammer aufgeteilt. Die Zuführkammer und Abführkammer können ebenfalls im Rahmen der Erfindung kanalförmig oder eine andere räumlich geometrische Ausgestaltung aufweisen, beispielsweise als Quaderform oder aber als Rechteckform oder aber als Zylinderform. Auch können die Zuführkammer und Abführkammer Mischformen der zuvor genannten geometrischen Ausführungsformen bilden. Wesentlich ist, dass die Zuführkammer und die Abführkammer zumindest abschnittsweise und/oder aber auch bereichsweise parallel verlaufen.
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Zudem sind zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer Öffnungen angeordnet, durch die das Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt. Durch dieses Prinzip wird der im Abgasstrang enthaltene bzw. durch den Strömungswiderstand entstehende Abgasgegendruck optimal ausgenutzt, um den Wärmeübergang von dem Abgas an die Wärmetauscherwand zu erhöhen.
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Insbesondere wird dieser Effekt dadurch unterstützt, dass das in die Abführkammer strömende Abgas im Wesentlichen senkrecht auf die Wärmetauscherwand trifft und/oder prallt und dann durch die Abführkammer abführbar ist. Das auf die Wärmetauscherwand prallende Abgas trifft in Form von Freistrahlen auf diese auf und wird dort verwirbelt. Auf der Wärmetauscherwand selber verteilt sich das Abgas sternförmig bzw. von dem Auftreffpunkt in umfangsseitiger Richtung. Das sternförmige Ausbreiten bzw. Verteilen ist im Rahmen der Erfindung als radialsymmetrisches Ausbreiten zu verstehen oder aber auch als radialasymmetrisch Ausbreiten. So wird bei dem radialasymmetrischen Ausbreiten in eine Richtung mehr Abgas sternförmig ausgebreitet als in eine andere Richtung. Ebenfalls ist im Rahmen der Erfindung unter einem sternförmigen Verteilen bzw. Ausbreiten auch ein radialsymmetrisch mittig versetztes Ausbreiten zu verstehen. Hierdurch wird beispielsweise eine begrenzende Wand eher erreicht, was unter Umständen für die Kühlleistung Relevanz hat, da an dieser Wand erhöhte Temperaturen auftreten. Hierdurch erfolgt ein besonders effizienter Wärmeübergang von dem auf die Wärmetauscherwand aufprallenden Abgas an bzw. in die Wärmetauscherwand, wodurch die Wärmetauscherleistung weiter gesteigert wird. Das Abgas selbst nutzt dabei den während des Gesamtabführvorganges des Abgas entstehenden Abgasgegendruck effektiv aus. Das in die Zuführkammer eingeführte Abgas durchläuft die Zuführkammer und tritt dabei und/oder am Ende der Zuführkammer in die Abführkammer über. Ermöglicht wird dies durch Öffnungen und/oder durch Trennbleche zwischen der Zuführkammer und der Abführkammer. Das durch die Öffnungen der Trennwand und/oder der Lochbleche in die Abführkammer eingeströmte Abgas trifft zunächst auf die Wärmetauscherwand nahezu in einem rechten Winkel. Das Abgas prallt somit gegen die Wärmetauscherwand und verteilt sich von der Aufprallfläche aus sternförmig auf der Oberfläche der Wärmetauscherwand. Hierdurch erfolgt ein besonders effizienter Wärmeeintrag von der im Abgas enthaltenen Restwärme in die Wärmetauscherwand.
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Auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherwand ist ein Kühlkanal angeordnet, durch den ein Kühlmedium strömt. In der einfachsten Ausführungsvariante der aktuellen Erfindung kann somit das Abgas gekühlt werden und/oder das Kühlmedium geheizt werden. Beispielsweise wäre dies vorstellbar zur Kühlung des Abgases, insbesondere bei der Abgasrückführung oder aber zur schnelleren Aufheizung des Kühlkreislaufes, der wiederum dann Wärme an beispielsweise einen Ölkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine abgeben kann. Ebenfalls kann der Kühlkreislauf mit der aus dem Abgas entzogenen Wärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist an und/oder in der Wärmetauscherwand mindestens ein thermoelektrischer Generator angeordnet, der die Temperaturdifferenz mit Hilfe des Seebeck-Effektes in elektrische Energie umwandelt. Vorzugsweise ist der Kühlkanal an den Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine angeschlossen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Wärmetauscherwand aus einem Trennblech ausgebildet und/oder zumindest bereichsweise als thermoelektrischer Generator ausgebildet oder sind zumindest bereichsweise an der Wärmetauscherwand thermoelektrische Generatoren angeordnet. Im Rahmen der Erfindung kann die Wärmetauscherwand zwischen dem Heizkanal und dem Kühlkanal somit durch ein Trennblech ausgebildet sein, wobei das Trennblech ein Blech ist, welches besonders gute Wärmeleitfähigkeiten aufweist. Insbesondere handelt es sich dabei um ein metallisches Blech. Vorzugsweise sind an der Wärmetauscherwand in dem Kühlkanal und/oder dem Heizkanal, hier insbesondere in der Abführkammer, Wärmetauscherrippen angeordnet. Die Wärmetauscherrippen vergrößern die Oberfläche der Wärmetauscherwand und ermöglichen somit einen besseren Wärmeübergang von dem jeweiligen Medium, also dem Heizmedium und/oder dem Kühlmedium in die Wärmetauscherwand und somit an das jeweils gegenüberliegende Medium. Die Wärmetauscherwand kann im Rahmen der Erfindung auch als gekrümmtes und/oder gewölbtes Blech ausgebildet sein, so dass sich hierüber die Oberfläche vergrößert.
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Weiterhin sind besonders bevorzugt thermoelektrische Generatoren an der Wärmetauscherwand gekoppelt oder aber die Wärmetauscherwand als thermoelektrischer Generator ausgebildet. Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist es somit möglich, dem Abgas stets eine effektive Wärmemenge zu entziehen, um somit eine entsprechende Temperaturdifferenz bereitzustellen und/oder aufrecht zu erhalten, die eine konstante Erzeugung von elektrischer Energie durch den Seebeck-Effekt realisiert. Die thermoelektrischen Generatoren sind bevorzugt auf der Kaltseite, also im Bereich des Kühlkanals, angeordnet, dass nicht in direktem Kontakt mit dem relativ viel zu heißen Abgas stehen. Auch wird somit vermieden, dass das hochkorrosive Anteile enthaltene Abgas sich schädlich auf die thermoelektrischen Generatorelemente auswirkt. Hierdurch wird ein Wärmetauscher bereitgestellt, der mit darin integrierten thermoelektrischen Generatoren eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Weiterhin bevorzugt ist das in die Abführkammer geströmte Abgas an einer Endseite der Abführkammer reflektierbar. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass das Abgas zunächst in die Zuführkammer, von der Zuführkammer über Öffnungen in die Abführkammer strömt und auf der Wärmetauscherwand aufprallt. An einer Endseite der Abführkammer wird das Abgas reflektiert, so dass es zentral durch eine Abführleitung, welche aus der Abführkammer in den weiteren Abgasstrang führt, geleitet wird. Durch die Reflektion erhöht sich wiederum der Abgasgegendruck nicht nachteilig, so dass Abgas entsprechend weiter abgeführt wird.
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Im Rahmen der Erfindung sind zur weiteren Steigerung des Wärmeübergangs an der Wärmetauscherwand Einströmbereiche vorgesehen, wobei ein Einströmbereich dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Fläche auf der Wärmetauscherwand selbst abgrenzt. Bevorzugt ist ein Einströmbereich schalenartig ausgebildet, so dass er einen durch die Öffnung aus der Zuführkammer kommenden Freistrahl möglichst zentral aufnimmt sowie eine für die sich sternförmig von dem aufprallenden Freistrahl ausbreitenden Verwirbelungen unterstützende Geometrie aufweist.
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Weiterhin bevorzugt sind mehrere Einströmbereiche auf der Wärmetauscherwand vorgesehen, wobei bevorzugt immer ein Einströmbereich einer Öffnung zwischen Zuführkammer und Abführkammer gegenüberliegt. Die mehreren Einströmbereiche sind auf der Wärmetauscherwand selbst wiederum schachbrettartig oder aber wabenmusterartig angeordnet. Dies bedeutet, dass ein Einströmbereich entsprechend von mindestens einem, bevorzugt vier oder mehr Einströmbereichen benachbart ist.
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Zur weiteren Steigerung der Effizienz des Wärmeübergangs sind weiterhin zur gezielten Strömungsleitung Einströmstutzen an den Öffnungen vorgesehen, wobei die Einströmstutzen in Richtung des Einströmbereiches orientiert sind. Ein Einströmstutzen ist somit analog zu einem Einströmtrichter oder aber zu einem Diffusor ausgelegt, so dass er entsprechend die Strömungsleitung gezielt lenkt und/oder unterstützt. Der Einströmstutzen sorgt für eine gezielte Lenkung des Abgasstrahls auf die Wärmetauscherwand und fördert die von dem Abgasstrahl sich ausbreitenden Verwirbelungen.
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Weiterhin bevorzugt sind in Strömungsrichtung der Zuführkammer mindestens zwei Öffnungen und/oder Einströmstutzen und/oder Einströmbereiche nacheinander kaskadiert angeordnet. Im Rahmen der Erfindung bedeutet dies, dass über den parallelen Verlauf zwischen Zuführkammer und Abführkammer in Abgasströmungsrichtung mehrere Öffnungen und/oder Einströmstutzen und/oder Einströmbereiche aufeinander folgend bzw. nachfolgend oder aber kaskadiert angeordnet sind. Durch die Öffnung in der Zuführkammer, die in Strömungsrichtung zuerst von dem Abgas erreicht wird, strömt somit ein erster Teil des Abgases von der Zuführkammer in die Abführkammer. Durch die Öffnung, die in Strömungsrichtung nachfolgend, also als mindestens zweites erreicht wird, strömt entsprechend ein weiterer Teil des Abgases in die Abführkammer. Dies kann sich beliebig fortsetzen, so dass 10, 20 oder gar 50 Öffnungen nacheinander zwischen Zuführkammer und Abführkammer in Abgasströmungsrichtung angeordnet sind.
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In der Abführkammer ergibt sich ein hierzu inverser Aufbau, so dass das Abgas, welches als erstes in Abgasströmungsrichtung von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt, als letztes von der Abführkammer dem weiteren Abgasstrang zugeführt wird. Folglich ist der Aufbau so zu sehen, dass der Teil des Abgases, der als letztes von der Zuführkammer in die Abführkammer überführt wird, entsprechend als erstes dem weiteren Abgasstrang zugeführt wird.
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Der Aufbau ist jedoch auch derart vorstellbar, dass er dem Gegenstromprinzip gleicht, so dass die Zuführung zur Zuführkammer und die Abführung aus der Abführkammer entsprechend parallel von einer Seite in den Heizkanal einströmen. Entsprechend würde der Teil des Abgases, der durch die in Abgasströmungsrichtung erste Öffnung von der Zuführkammer in die Abführkammer strömt aus der Abführkammer auch als erster Teil wieder abgeführt wird. Das Abgas in der Abführkammer, insbesondere in den Einströmbereichen, strömt somit zusammen und summiert sich und wird entsprechend von der Abführkammer in den weiteren Abgasstrang abgeleitet.
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Zwischen den Einströmbreichen sind bevorzugt Trennstege angeordnet, wobei die Trennstege die Einströmbereiche voneinander abgrenzen. Die Abgrenzung der Einströmbereiche untereinander durch Trennstege stellt eine besonders kostengünstige Alternative dar, wobei die Trennstege entsprechend der gewollten Verwirbelungen geometrisch ausgebildet sein können, so dass sie sich zusätzlich unterstützend für eine Steigerung des Wärmeübergangs auswirken. Ebenfalls erfolgt durch die Trennstege eine Vergrößerung der Oberfläche der Wärmetauscherwand, so dass auch hierdurch ein vermehrter Wärmeübergang begünstigt wird.
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Weiterhin besonders bevorzugt sind die Trennstege derart in der Abführkammer ausgebildet, dass sie die Einströmungsstützen in Strömungsrichtung hinterschneiden, so dass die Einströmstutzen in den Einströmbereich hineinragen. Hierdurch wird sichergestellt, dass das durch den Einströmstutzen in den Einströmbereich strömende Abgas sich entsprechend verwirbelt und dann durch den umlaufenden Spalt, der zwischen den Trennstegen bzw. dem Einströmbereich und dem Einströmstutzen entsteht, in der Abführkammer abgeführt wird und nicht in die Zuführkammer zurückströmt.
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Weiterhin bevorzugt sind die thermoelektrischen Generatoren mit Flüssigmetall an die Wärmetauscherwand gekoppelt. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zwischen Wärmetauscherwand und thermoelektrischem Generator. Das Flüssigmetall ermöglicht weiterhin bereits während der Koppelung den Ausgleich von eventuellen geometrischen Produktionsschwankungen, so dass eine vollflächige Anlage zwischen thermoelektrischem Generatorelement und Wärmetauscherwand gegeben ist.
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Im Rahmen der Erfindung wird insbesondere zur Ausnutzung eines optimalen Prallflächeneffekts zur Kühlung eine gepulste Strömung ausgenutzt. Durch eine gepulste Strömung ist es mit der Prallflächenkühlung möglich, eine Effizienzsteigerung von bis zu 20 % vorzunehmen. Die pulsieirenden Prallstrahlen erhöhen dabei die Kühleffektivität gegenüber einer stationären Vergleichskonfiguration.
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Insbesondere im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine herrscht eine pulsierende Gasströmung. Diese hängt zum einen ab von dem jeweiligen Betriebspunkt, in dem sich die Verbrennungskraftmaschine gerade befindet, zum anderen ist sie jedoch auch grundlegend abhängig von der Zylinderanzahl. Ein 4-Zylinder-Motor hat beispielsweise eine andere Druckpulsation im Abgasstrang als ein 6-Zylinder-Motor. Ebenfalls ist die Druckpulsation durch verschiedene Krümmerbauteile auch bei Motoren mit gleicher Zylinderanzahl voneinander verschieden.
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Im Rahmen der Erfindung bietet es sich daher an, die im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs herrschende Druckpulsation des Abgases zur Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen Prallflächenwärmetauschers zu nutzen. So wird der Prallflächenwärmetauscher bevorzugt für die zu erwartenden Druckpulsationen derart ausgelegt, dass sich gegenüber einer stationären Strömung und/oder einer konventionellen Dimensionierung eine weitere Effizienzsteigerung und Ausnutzung des Druckpulsationseffekts ergibt. Maßgeblich wird die Geometrie der Zuführkammer und/oder Abführkammer des Wärmetauschers derart ausgelegt und/oder dimensioniert, dass sie an eine Druckpulsationsfrequenz des Abgases, insbesondere für ein Betriebspunktspektrum, optimal angepasst sind.
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Die herrschende Druckpulsation ist jedoch auch abhängig von dem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine. Maßgeblich sind hierfür die Faktoren Drehzahl und Last. Im Rahmen der Erfindung ist es daher vorstellbar, einen Hauptbetriebspunktebereich festzulegen, in dem die Verbrennungskraftmaschine mit hoher oder höchster Wahrscheinlichkeit überwiegend betrieben wird. Bei stationären Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise zur Stromgeneration, ist es darüber hinaus möglich, einen Betriebspunkt festzulegen.
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Maßgebliche Frequenzen zur pulsierenden Anströmung sind vorzugsweise 0 Hz bis 200 Hz bei 4-Zylinder-Motoren in einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min. 0 Hz bis 300 Hz bei 6-Zylinder-Motoren, ebenfalls in einem Drehzahlspektrum von ungefähr 6.000 U/min. Bevorzugt 0 Hz bis 400 Hz bei 8-Zylinder-Motoren bei einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min und ebenfalls bevorzugt 0 Hz bis 600 Hz bei 12-Zylinder-Motoren bei einem Drehzahlspektrum von ca. 6.000 U/min.
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Die Abgaszufuhr erfolgt dabei aufgrund der Drehzahl/Zündzeitpunkt Kombination pulsierend unter Variation der Parameter Frequenz und Druck. Hierdurch können durch die Pulsation hervorgerufene Wirbelstrukturen im Bereich der Prallflächen erzeugt, kontrolliert und gezielt genutzt werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, das Trennblech selber oder aber auch ein zusätzliches Lochblech anzuordnen, mit dem dann entsprechend der Volumenstrom bzw. der Massendurchsatz des Abgases von Zuführkammer zu Abführkammer regelbar ist. Durch gezieltes Verschieben des zusätzlichen Lochblechs zu dem Trennblech ist es somit möglich, die Öffnungsquerschnitte zwischen der Zuführkammer und der Abfürhkammer zu verändern, so dass mehr oder weniger Abgas von der Zuführkammer in die Abführkammer übertritt. Hierdurch ergibt sich eine Regelungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher.
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Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung möglich, durch Verstellen des Trennblechs selber oder aber des zusätzlichen Lochblechs zu dem Trennblech den Auftreffpunkt der Freistrahlen des Abgasstrahls auf den Aufprallpunkt auf der Wärmetauscherwand selber in ihrer Position zu beeinflussen. So kann beispielsweise der Freistrahl in einem Zentrum eines Einströmbereichs auftreffen oder aber auch dezentralisiert in dem Einströmbereich, beispielsweise nahe eines Trennstegs. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, durch Verschiebung des zusätzlichen Lochblechs oder aber des Trennblechs oder aber durch zusätzliche Anordnung von Leitelementen, beispielsweise Strömungsleitfinnen, die Freistrahlen nicht senkrecht auf die Wärmetauscherwand auftreffen zu lassen, sondern in einem Winkel dazu.
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Die zuvor genannten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar, mit den sich damit ergebenden Vorteilen. Der Rahmen der Erfindung wird hierdurch nicht verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit thermoelektrischem Generator,
- 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit thermoelektrischem Generator und Einströmbereichen,
- 2a eine Querschnittsansicht gemäß 2 mit verschiebbarem zusätzlichem Lochblech
- 3 einen schematischen Verfahrensablauf bei Anordnung eines erfindunsgemäßen Prallflächenwärmetauschers in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine,
- 4 eine Ausführung der Wärmetauscherwand mit wabenförmigen Einströmbereichen und
- 5a Ausführungsvarianten des Abgaswärmetauschers mit verschiebbabis c rem Trennblech.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 zur Anordnung in einem nicht näher dargestellten Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges. Der Wärmetauscher 1 weist einen Heizkanal 2 und einen Kühlkanal 3 auf. Der Heizkanal 2 und der Kühlkanal 3 sind durch eine Wärmetauscherwand 4 voneinander separiert. In der hier gezeigten Ausführungsvariante ist in die Wärmetauscherwand 4 ein thermoelektrischer Generator 5 integriert, der eine entstehende Temperaturdifferenz ΔT zwischen dem Heizkanal 2 und dem Kühlkanal 3 mit Hilfe des Seebeck-Effektes in elektrische Energie umwandelt. Durch den Kühlkanal 3 strömt ein Kühlmedium 6, dass beispielsweise aus dem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine sein kann.
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Erfindungsgemäß ist der Heizkanal 2 wiederum in zwei Abschnitte bzw. Bereiche eingeteilt, zum einen eine Zuführkammer 7, zum anderen eine Abführkammer 8. Das Abgas 9 tritt in die Zuführkammer 7 ein, wobei bei der Zuführkammer 7 hierzu ein Eintrittsbereich 10 ausgebildet ist, an dem der hier nicht näher dargestellte Abgasstrang angeschlossen ist. Das Abgas strömt in Abgasströmungsrichtung 11 an ein Ende 12 der Zuführkammer 7 und tritt dabei wiederum durch Öffnungen 13 von der Zuführkammer 7 in die Abführkammer 8. Die Öffnungen sind in ein Trennblech 14 zwischen Zuführkammer 7 und Abführkammer 8 eingebracht, wobei das Trennblech 14 auch als Lochblech, Wellenblech oder aber Zickzackblech, das einem Sägezahnprofil folgt, ausgebildet sein kann.
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Nach dem Durchtritt des Abgases 9 durch die Öffnungen 13 prallen die durch die Öffnungen geleiteten Freistrahlen 15 des Abgases auf die Wärmetauscherwand 4. Von einem Aufprallpunkt 16 aus verbreiten sich die Abgasstrahlen sternförmig in dem Innenraum 17 der Abführkammer 8. An einem Ende 18 der Abführkammer 8 werden die Abgasstrahlen reflektiert und somit zentral in einen Austrittskanal 19 überführt und dem weiteren, hier nicht näher dargestellten Abgasstrang, zugeführt.
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2 zeigt einen grundsätzlich analogen Aufbau zu dem Wärmetauscher 1 aus 1, wobei der Wärmetauscher 1 einen Heizkanal 2 und einen Kühlkanal 3 aufweist und in der Wärmetauscherwand 4 ein thermoelektrischer Generator 5 integriert ist. Durch den Kühlkanal 3 fließt ebenfalls ein Kühlmedium 6 und der Heizkanal 2 ist in eine Zuführkammer 7 und eine Abführkammer 8 eingeteilt.
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Im Unterschied zu dem Wärmetauscher 1 aus 1 sind die Zuführkammer 7 und die Abführkammer 8 nicht berandet, so dass sich kein Endbereich ergibt. Das durch den Heizkanal 2 strömende Abgas 9 tritt somit in einem Eintrittsbereich 10 ein und in Austrittskanal 19 wieder aus. Die Ausführungsvariante gemäß 2 erhöht somit nur unwesentlich den Abgasgegendruck und nutzt die bestehenden Druckverhältnisse aus, um mittels des Aufprallens den Wärmeübergang zwischen Heizkanal 2 und Kühlkanal 3 zu verbessern.
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Weiterhin weist der Heizkanal 2 gemäß 2 zusätzlich Einströmstutzen 20 auf, die in den Öffnungen 13 zwischen Zuführkammer 7 und Abführkammer 8 angeordnet sind. Die Einströmstutzen 20 lenken das von der Zuführkammer 7 in die Abführkammer 8 strömende Abgas 9 entsprechend in einen Einströmbereich 21.
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Der Einströmbereich 21 ist dabei ein auf der Wärmetauscherwand 4 abgegrenzter Bereich. Zur Abtrennung sind auf der Wärmetauscherwand 4 Stege 22 angeordnet, die die jeweiligen Einströmbereiche eingrenzen bzw. voneinander abgrenzen. Die Einströmstutzen 20 sind derart angeordnet, dass sie direkt auf einen Aufprallpunkt 16 in der Mitte des Einströmbereiches 21 orientiert sind. Von den Einströmbereichen aus sammelt sich das Abgas 9 in der Abführkammer 8 und wird dem Austrittskanal 19 zugeführt.
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2a zeigt die gleiche Ansicht gemäß 2, wobei zusätzlich unterhalb der Zufürhkammer 7 ein Lochblech 23 angeordnet ist. Das Lochblech 23 selbst weist wiederum Lochblechöffnungen 24 auf, wobei durch eine translatorische Bewegung 25 des Lochblechs 23 die Lochblechöffnungen 24 in Richtung der translatorischen Bewegung 25 verschoben werden, wodurch sich die Freistrahlen 15 in ihrem Aufprallpunkt 16 in dem Einströmbereich 21 verschieben lassen.
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3 zeigt ein Flussdiagramm, das den schematischen Ablauf der entstehenden Druckpulsation und das Zusammenspiel mit einem Prallflächenwärmetauscher erläutert. In 3a ist eine 4-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine dargestellt, die entsprechend nach dem 4-Takt-Prinzip Kraftstoff verbrennt und Abgas produziert. In Abhängigkeit der Zündzeitfolge und der vier Takte eines jeden Zylinders erfolgt ein Abgasausstoß der Zylinder 1, 2, 3 und 4 zeitlich chronologisch in einer vorgegebenen Reihenfolge. Dies ist in 3b dargestellt. Hieraus ergibt sich wiederum das in 3c dargestellte Druck-/Zeit-Diagramm, bei dem jeweils der Druck bei Ausstoß des Abgases aus einem jeweiligen Zylinder für einen Zeitraum ansteigt und anschließend wiederum abfällt. Beispielhaft nachfolgend ist hier die Zündzeitfolge eines 4-Zylinder-Reihenmotors mit der Zündzeitfolge 1 - 3 - 4 - 2 dargestellt. Dies ist als Endlosprozess anzusehen und zusätzlich abhängig von der Last sowie der Drehzahl in Bezug auf Frequenz und Amplitude des Druck-/ZeitDiagramms. Hierdurch entsteht eine Druckpulsation der einzelnen Gasströme im Abgasstrang, die zusammengefasst den Gesamtabgasstrom darstellen.
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In 3d ist das in die Zuführkammer 7 des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 einströmende Abgas 9 dargestellt, das dann von der Zuführkammer 7 in die Abführkammer 8 tritt und prallartig auf die Wärmetauscherwand 4 stößt. Im Anschluss hieran wird das Abgas 9 aus der Abführkammer 8 weiter abgeführt. Durch optimierte geometrische Ausgestaltung sowohl der Zuführkammer 7 als auch der Abführkammer 8 ist möglich, den Wärmetauscher 1 optimal an die Druckpulsation des Abgases 9 anzupassen.
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4 zeigt weiterhin eine Ausführungsvariante der Wärmetauscherwand 4 in Wabenstruktur, wobei die einzelnen Trennbleche 14 eine entsprechend sechseckige, wabenförmige Anordnung zueinander aufweisen. Eine solche geometrische Ausgestaltung der Trennbleche 14, also eine wabenförmige Struktur der Einströmbereiche 21, hat sich als besonders vorteilig für den Wärmeübergang unter Ausnutzung zusätzlich des Druckpulsationseffekts erwiesen.
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Weiterhin dargestellt ist ein Lochblech 23, das um einen Drehpunkt drehbar oberhalb der Wabenstruktur angeordnet ist. Das Lochblech 23 weist wiederum Lochblechöffnungen 24 auf, die dann ein Verschieben der Freistrahlen 15 bei Ausführung der Drehbewegung D innerhalb der Einströmbereiche 21 herbeiführen. Ebenfalls ist es denkbar, mit dem in 4 gezeigten Lochblech 23 translatorische Bewegungen 25, auf die Bildebene bezogen horizontal und/oder vertikal, durchzuführen.
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5a bis c zeigen verschiedene Ausführungsvarianten, wobei hier nicht ein zusätzliches Lochblech angeordnet ist, sondern das Trennblech 14 selber mit einer translatorischen Verschiebebewegung 25 gegenüber dem Einströmbereich 21 verschiebbar ist.
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Der Einströmbereich 21 gemäß 5a) ist begrenzt auf der linken und rechten Bildebenenseite durch jeweils einen Steg 22. Der Freistrahl 15 tritt mit einen im Wesentlichen senkrechten Winkel auf die Wärmetauscherwand 4 in einem Aufprallpunkt 16 auf. Danach werden die Strahlen links- und rechtsseitig abgeführt.
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In 5b ist das Trennblech 14 im Gegensatz zu 5a translatorisch verschoben, weshalb sich auch der Aufprallpunkt 16 auf der Bilebene bezogen nach rechts verschoben hat.
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In 5c ist eine weitere Darstellung gezeigt, bei dem die Öffnungen 13 des Trennblechs 14 einen Winkel β aufweisen, wodurch der Freistrahl 15 derart gelenkt wird, dass er unter einem Aufprallwinkel α auf den Aufprallpunkt 16 innerhalb des Einströmbereichs 21 aufprallt.