Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung eines Kühlmittels zu einem
Wärmeübertrager, vorzugsweise für einen Abgaskühler eines Verbrennungsmotors eines
Kraftfahrzeuges, umfassend einen Anschlussstutzen.
Stand der Technik
[0002] Abgaskühler, wie sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden, haben die Aufgabe, heißes
Abgas von Verbrennungsmotoren zu kühlen, damit dieses gekühlte Abgas der Ansaugluft
wieder beigemischt werden kann. Damit der thermodynamische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors
nicht zu stark absinkt, ist eine Abkühlung auf ein niedriges Niveau anzustreben. Dieses
Prinzip ist allgemein als gekühlte Abgasrückführung bekannt und wird angewandt, um
eine Reduzierung von Schadstoffen im Abgas zu erreichen.
[0003] Bedingt durch sehr hohe Abgastemperaturen des Verbrennungsmotors kann das Kühlmittel
vor allem in dem Gebiet direkt hinter dem Gaseintritt des Abgaskühlers zum Sieden
kommen, was negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Abgaskühlers haben kann.
Der Siedegefahr kann in begrenztem Maß durch eine Steigerung des Kühlmitteldurchsatzes
entgegengewirkt werden. Technisch ist die Menge des durch den Abgaskühler strömenden
Kühlmittels aber durch den kühlmittelseitigen Strömungswiderstand des Abgaskühlers
begrenzt.
[0004] Aus der
DE 10 2004 027 479 B3 ist ein System aus einem Ventil und einer Schutzkappe bekannt, bei welchem das Ventil
mit einem Ende mit einer Leitung eines geschlossenen Fluidkreislaufes verbunden ist.
Zwischen dem Ventil und der Schutzkappe ist dabei ein Dichtkörper angeordnet, um das
Eindringen von Schmutzpartikeln in das Kühlmittel zu verhindern.
[0005] Die
DE 10 2012 221 325 A1 offenbart eine Wickelkopfkühlung, wobei zwei Kühlkreislaufkomponenten, welche eine
elektrische Maschine kühlen, mittels eines so genannten Plug- und Seal-Elementes verbunden
sind.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
[0006] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Kühlmittels
in einen Wärmeübertrager, vorzugsweise in einen Abgaskühler eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeuges, zu schaffen, bei welcher der zur Verfügung stehende Kühlmitteldurchsatz
effizient genutzt und eine Siedegefahr des Kühlmittels reduziert wird.
[0007] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung eines
Kühlmittels in einen Wärmeübertrager, vorzugsweise in einen Abgaskühler eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeuges und ein Anschlussstutzen, wobei im Inneren des Anschlussstutzens
eine vorsprungähnlich gestaltete Strömungsleiteinrichtung für das Kühlmittel integriert
ist. Durch eine solche Strömungsleiteinrichtung wird das Kühlmittel schon beim Eintritt
in den Wärmeübertrager möglichst gleichmäßig über den Querschnitt der Bestandteile
des Wärmeübertragers verteilt, um dann gleich verteilt parallel zwischen den Rohren
des Wärmeübertragers, welche das heiße Abgas führen, fließen zu können, wobei die
Strömungsleiteinrichtung annähernd mittig an der Innenwandung, in einen Innenraum
des Anschlussstutzens hineinragend, ausgebildet ist und eine Kontur der Strömungsleiteinrichtung
in einer Längserstreckungsrichtung des Anschlussstutzens in Richtung des Wärmeübertragers
ansteigend verläuft. Da diese Gleichverteilung in dem Gebiet direkt hinter dem Eintritt
des zu kühlenden Fluids erfolgt, wird eine Siedegefahr des Kühlmittels herabgesetzt.
Unter einer Gleichverteilung soll dabei im Weiteren eine gleiche Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit
des in den Wärmeübertrager einströmenden Kühlmittels verstanden werden.
[0009] Dabei ist der Anschlussstutzen vorteilhaft als so genanntes Plug- und Seal-Element
zum Einsatz in einen Kühlmittelanschluss ausgebildet.
[0010] Erfindungsgemäß ist die Strömungsleiteinrichtung annähernd mittig an der Innenwandung,
in einen Innenraum des Anschlussstutzens hineinragend, ausgebildet, wobei eine Kontur
der Strömungsleiteinrichtung in einer Längserstreckungsrichtung des Anschlussstutzens
in Richtung des Wärmeübertragers ansteigend verläuft. Eine solche schanzenförmige
Strömungsleiteinrichtung, die zu beiden Seiten mit dem Anschlussstutzen abschließt,
erzeugt eine breit gefächerte Kühlmittelführung in Richtung des Wärmeübertragers als
auch zu den Seiten innerhalb des Anschlussstutzens. Die Beschleunigung der Strömung
erfolgt dabei annähernd konstant und findet etwa über die gesamte Länge des Anschlussstutzens
statt.
[0011] In einer Ausgestaltung verläuft ein axialer Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung
in Richtung des Wärmeübertragers linear. Ein solcher linearer Anstieg der in den Anschlussstutzen
integrierten Strömungsleiteinrichtung ermöglicht konstruktiv den Anschluss von einer
Leitung, die in mehrere Richtungen verzweigt werden kann.
[0012] In einer Alternative verläuft der axiale Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung
in Richtung des Wärmeübertragers gemäß einer Potenzfunktion. Ein solcher Verlauf unterstützt
die konstante Beschleunigung der Strömung des Kühlmittels und verringert somit die
Gefahr des Siedens des Kühlmittels.
[0013] In einer Ausführungsform verläuft der axiale Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung
parabelförmig. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht die Reduzierung des Kühlmittelbedarfes
zur Siedevermeidung.
[0014] In einer Variante ist die Kontur der Strömungsleiteinrichtung in radialer Richtung
des Anschlussstutzens annähernd spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei beidseitig zu
einem mittig ausgebildeten Maximum sich eine Wölbung zur Innenwandung des Anschlussstutzens
anschließt. Auch diese Wölbungen unterstützen eine Gleichverteilung der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit.
[0015] Vorteilhafterweise verläuft die jeweilige Wölbung ausgehend von dem Maximum der Strömungsleiteinrichtung
konkav zur Innenwandung des Anschlussstutzens. Ein solcher Anschlussstutzen in einem
Kühlmittelanschluss ermöglicht einen besonders bauraumeffizienten und optimierten
Anschluss an den Abgaskühler ohne zusätzliche Schläuche oder Rohre direkt an den Verbrennungsmotor.
[0016] In einer Weiterbildung ist die radiale Ausrichtung der Kontur der Strömungsleiteinrichtung
in Abhängigkeit von einer Breite des, den Fluidkreislauf enthaltenden Blockes bestimmt.
Dadurch, dass der Kühlmitteleintritt beim Kühlmittelanschluss schmaler ist als der
Block, ergibt sich normalerweise eine glockenförmige Verteilung des Kühlmittels, welches
in der Mitte eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die zu den Seiten abfällt.
Diese Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit werden durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung abgebaut. Die Strömungsleiteinrichtung verteilt das einströmende Kühlmittel
mit einer annähernd konstanten Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit.
[0017] In einer Ausgestaltung weist der Anschlussstutzen einen annähernd runden Querschnitt
auf und ist direkt an dem Wärmeübertrager angeordnet.
[0018] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung
und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren der Zeichnung
[0019] Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Eintrittsbereich
eines Abgaskühlers,
- Fig. 2
- einen Schnitt A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und den Eintrittsbereich
des Abgaskühlers gemäß Fig. 1,
- Fig. 3
- einen Schnitt B-B durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und den Eintrittsbereich
des Abgaskühlers gemäß Fig. 1,
- Fig. 4
- ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Eintrittsbereich
eines Abgaskühlers,
- Fig. 5
- ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Eintrittsbereich
eines Abgaskühlers, und
- Fig. 6
- ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Eintrittsbereich
eines Abgaskühlers.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0020] Figur 1 zeigt einen Eintrittsbereich für Abgas und Kühlmittel eines Abgaskühlers
1, wie er in Verbrennungsmotoren, vorzugsweise Dieselmotoren, in Kraftfahrzeugen eingesetzt
wird, um das heiße, von dem Verbrennungsmotor abgegebene Abgas zu kühlen, damit dieses
gekühlte Abgas der Ansaugluft des Verbrennungsmotors wieder beigemischt werden kann.
Ein solcher Abgaskühler 1 besteht aus einem Diffusor 2, an welchen sich ein Kühlerblock
3 anschließt. Direkt an dem Kühlerblock 3, welcher mehrere parallel zueinander verlaufende
Rohre 4 aufweist, in welchen das von dem Verbrennungsmotor erzeugte Abgas geleitet
wird, ist ein Kühlmittelanschluss 5 befestigt, durch welchen ein Kühlmittel in den
Kühlerblock 3 eingeführt wird, um die Rohre 4, durch welche das heiße Abgas strömt,
zu kühlen. Der Kühlmittelanschluss 5 ist entgegengesetzt zum Kühlerblock 3 mit einer
nicht weiter dargestellten Leitung verbunden.
[0021] In den Kühlmittelanschluss 5 ist ein Anschlussstutzen 6, beispielsweise als Plug-
und Seal-Element, geklemmt. Ein solcher Anschlussstutzen 6 ist nicht nur einfach in
den Kühlmittelanschluss 5 auf den Kühlerblock 3 des Abgaskühlers 1 einsteckbar, sondern
vorteilhaft und optional auch selbstdichtend ausgebildet, so dass kein Kühlmittel
austreten kann. Der Anschlussstutzen 6 besitzt einen runden Querschnitt und enthält
an seiner Innenwandung 7 eine Strömungsleiteinrichtung 8. Die Strömungsleiteinrichtung
8 ist vorsprungähnlich gestaltet, und weist mittig ein Maximum 9 auf, welches in den
Innenraum 10 des Anschlussstutzens 6 hineinragt. Ausgehend von dem Maximum 9 besitzt
die Strömungsleiteinrichtung 8 radial ausgebildete Wölbungen 11, 12, die zur Innenwandung
des Anschlussstutzens 6 verlaufen. Diese Wölbungen 11, 12 sind dabei zum Maximum 9
symmetrisch ausgebildet und verlaufen konkav.
[0022] Ein Schnitt A-A des Abgaskühlers 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Daraus ist ersichtlich,
dass der Kühlmittelanschluss 5 den Anschlussstutzen 6 umschließt, wobei die Strömungsleiteinrichtung
8 in ihrer axialen Erstreckung 13 ausgehend von dem Kühlerblock 3 des Abgaskühlers
1 bis zu dem Kühlmittelanschluss 5, welcher am Verbrennungsmotor, vorzugsweise am
Zylinderkopf des Verbrennungsmotor angeordnet ist, eine parabelförmige Kontur aufweist,
welche vom Kühlerblock 3 zum Kühlmittelanschluss 5 abnimmt.
[0023] Wie aus Fig. 3 in dem Schnitt B-B ersichtlich ist, stellt das Maximum 9 die höchste
Erhebung der Strömungsleiteinrichtung 8 dar, wobei auch die Wölbungen 11, 12 der Strömungsleiteinrichtung
8, ausgehend von dem Kühlerblock 3 zum Kühlmittelanschluss 5, abfallen.
[0024] Die Strömungsleiteinrichtung 8 ist in ihrer radialen Ausrichtung so optimiert, dass
ein bestimmtes Verhältnis von der Breite des Kühlmittelblockes 3 zu deren Durchschnittsbreite
gegeben ist, um jeweils immer eine optimale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
gegenüber dem Gasdurchsatz des Abgaskühlers 1 zu gewährleisten und sicherzustellen,
dass nur ein minimaler Kühlmittelbedarf zur Vermeidung des Siedens des Kühlmittels
zur Verfügung gestellt werden muss. Fig. 4 zeigt eine Anpassung der radialen Durchschnittsbreite
der Strömungsleiteinrichtung 8 zur Blockbreite des Kühlmittelblockes 3 von ungefähr
3. Gemäß Fig. 5 ist die Kühlmittelverteilung an die Breite des Kühlmittelblockes 3
dahingehend angepasst, dass die Blockbreite zur Durchschnittsbreite der Strömungsleiteinrichtung
8 ungefähr 2 beträgt, während bei Fig. 6 die Blockbreite zur Durchschnittsbreite annähernd
5 beträgt.
[0025] Der Anschlussstutzen 6 ist so ausgeführt, dass es gemeinsam mit der Strömungsleiteinrichtung
8 etwa bis zur Innenkante eines Gehäuses 14 des Kühlmittelblockes 3 reicht und bei
maximaler axialer Verschiebung bis 2 mm vor die Innenkante des Gehäuses 14 reicht.
Somit ist ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen und thermischer Dehnung möglich,
insbesondere dann, wenn es sich noch vorteilhafterweise um 2° kippen lässt.
[0026] Die beschriebene Lösung zeigt einen nachrüstbaren Kühlmittelanschluss, in welchem
eine Strömungsleiteinrichtung integriert ist, die einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen
und thermischen Ausdehnungen ermöglicht. Die Wirkung hängt vom jeweiligen Hineinragen
der Strömungsleiteinrichtung 8 in den Anschlussstutzen 6 ab.
1. Vorrichtung zur Zuführung eines Kühlmittels in einen Wärmeübertrager, vorzugsweise
Abgaskühler eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, umfassend einen Anschlussstutzen
(6), dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstutzen zum Einsatz in einen Kühlmittelanschluss (5) ausgebildet ist,
wobei im Inneren des Anschlussstutzens eine vorsprungähnlich gestaltete Strömungsleiteinrichtung
(8) für das Kühlmittel integriert ist, wobei die Strömungsleiteinrichtung (8) annähernd
mittig an der Innenwandung, in einen Innenraum (10) des Anschlussstutzens (6) hineinragend,
ausgebildet ist und eine Kontur der Strömungsleiteinrichtung (8) in einer Längserstreckungsrichtung
(13) des Anschlussstutzens (6) in Richtung des Wärmeübertragers ansteigend verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstutzen als Plug- und Seal-Element ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung (8) in Richtung des Wärmeübertragers
linear verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung (8) in Richtung des Wärmeübertragers
zumindest annähernd gemäß einer Potenzfunktion verläuft.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Anstieg der Kontur der Strömungsleiteinrichtung (6) parabelförmig verläuft.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Strömungsleiteinrichtung (8) in radialer Richtung des Anschlussstutzens
(6) annähernd spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, wobei beidseitig zu einem mittig
ausgebildeten Maximum (9) sich je eine Wölbung (11, 12) zur Innenwandung (7) des Anschlussstutzens
(6) anschließt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Wölbung (11, 12) ausgehend von dem Maximum (9) der Strömungsleiteinrichtung
(8) konkav zur Innenwandung (7) des Anschlussstutzens (6) verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Ausrichtung der Kontur der Strömungsleiteinrichtung (8) in Abhängigkeit
von einer Breite des Blockes (3) des Wärmeübertragers bestimmt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussstutzen (6) einen kreisförmigen oder annähernd runden Querschnitt aufweist
und in dem Kühlmittelanschluss (5) eingesetzt ist.