DE3440060A1

DE3440060A1 - Kraftstoffkuehler fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3440060A1
Application number: DE19843440060
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 7302 Ostfildern Distel; Bernd Dr.-Ing. Dr. 7530 Pforzheim Faber; Peter 7500 Karlsruhe Schanz; Helmut Dipl.-Ing. Spallek (FH), 7531 Neuhausen; Hans-Dieter Ing.(grad.) 7530 Pforzheim Tibus; Klaus Dipl.-Ing. 7070 Schwäbisch Gmünd Winter
Original assignee: Daimler Benz AG; Witzenmann GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1984-11-02
Filing date: 1984-11-02
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DE3440060C2

Description

PATENTANWÄLTE _R _ _OQ ,

DIPL-ΙΝΘ. R. LEMCKE " (13680/81) B/Bz

DR.- IN6. H. J. BROMMER

AMALlENSTRASSE 28
7500 KARLSRUHE 1

TEL.: 0721 /28778-9

Witzenmann GmbH Metallschlauch-Fabrik Pforzheim Östliche Karl-Friedrich-Straße-134 7530 Pforzheim

und

Daimler-Benz Aktiengesellschaft,
7000 Stuttgart 60

Kraftstoffkühler für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffkühler für den vom Tank zum Motor einer Brennkraftmaschine strömenden Kraftstoff, bestehend aus einem ggf. außen isolierten, zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der zu kühlende Kraftstoff über radiale Anschlüsse einen im Gehäuse verlegten Wellschlauch durchströmt.

Im Zuge optimaler Verbrennung des Kraftstoffes unter minimaler Schadstofferzeugung wird in jüngerer Zeit dazu übergegangen, den Kraftstoff vor dem Eintritt in den Vergaser bzw. in die Einspritzpumpe herunterzukühlen. Man ist dabei bestrebt, bei möglichst geringen Abmessungen

des Wärmetauschers einen höhen Kühleffekt, also eine hohe Wärmeübertragungsleistung, herbeizuführen.

Ein derartiger Kraftstoffkühler ist durch die DE- QS 31 OO 021 bekannt. Dabei strömt der Kraftstoff über zwei axial verlaufends~1iingräume, deren wärmetauschende Flächen als Wellschläuche ausgebildet sind. Man erhält dadurch hohe Wärmeübergangszahlen bei vergleichsweise geringem Druckverlust für die durchströmenden Medien. Außerdem können die eingesetzten Wellschläuche auftretende Wärmedehnungen ohne nennenswerten Spannungsaufbau Jcompensieren, Die Festigkeitsbeanspruchung, insbesondere an den Schweißnähten bzw. Lötstellen des Kühlers wird dadurch verringert und der Kühler kann leichter ausgeführt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Kraftstoffkühler vor allem hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsleistung zu verbessern. Dabei sollen seine Abmessungen die des bekannten Kühlers nicht-Überschreiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wellschlauch in Form mindestens einer Wendel, deren Aöhse ungefähr mit der Gehäuseachse übereinstimmt, in dem Gehäuse verlegt ist und der Wellschlauch sich radial an der Gehäuse-Innenwand abstützt.

Durch die wendelformige Verlegung erhält man einerseits eine wesentlich höhere Wärmeübertragungsfläche. Sie liegt etwa doppelt so hoch wie im bekannten Falle. Andererseits liefert die radiale Abstützung an der Gehäuse-Innenwand eine höhere Druckfestigkeit des Wellschlauchcs. Er kann dadurch in dünnerer Wandstärke als bisher ausgeführt werden, was ebenfalls die Wärmeübertragung verbessert. Die Druckfestigkeit des Wellschlauches ist im vorliegenden Anwendungsfall von besonderer Bedeutung, weil sowohl im Kraftstoffkreislauf als auch im Kühlmittelkreislauf, der meist an die Klimaanlage angeschlossen ist, nicht konstante Drücke auftreten und hieraus hohe Differenzdrücke resultieren.

Schließlich zeichnet sich der Kraftstoffkühler aufgrund der dünnwandigen, druckabgestützten Wellschlauchwendel durch niedriges Gewicht aus.

Um eine gleichmäßige Umströmung der Wellschlauch-Wendel innen und außen herbeizuführen, empfiehlt es sich, daß die Gehäusewand nach innen ragende Vorsprünge aufweist, an denen sich die Wellschlauch-Wendel abstützt. Diese Vorsprünge können als in Längsrichtung laufende Rippen, insbesondere als in die Gehäusewand eingeprägte Längssicken ausgebildet sein. Sie dienen sowohl zur Distanzierung der Wendel von der Gehäuse-Innenwand, also zur Schaffung eines außen liegenden, freien Strömungsquerschnittes für das Kühlmittel, als auch zur radialen Abstützung der Wendel.

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In Weiterbildung dos Erfindungsgedankens besteht die Möglichkeit, die Wellschlauch-Wendel nicht zylindrisch, sondern konisch auszuführen. Durch- entsprechende Bemessung der Vorsprünge kann dafür gesorgt werden, daß sich die Wendel in der einen Axialrichtung des Kühlers konisch verjüngt. Durch die Zu- bzw. Abnahme der Strömungsquerschnitte für das Kühlmittel in axialer Richtung wird eine definierte Zwangsströmung radial zwischen benachbarten Schlauchwindungen erzeugt, was bei zylindrischer Wendelung nicht der Fall ist« Die somit zusätzlich zum Wärmetausch herangezogenen radialen Strömungskanäle ergeben eine optimale Ausnutzung der Wellschlauchfläche über ihren gesamten Umfang und eine entsprechende Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung.

Ist aufgrund der Druckbelastung der Wellschlauch-Wendel mit Axialverschiebungen zu rechnen, so empfiehlt es sich, die Wendel auch in Axialrichtung im Gehäuse zu fixieren. Im allgemeinen genügt dabei eine Fixierung ihrer Enden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Wendel in einem Käfig, etwa einem Kunststoffspritzteil anzuordnen, der nicht nur die axiale Abstützung, sondern auch die radiale Abstützung und ggf. auch die Lagesicherung der einzelnen Windungen relativ zueinander übernimmt. Ist die Wendel in der Weise geformt, daß benachbarte Windungen einander berühren, sich also axial aneinander abstützen, so genügt eine Fixierung an den Enden der Wendel. Zugleich erhält man in diesem Falle einen besonders kompakten Aufbau des Kühlers.

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Befinden sich die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse am selben Gehäuseende des Kühlers, so ist es zweckmäßig, daß der Wellschlauch am anderen Gehäuseende mit einer zentral Im Kern der Wellschlauch-Wendel axial zurücklaufenden Leitung verbunden ist. Diese Leitung nimmt ebenfalls am Wärmeaustausch teil und bildet über die gesamte ^N Länge der Wendel einen definierten Ringquerschnitt für den inneren Strömungskanal des Kühlmittels. Durch Variieren des Leitungsdurchmessers können die innen und außen liegenden freien Querschnitte der Kühlmittelströmung""bezogen auf den Wärmeübergang so optimiert werden, daß die größtmögliche Wärmeübertragungsleistung erreicht wird. Die Rücklaufleitung ist zweckmäßig als glattwandiges Rohr ausgebildet und über ein endständiges Formstück an das Ende der Wendel angeschlossen. Zugleich kann dieses Rohr auch zur axialen Abstützung der Wendel herangezogen werden.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit für die Rückführung des Kraftstoffes besteht darin, daß die Wendel aus zwei gleichlaufenden, axial benachbarten Wellschlauchen gebildet wird, die an ihren den Kraftstoff-Anschlüssen abgewandten Enden miteinander verbunden sind. Bei einer derartigen Doppelwendel entfällt die Lötverbindung zwischen dem Wellschlauchende und der Rückführleitung.

Zur leichten Montage des Kühlers empfiehlt es sich, die beiden- radialen Kraftstoff-Anschlüsse in einem axial oder radial aufsteckbaren Gehäuseteil anzuordnen, das eine entsprechende Ausnehmung des Gehäuses verschließt.

Als Wellschlauch für dieherstellung der Wendel eignen sich handelsübliche Typen. Dabei kann es aber zur optimalen Raumausnutzung zweckmäßig sein, stattdessen einen Wellschlauch mit elliptischer"Wellung einzusetzen, dessen größte Wellenhöhe an der Innen- und Außenseite der Wendel liegt, v;o das Gebäus"e~~g«3nügend Platz bietet. Man erhält dadurch eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche bei gleichbleibenden axialen Abmessungen des Kühlers.

Außerdem besteht die Möglichkeit, einen Wellschlauch ~zu verwenden, der zumindest an seiner Außenseite abstehende Kühlrippen aufweist, insbesondere ein "rasiertes" Stachelrohr, wie es ähnlich in der DE-OS 2 330 A97 beschrieben ist, wo aus dem Wellengrund jeweils Rippen hochstehen, aber nicht über den Wellenberg hinausragen.

Schließlich ist es in diesem Zusammenhang auch möglich, den Wellschlauch auf seiner einen, in gebogenem Zustand außen liegenden Umfangsfläche mit zusätzlichen Wellen zu versehen, die zwischen den in Umfangsrichtung durchgehend umlaufenden Wellen angeordnet sind, sich jedoch nur über diese Hälfte erstrecken. Bei einem derartigen Biegewellenprofil wird also die an der V/endelaußenseite sich einstellende Schlauchdehnung benützt, um zusätzliche Halbwellen unterzubringen und die Wärmeübertragungsfläche nochmals zu steigern.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; dabei zeigt:

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Fig. 1 einen Ax±afechnii;t des Kraftstoffkühlers; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in . Fig.1;

Fig. 4 einen Axial-schnitt wie Fig. 1, jedoch mit konischer-Wendel;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. und

Fig. 6 ein geteiltes Kühlergehäuse.

Der Kraftstoffkühler besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 1, das an seinen beiden Enden mit zylindrischen Anschlußstutzen 2 und 3 für das Kühlmittel versehen ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse aus einem Rohrstück und zwei endständigen Abschlußplatten 1a und 1b zusammengesetzt. Es kann jedoch gleichermaßen aus halbschalenförmigen Tiefziehteilen bestehen.

Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein gewellter Metallschlauch 4 verlegt, der nahezu vom einen bis zum anderen Ende des Gehäuses schraubengangförmig durchläuft und sich an der Gehäuseinnenwand abstützt. Die einzelnen Windungen der so gebildeten Wellschlauch-Wendel liegen dicht aneinander. Dadurch wird bei kompakter Bauweise eine gegenseitige axiale Abstützung herbeigeführt. Zugleich werden.die wärmetechnisch wenig wirksamen Umfangsströmungen entland der Wellschlauchachse reduziert. Eine relativ große Wellentiefe bis etwa 30 % des Schlauchaußendurchmessers stellt sicher, daß die Wendel nicht nur

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von einer inneren, sondern auch von einer äußeren Axialströmung des Kühlmittels umströmt wird. Außerdem kann der Querschnitt für die äußere Kühlmittelströmung durch von der Gehäus'evand nach innen ragende und die Wendel -auf Abstand haltende Vorsprünge beliebig vergrößert werden.

Während das eine, in Flg. 1 linke Ende des Wellschlauchches 4 über ein in Fig. 2 dargestelltes hakenförmiges Robrstück 5 mit einem radialen Anschlußstutzen 6 für die Zuleitung des zu kühlenden Kraftstoffes verbunden ist, mündet das andere, in Fig. 1 rechte Ende des Wellschlau- -ches k in ein Formstück 7. Dieses Formstück 7 ist in Fig. näher dargestellt. Es verbindet den Wellschlauch mit dem Ende eines glattwandigen Rohres 8, das im Kern der Wellschlauch-Wendel zurückläuft und an seinem anderen Ende über eine radiale Abbiegung 9 (vergl. Fig. 2) mit einem radialen Anschlußstutzen 10 für die Ableitung des zu kühlenden Kraftstoffes verbunden ist.

Die Strömungsrichtung für das Kühlmittel ist, wie in Fig. 1 dargestellt, so gewählt, daß sich relativ zur Wendel kombinierter Quer- und Gegenstrom einstellt. Dadurch wird die höchstmögliche Wärmeübertragungsleistung erreicht.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die beiden Kraftstoff-Anschlußstutzen 6 und 10 in der gleichen Radialebene des Kühlers angeordnet und in einem gemeinsamen Gehäuseteil 11 montiert. Dieses Gehäuseteil erstreckt sich in Umfangsrichtung etwa über einen Bereich von 180° und ist auf eine entsprechende Aussparung des Behälters 1

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aufgesetzt und damit verlötet. Dadurch kann die Wendel mit dem Rohr 8, dem Gehäuseteil 11 und den beiden Anschlußstutzen 6 und 8 vormontiert und in diesem Zustand einfach auf die Dichtheit überprüft werden. Danach wird das Gehäuse 1 aufgeschoben, mit dem Gehäuseteil 11 und den endständigen Abschlußplatten - 1a und 1b verlötet.

In den Fig. 4 und 5 ist ein ähnlicher Kühler wj e in den vorbeschriebenen Figuren dargestellt. Jedoch verläuft. sein Wellschlauch 4 nicht längs einer zylindrischen^ sondern längs einer leicht konischen Wendel. Zur Einhaltung der Konizität sind zwischen der Wendel und dem Gehäuse 1 Vorsprünge in Form von vier in Längsrichtung laufenden, gleichmäßig über den inneren Behälterumfang verteilten, keilförmigen Leisten 13 angeordnet. Statt derartiger separater Leisten können ebensogut entsprechende Einsickungen in die Behälterwand gemacht werden.

Die Konizität ist so gewählt, daß die Wendel an ihrem einen Ende etwa am Gehäuse 1 anliegt, während sie an ihrem anderen Ende etwa an der Rückführleitung 8 anliegt. Dies ist strömungstechnisch und wäreübertragungsmäßig besonders günstig, weil das Kühlmittel die Wendel nicht mehr axial passieren kann, sondern gezwungen wird, von außen zwischen den einzelnen Windungen hindurch nach innen zu strömen. Der Wellschlauch 4 wird dadurch über seinen gesamten Umfang optimal zum Wärmeaustausch herangezogen.

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Der Querschnitt in Fig. 5 zeigt die vier Vorsprünge 13, die zur Bildung eines sich nachrhinten verjüngenden Ring-Traumes zwischen der Wendel und dem Gehäuse führen. Außerdem zeigt sie die Verbindung zwischen der Wendel und der Rücklaufleitung 8 über ein Zwischenstück, das in diesem Falle als U-förmig gekrümmtes Rohrstück.14 ausgebildet ist. - .

Fig. 6 zeigt noch eine Variante für die Gehäuseausbildung. Dabei ist das die Kraftstoff-Anschlußstutzen tragende Gehäuseteil 11 von Fig. 1 als sich über den ganzen Umfang erstreckende Endkappe 12 ausgebildet. Außerdem ist das Gehäuse 1 in diesem Falle an seinem anderen Ende nach innen gezogen, so daß die Stirnplatten 1a und 1b für die Montage der kühlmittelseitigen Anschlüsse entfallen.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, den Radialschnitt zur Teilung des Gehäuses nicht wie in der oberen Hälfte von Fig. 6 dargestellt, neben den radialen Anschlußstutzen 6 und 10, sondern längs deren Achse vorzusehen. Die Stufe an den sich überlappenden Rändern ist dann an beiden Gehäuseteilen vorzunehmen, damit sich ein bündiger Übergang ergibt, wie auf der unteren Hälfte von Fig. 6 dargestellt.

Claims

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DIPL-ΙΝΘ. R. LEMCKE . (1368O/SI) B/B7.

DR.-ΙΝΘ. H. J. BROMMER

AMÄLIENSTRASSE28
,^ 7500 KARLSRUHE 1

TEL.: 0721/28778-9 . _

Witzenmann GmbH Metallschlauch-Fabrik Pforzheim Östliche Karl-Friedrich-Straße 134 7530 Pforzheim

und

Daimler-Benz Aktiengesellschaft
7000 Stuttgart 60

Patentansprüche

Kraftstoffkühler für den vom Tank zum Motor einer Brennkraftmaschine strömenden Kraftstoff, bestehend aus einem ggf. außen isolierten, zylindrischen Gehäuse, das axial von einem Kühlmittel durchströmt wird, während der zu kühlende Kraftstoff über radiale Anschlüsse einen im Gehäuse verlegten Wellschlauch durchströmt, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wellschlauch (4) in Form mindestens einer Wendel, deren Achse ungefähr mit der Gehäuseachse übereinstimmt, in dem Gehäuse (1) verlegt ist und der Wellschlauch (4) sich radial an der Gehäuseinnenwand abstützt.
2. Kraftstoff kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewand nach innen ragende Vorsprünge (13) zur Distanzierung und radialen Abstützung der Wellschlauch-. Wendel'aufweist.

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3. Kraftstoff kühl er nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspränge (13) als in Längsrichtung laufende Rippen ausgebildet sind.
4. Kraftstoffkühler nach "Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (13) als in die Gehäusewand eingeprägte Längssicken ausgebildet sind.
5. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wellschlauch-Wendel in der einen Axialrichtung des Kühlers konisch verjüngt.
6. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellschlauch-Wendel zusätzlich in Axialrichtung im Gehäuse fixiert ist.
7. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden An-

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellschlauch- «

Wendel in einem Käfig fixiert ist.
8. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Windungen der Wellschlauch-Wendel aneinander anliegen.
9. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse am selben Gehäuseende befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch (4) am anderen Gehäuseende mit einer zentral im Kern der Wellschlauch-Wendel axial zurücklaufenden Leitung (8) verbunden ist.
10. Kraftstoffkühler—nach-Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zurücklaufende Leitung (8) als glattwan diges Rohr ausgebildet ist.
11. Kraftstoffkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei sich die beide-n-^-adialen Kraftstoff-Anschlüsse am selben Gehäuseende befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel aus zwei gleichlaufenden, axial benachbarten WellSchläuchen besteht, die an ihren den Kraftstoff-Anschlüssen abgewandten Enden miteinander verbunden sirrd.
12. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden radialen Kraftstoff-Anschlüsse (6, 10) in einem axial oder radial aufsteckbaren Gehäuseteil (11, 12) angeordnet sind.
13· Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) längs eines Radialschnittes durch die beiden Kraftstoff-Anschlüsse (6, 10) geteilt ist.
14. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch eine elliptische Wellung aufweist.
15. Kraftstoffkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellschlauch zumindest an seiner Außenseite abstehende Kühlrippen aufweist.

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16. Kraftstoff kühler nach~~einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dai3 der Wellschlauch auf seiner einen Umfangshälfte mit zusätzlichen, sich nur über diese Hälfte erstreckenden Wellen versehen ist.