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Wärmeaustauscher kombiniert mit Abgas-Schalldämpfer Bei den bis jetzt
bekannten Wärmeaustauschern, die zwecks Ausnutzung der Abgaswärme von Verbrennungskraftmaschinen
mit Abgasschalldämpfern kombiniert sind und die aus der Abgasführung durch entsprechende
Vorrichtung Wärme entziehen, die wieder zur Beheizung von Fahrzeuginnenräumen verwendet
wird, sind noch nicht alle wärmetechnischen, strömungstechnischen und akustischen
Möglichkeiten ausgenutzt, die zur Erzielung eines mit physikalischem Optimum arbeitenden
kombinierten Schalldämpfer-Wärme-Austauschers möglich sind. Vielfach wird der Außenmantel
des Schalldämpfers zur Wärmeabgabe an einen Warmluftraum benutzt, der um den Schalldämpfermantel
herumgelegt ist und durch einen zweiten Blechmantel, der den Schalldämpfermantel
in bestimmtem. Abstand umgibt, abgegrenzt wird. Diese Anordnung hat den Nachteil,
daß der Schalldämpferaußenmantel für eine intensive Wärmeabgabe ungeeignet ist,
da die Abgase an diesem, relativ betrachtet, die geringste Geschwindigkeit haben
und da weiterhin die Wärmeentnahme am Umfange eines Gasstromes erfolgt, also an
dem Teil der geringsten Temperatur, während der heiße Abgaskern im Innern des Schalldämpfers
nicht oder nicht in genügender Weise zur Wärmeübertragung ausgenutzt wird.
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Eine andere bekannte Bauart ist dadurch gekennzeichnet, daß durch
das Innere des Schalldämpfers Einzelrohre geführt werden, durch die die zu erhitzende
Luft, die sowohl Raum- als auch Frischluft sein kann, zum Zwecke des Aufheizens
geführt wird. Es ist auch die physikalische Umkehrung dieser
.Bauart
bekanntgeworden, d. h. der Wärmeau3tauscher ist in der Weise ausgebildet, daß die
heißen Abgase durch mehrere Innenrohre fließen und die Warmluft in einem diese Rohre
umgebenden Außenmantel geführt wird.
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Die beiden letztgenannten Ausführungen haben den Nachteil, daß der
mit dem Wärmeaustauscher kombinierte Schalldämpfer infolge der Durchführung der
Rohre, auch wenn er bezüglich seiner Dämpfungseigenschaften vorausberechnet wurde,
akustisch verstimmt wird. Bei der erstgenannten bekannten Bauart ist der Einbau
eines Sicherheitsraumes bekanntgeworden; der den Zweck hat, bei undicht werdendem
Schalldämpfermantel etwa aus der Abgasleitung ausströmende Kohlenoäcydmengen ins
Freie abzuleiten und deren Vermischung mit der Raumheizung zu verhindern. Derartige
Ausführupgen sind durch die deutschen Patentschriffen637898 und 722754 bekanntgeworden:
Die an zweiter und dritter Stelle genannten Bauarten, bei welchen mehrere Einzelrohre
durch den Schalldämpferinnenraum hindurchgeleitet werden, um möglichst große Heizflächen
zu erzielen, haben den Nachteil, daß die vorbeschriebene Sicherung gegen das Eindringen
von kohlenoxydhaltigen Abgasen in die Heizluft entweder gar nicht oder nur schwer
erreicht werden kann. Soll eine derartige Sicherungsmaßnahme bei diesen Heizungen
durchgeführt werden, so ist ein eiheblicher Arbeits- und gewichtsmäßiger Aufwand
erforderlich.
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Da aber der Gedanke, den Wärmeaustauscher mit dem Abgas-Schalldämpfer
zu kombinieren, bezüglich des Materialaufwandes und hinsichtlich der erwünschten
Herabminderung des durch Fahrzeuge mitgeführten Totgewichtes sehr erstrebenswert
ist, war die Entwicklung eines kombinierten Schalldämpferlufterhitzers, der es ermöglicht,
die erhitzte Warmluft direkt ins Fahrzeuginnere zu führen, von besonderer Bedeutung.
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Erfindungsgemäß werden nun im abgasführenden Teil ein oder mehrere
an akustische Dämpfungsvolumina angrenzende Rippen- oder Nadelwärmeaustauschelemente
an einer Begrenzungsfläche eines Schalldämpfers so angeordnet; daß in mehreren auf
akustische Dämpfung abgestimmten Gaskanälen die Wärmeabgabe durch Kanalführung an
den Stellen größter Abgasgeschwindigkeit und höchster Abgasinnentemperatur unter
Ausnutzung der Schwingungsturbulenz der sich bei Verbrennungskraftmaschinen ergebenden
pulsierenden Gasströmung erzwungen wird. Die. einzelnen Abgaskanäle haben zweckmäßigerweise
einen verhältnismäßig engen Querschnitt, so daß sich umfangreiche Heißgaskerne nicht
bilden können.
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Die erfindungsgemäß im abgasführenden Teil ausgeführten Gaskanäle
können dabei im Innern des Schalldämpfers bezüglich ihrer Länge und ihres Querschnittes
mit einfachen Mitteln so bemessen werden, daß eine optimale akustische Dämpfungswirkung
erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Schaffung der Kanäle mit Hilfe von Abdeckplatten
auf den einzelnen Kanalrippen oder Nadeln kann in sehr billiger und fertigungsmäßig
einfacher Weise jede gewünschte bzw. akustisch notwendig werdende Kanaldimension
hinsichtlich Länge und Querschnitt geschaffen werden. Man hat mit der erfindungsgemäßen
Ausführung somit gleichzeitig zahlreiche Vorteile gegenüber den bisher bestehenden
Systemen gemeinsam erreicht, und zwar einmal eine gute Dämpfung durch exakte akustische
Abstimmung, die zudem noch mit sehr einfachen und billigen technischen Mitteln,
nämlich einer veränderlichen Kanalabdeckung, erreicht wird; außerdem können mehrere
akustische Dämpfungsvolumina in einfachster Weise erfindungsgemäß auf die durch
die Rippen oder Nadeln im abgasführenden Teil gebildeten Heizkanäle 'aufgesetzt
werden. Die zur Gasführung dienenden Kanäle können in erfindungsgemäßer Weise gleichzeitig
die Funktion akustischer Dämpfungsglieder und wärmetechnisch richtig ausgebildeter
Heizrippen oder Nadeln erfüllen. Außerdem wird dadurch, daß die Zwischenräume zwischen
den Rippenwandungen oder den einzelnen nadelartigen Gebilden entsprechend eng gehalten
werden können, infolge der Gasgeschwindigkeitssteigerung eine sehr gute Wärmeübertragung
erreicht, die außerdem durch geeignete Formgebung der Kanalwandungen (Zickzackführung)
oder der eingebauten Nadeln auch noch die für den Wärmeübergang wichtige Spitzenwirkung
ausnutzt. Dadurch, daß die so geschaffenen Gasführungswege auf ihrem ganzen Querschnitt
durch die wärmeaufnehmenden Metallteile, seien es die Kanalwandungen oder seien
es die hineinragenden Nadeln, durchsetzt sind, wird in erfindungs7. gemäßer Weise
erreicht, daß eine sehr große Oberfläche mit den pulsierenden Abgasen in Verbindung
ist, so daß die Schwingungsturbulenz, die von der Arbeitsweise der Verbrennungskraftmaschine
herrührt, zur Verbesserung der Wärmeübertragung sehr günstig ausgenutzt wird.
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Es werden also durch die erfindungsgemäße Ausführung sowohl die schalldämpfungsmäßigen
Forderungen als auch die wärmetechnischen Bedingungen eines guten Wärmeaustauschers
in wirtschaftlicher und billiger Weise verbunden. Gleichzeitig kann die Sicherheitsforderung,
daß nämlich das Eindringen der Abgase in die Frischluft auch bei Undichtwerden der
Abgasleitung verhindert werden muß, in einfacher Weise erfüllt werden dadurch, daß
der in den Abgasteil eingebaute Rippen- oder Nadelkörper eine glatte Außenfläche
erhält, an die in bekannter Weise die bearbeitete Grundfläche des Rippen- oder Nadelkörpers,
der die Wärmeabgabe an die Heizluft vermittelt, dicht angepreßt wird.
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Die Fig. i und 2 zeigen ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes in
Längs- und Querschnitt. Innerhalb des Dampfermantels i befinden sich die beispielsweise
durch Längsrippen 18 und i9 gebildeten Abgaskanäle 2 und 3, die im abgasführenden
Teil die akustische Verbindung zwischen den Dämpfungsräumen q, 5 und 6 durch Aufsetzen
von einfachen Blechwandungsteilen bilden. Die Abgase treten bei 7 in den Schalldämpfer
ein und nach Durchfließen der hintereinanderliegenden Kanäle 2 und 3 bei 8 aus.
Es können selbstverständlich je
nach der akustischen Notwendigkeit
beliebig viele Kanalgruppen hintereinander angeordnet werden. Die Kaltluft, die
in vielen Fällen zweckmäßigerweise als Frischluft zugeführt wird, tritt bei 14 ein
und bei 13 als Warmluft wieder aus. Soll auf das Gegenstromprinzip verzichtet werden,
so kann auch umgekehrt gearbeitet werden. Die Abgaskanäle 2 und 3 werden zur Erzielung
großer Wärmedurchgangsflächen zweckmäßig so ausgebildet, daß jede bei Wärmeaustauschern
bekannte Formgebung benutzt werden kann. Im Beispielsfall sind die Wärmedurchgangsflächen
nahezu rechteckig ausgebildet (s. Fig. 2), wobei die Wärmeübertragung nach der Frischluftseite
über eine Trennfuge 25 erfolgt. Die Grundplatte des Rippenkörpers der Abgasseite
19 und diejenige des Rippenkörpers der Frischluftseite sind so gestaltet, daß sie
in der Trennfuge 25 satt und dicht aufeinandergesetzt werden können. Beispielsweise
kann diese Trennfläche beiderseitig glatt überschliffen werden. Zur Vermeidung von
Korrosions- und Verrostungsgefahr, die unter Umständen infolge der kapillaren Wirkung
der Trennfuge besteht, kann die Trennfuge in erfindungsgemäßer Weise teilweise oder
ganz abgedeckt. sein. Außerdem besteht die Möglichkeit, falls eine allseitig geschlossene
Abdeckung der Trennfuge zweckmäßig erscheint, die Abdeckung mit einer Sollbruchstelle
oder einer bei Undichtwerden der Abgasseite infolge des Überdrucks sich öffnenden,
ventilartig wirkenden Öffnung zu versehen. Die letztgenannte Maßnahme erübrigt sich
bei geschlossener Trennfuge, wenn entsprechend der deutschen Patentschrift
722 754 eine Absaugung etwa eindringender Abgase durch den Vergaser vorgesehen
ist.
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Zur Erhöhung der Wärmeübertragung selbst werden im Beispielsfalle
die flachen Abgaskanäle 2 und 3 mit Längsrippen versehen. Ebenso könnten diese Kanäle
natürlich auch mit nadelförmigen Rippen ausgestattet sein. Die gleiche oder ähnliche
Vorrichtung in bezug auf die Verrippung oder Benadelung wird auf der Frischluftseite
9 vorgenommen (s. Fig. 2). Um nun die notwendigen akustischen Längen der Abgaskanäle
2 und 3 im abgasführenden Teil zu erreichen, ohne daß dabei der Heizeffekt gestört
wird, sieht die Erfindung vor, daß die Rippen der beispielsweise angegebenen Gruppen
2 und 3 mit Abdeckplatten oder -blechen i i und 12 abgedeckt werden. Diese Art der
Schaffung bestimmter Kanallängen ist billig und zweckmäßig. Dadurch, daß es hiermit
in einfacher Weise möglich ist, verschiedene Kanallängen akustisch auszunutzen,
ist eine optimale Gestaltung der schalldämpfenden Wirkung des kombinierten Wärmeaustauscherschalldämpf.ers
möglich. Es besteht weiterhin die Möglichkeit,, entgegen dem in Fig. i dargestellten
Beispiel die Rippengruppen 2 und 3 auf die ganze Länge durchlaufen zu lassen, was
fertigungsgemäß in manchen Fällen gewisse Vorteile bietet. In dem Falle der durchlaufenden
Rippen kann durch einfache Einfügung von Strömungsleitblechen 16, die in diesem
Falle, wie in Fig. 3 dargestellt ist, kammartig von oben über die Rippen gesteckt
werden, jede gewünschte akustische Längenunterteilung durchgeführt werden. Diese
in die Rippen oder in eine entsprechende Nadelreihe eintauchenden Kamm- oder Leitbleche
können über die Rippenhöhe i9 hinaus ins Innere der Dämpfungsvolumina hinein, wie
dies bei 24 dargestellt ist, verlängert werden, so daß eine leitschaufelartige strömungstechnisch
günstige Wirkung erzielt wird. Ebenso können die Abdeckplatten i i und 12 am Ein-
und Austritt, also bei 20, 21, 22 und 23, leitschaufelartig geformt sein, wodurch
ein drosselfreier Strömungsverlauf gesichert und gleichzeitig erreicht wird, daß
keine Behinderung der wärmeübergangbegünstigenden Schwingungen auftritt. Die Rippen-
oder Nadelkörper können auf jede bekannte Art hergestellt; werden. Durch geeignete
Maßnahmen bei der Führung des F räsers kann bei der Rippenkörperherstellung selbst
ein strömungsgerechter, d: h. drosselfreier Ein- und Auslauf gesichert werden, wie
dies beispielsweise am Fuß 17 und Auslauf 18 von Kanal 3 zu ersehen ist. Die Rippengruppen
2 und 3 werden mit den Abdeckplatten i i und 12 zum Teil so abgeschlossen, daß günstig
wirkende akustische Längen der Abgaskanalgruppen 2 und 3 oder aber einzelner diese_-Kanäle
erreicht werden. Der freie Durchflußquerschnitt der Kanalgruppen steht mit den Volumina
der Kammern 4, 5 und 6 in Verbindung. Das Verhältnis von Kanallängen zu den Volumina
kann in jeder gewünschten akustischen Weise gestaltet werden, wodurch in wirtschaftlicher
und billiger Weise eine einwandfreie,akustische Abstimmung des kombinierten Wärmeaustauscherschalldämpfers
ermöglicht wird. Mit der Maßnahme der akustischen Rippenkanäle wird weiterhin eine
gute Dämpfung der extrem hohen Schneidetöne durch Reibung erreicht, was sich dämpfungsmäßig
sehr vorteilhaft auswirkt. Um zu vermeiden, daß die Strömung beim Aastritt aus dem
ersten Gaskanal 2 unmittelbar in den Kanal 3 hinüberläuft und dabei die sehr hohen
Schallfrequenzen mitreißt, eine Erscheinung, die nachweisbar bei vielen Schalldämpferkonstruktionen
störend wirkt, wird die bereits obenerwähnte leitschaufelförmige Gestaltung des
Bleches 24 vorgenommen.
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Um weiterhin zu vermeiden, daß die Abdeckplatten bzw. -bleche i i
oder 12 membranartige Schwingungen ausführen, falls sie aus dünnem Material hergestellt
werden sollen, und daß diese Schwingungen in Berührung mit den Rippengruppen i9
ein schwirrendes Geräusch verursachen, besteht die Möglichkeit, die Rippen verschieden
hoch zu gestalten und die Abd'eckbleche über diese satt aufzuspannen, wie dies aus
Fig. 2 ersichtlich ist.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung den
Vorteil hat, daß durch die Wärmeabgabe der Abgase in den verrippten oder benadelten
Kanälen abgasseitig eine Abgasvolumenkontraktion eintritt, die den durch die Rippen
oder Nadeln verursachten erhöhten Reibungseffekt weitgehend aufhebt, was eine Verbesserung
sowohl der Motorleistung als auch der Schalldämpfung zur Folge hat.
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In solchen Fällen, in denen die Verrippung bzw: Benadelung nicht etwa
durch ein Guß-, Preßfließ-,
Gesenkschmiede- oder Lötverfahren aufgebracht
werden soll, sondern in dem insbesondere bei Einzelanfertigung die Notwendigkeit
gegeben ist, durch Fräsen aus dem Vollen eine widerstandsgünstige Verrippung oder
Benadelung zu erzielen, kann, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, in erfindungsgemäßer
Weise eine Doppelfräsung mit sich kreuzenden Fräsrichtungen in der Weise vorgenommen
werden, daß sich nadelförmige Rippenteile mit parallellogrammförmigem Querschnitt
26 ergeben. Pfeilrichtung 27 stellt die eine, Pfeilrichtung 28 die zweite Fräsrichtung
dar.
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Bei durchgehenden Längsrippen können diese auch diffusorartig auseinanderlaufend
angeordnet werden, so daß an der Eintrittsstelle, an der die Gase infolge der hohen
Geschwindigkeit die größte Temperatur aufweisen, die größte Wärmeabgabe erzwungen
wird. Der durch die hohe Abgasströmungsgeschwindigkeit sich ergebende erhöhte Gegendruck
wird andererseits wieder durch die diffusorförmig ausgebildeten Kanalwandungen kompensiert.
Auch durch diese Maßnahmen ist ein Optimum an Wärmeübergang bei Begünstigung der
Motorleistung und der Schalldämpfung erreicht.