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Die Erfindung betrifft einen Abgasrückführungskühler und genauer gesagt die Verwendung von integrierten dualen Kühlmittelkreisläufen zum Kühlen des umlaufenden Abgases.

Die mit dem Betrieb von Verbrennungsmotoren, üblicherweise – aber nicht immer – Dieselmotoren, verbundenen Emissionsbedenken haben zu einer verstärkten Betonung der Verwendung von Abgaswärmetauschersystemen mit derartigen Motoren geführt, insbesondere, aber nicht immer, bei Fahrzeuganwendungen. Diese Systeme werden als ein Teil eines Abgasrückführungssystems (exhaust gas recirculation, EGR) verwendet, bei dem ein Teil eines Abgases eines Motors zu dessen Verbrennungskammer über dessen Einlasssystem zurückgeführt wird. Das Ergebnis ist, dass etwas von dem Sauerstoff, der normalerweise in den Motor als Teil von dessen frischer Verbrennungsluftzuführung eingeführt würde durch inerte Gase ersetzt wird, wodurch die Formationsrate von NO_x verringert wird. Abgasrückführungssysteme sind häufig so konstruiert, um das gekühlte Abgas zurück zu führen, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert wird und eine Reduktion von NOx bereitgestellt wird.

In vielen Anwendungen, die Abgasabführungssysteme verwenden, werden Abgasrückführungskühler verwendet. Im üblichen Fall wird Kühlmittel des Motors in eine Wärme tauschende Beziehung mit dem Abgas gebracht, um dessen Temperatur vor der Rückführung zu verringern. Konventionelle Abgasrückführungskühler verwenden einen einzigen Kühlmittelkreislauf um das Abgas zu kühlen. Der Großteil der Wärme wird von dem Kühlmittel während der ersten, wenigen Zoll des Kühlers absorbiert. Dies erhöht die Kühlmitteltemperatur und macht den Wärmeaustausch über die Länge des Kühlers weniger effizient, da die Differenztemperatur zwischen dem Kühlmittel und den Abgasen kleiner wird.

Die vorliegende Erfindung ist auf Verbesserungen im Betrieb von Abgasrückführungskühlern gerichtet, um die Auslasttemperaturen von Abgas weiter zu reduzieren.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein integrierter Abgasrückführungskühler mit dualen Kühlmittelkreisläufen bereitgestellt zum Kühlen von umlaufendem Abgas.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung umfasst ein integrierter Abgasrückführungskühler mit dualen Kühlmittelkreisläufen einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass für umlaufendes Abgas. Ein Strömungspfad für Abgas erstreckt sich zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass, um umlaufendes Abgas von dem Abgaseinlass zu dem Abgasauslass zu leiten. Ein erster Strömungspfad für Kühlmittel erstreckt sich zwischen einem ersten Kühlmitteleinlass und einem ersten Kühlmittelauslass, um eine erste Kühlmitteströmung von dem Abgasrückführungskühler in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten. Ein zweiter Strömungspfad für Kühlmittel erstreckt sich zwischen einem zweiten Kühlmitteleinlass und einem zweiten Kühlmittelauslass, um eine zweite Kühlmittelströmung durch den Abgasrückführungskühler in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, dass der zweite Strömungspfad für Kühlmittel um stromabwärts von dem ersten Strömungspfad für Kühlmittel in Relation zu dem Strömungspfad für Abgas angeordnet ist.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass sowohl der erste Strömungspfad für Kühlmittel als auch der zweite Strömungspfad für Kühlmittel parallel zu dem Strömungspfad für Abgas verlaufen.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass sowohl der erste Strömungspfad für Kühlmittel als auch der zweite Strömungspfad für Kühlmittel entgegen zu dem Strömungspfad für Abgas verlaufen.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der Erfindung das einer von dem ersten Strömungspfad für Kühlmittel oder dem zweiten Strömungspfad für Kühlmittel parallel mit dem Strömungspfad für Abgas verläuft und der andere von dem ersten Strömungspfad für Kühlmittel oder dem zweiten Strömungspfad für Kühlmittel entgegen dem Strömungspfad für Abgas verläuft.

Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass der erste Kühlmittelpfad eine andere Länge hat als der zweite Kühlmittelpfad.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der Erfindung, dass der Abgasrückführungskühler eine Konstruktion vom Plattentyp (z.B. Plattenwärmetauscher) hat.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Abgasrückführungssystem mit dualen Kühlmittelkreisläufen offenbart, zur Verwendung mit einem Motor der einen Auslass für die Abgasrückführung des Motors aufweist und einen Einlass für die Abgasrückführung des Motors. Das Abgasrückführungssystem umfasst einen Abgaseinlass, der mit dem Auslass für die Abgasrückführung des Motors verbunden ist, um umlaufendes Abgas zu empfangen. Ein Abgasauslass ist mit dem Einlass für die Abgasrückführung des Motors verbunden, um gekühltes, umlaufendes Abgas zurück zu führen. Ein Strömungspfad für Abgas erstreckt sich zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass um umlaufendes Abgas vom Abgaseinlass zu dem Abgasauslass zu leiten. Ein erster Strömungspfad für Kühlmittel erstreckt sich zwischen einem ersten Kühlmitteleinlass und einem ersten Kühlmittelauslass, um eine erste Kühlmittelströmung durch den Abgasrückführungskühler in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten. Ein zweiter Kühlmittelströmungspfad erstreckt sich zwischen dem zweiten Kühlmitteleinlass und dem zweiten Kühlmittelauslass, um eine zweite Kühlmittelströmung durch den Abgasrückführungskühler in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen der Abgasrückführung in einem Motorsystem offenbart, welches System einen Auslass für die Abgasrückführung des Motors hat und einen Einlass für die Abgasrückführung des Motors. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Abgaseinlasses, der mit dem Auslass für die Abgasrückführung des Motors verbunden ist, um umlaufendes Abgas zu empfangen; Bereitstellen eines Abgasauslasses, der mit dem Einlass für die Abgasrückführung des Motors verbunden ist, um gekühltes, umlaufendes Abgas zurückzuführen; und Bereitstellen eines integrierten Wärmetauschers, der einen Strömungspfad für Abgas umfasst, der sich zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass erstreckt, um umlaufendes Abgas von dem Abgaseinlass zu dem Abgasauslass zu leiten, einen ersten Strömungspfad für Kühlmittel, der sich zwischen einem ersten Kühlmitteleinlass und einem ersten Kühlmittelauslass erstreckt, um eine erste Kühlmittelströmung in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten, und Bereitstellen eines zweites Strömungspfades für Kühlmittel, der sich zwischen einem zweiten Kühlmitteleinlass und einem zweiten Kühlmittelauslass erstreckt um eine zweite Kühlmittelströmung in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sofort aus der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.

1 ist eine schematische Darstellung eines aufgeladenen Verbrennungsmotors, der eine Abgasrückführung verwendet und ein Abgasrückführungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;

2 ist ein Blockdiagramm des Abgasrückführungssystems von 1;

3 ist eine perspektivische Ansicht eines Abgasrückführungskühlers des Abgasrückführungssystems von 2; und

4 ist eine Draufsicht auf eine Platte des Abgasrückführungskühlers von 3, in der ein Strömungspfad für Abgas und erste und zweite Strömungspfade für Kühlmittel dargestellt sind.

Zuerst Bezug nehmend auf 1 wird eine beispielhafte Ausführungsform eines Abgaswärmetauschersystems beschrieben, das in Übereinstimmung mit der Erfindung gemacht ist. Die Erfindung wird in der Umgebung beschrieben, in der ein typischer Dieselmotor für ein Lkw-ähnliches Fahrzeug arbeitet, aber es sollte klar sein, dass die Erfindung in anderen Verbrennungsmotoren als Dieselmotoren anwendbar ist und sowohl in stationären Motoranwendungen verwendet werden kann, als auch in Anwendungen für andere als Lkw-Motoren, wie z. B. in Pkws und Baufahrzeugen, Baggern, der Stromerzeugung, Seefahrzeuganwendungen u. ä.

Ein Sechszylinder Diesel Motor wird allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und umfasst einen Einlassverteiler 12 der Ausgangsverbindungen 14 zu jedem der Zylinder des Motors 10 hat. Der Einlassverteiler 12 umfasst einen Einlass 16 zum Empfangen von umlaufendem Abgas von einer Abgasrückführungsleitung 18 sowie von Verbrennungsluft aus einer Leitung 20. Während ein einzelner Einlass dargestellt ist, könnten zwei separate Einlässe verwendet werden. Die Verbrennungsluft von der Leitung 20 wird von einem Ladeluftkühler 22 empfangen, der wiederum Verbrennungsluft von der Kompressorseite 24 eines Turboladers empfangt, der allgemein mit 26 bezeichnet ist.

Der Motor 10 umfasst auch einen Abgasverteiler 28 der eine Mehrzahl von Einlassverbindungen 30 hat, eine zu jedem der Zylinder des Dieselmotors 10. Ein Abgasrückführungssystem 32 in Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst einen Abgasrückführungskühler 34 und ein Bypassventil 36. Das Bypassventil 36 kann an dem Abgasrückführungskühler 34 montiert sein, wobei beide zusammen an dem Verteiler 28 auf konventionelle Weise montiert sind.

Der Abgasverteiler 28 umfasst eine Verbindung an einer Leitung 38 zu der Turbinenseite 40 des Turboladers 26 um eine Antriebskraft bereitzustellen, wodurch komprimierte Luft in die Kompressorseite 24 gedrückt wird und dem Ladeluftkühler 22 zu der letztendlichen Bereitstellung an den Einlassverteiler 12 zugeführt wird. Nahe dem entgegen gesetzten Ende des Abgasverteilers 28 ist ein Auslass für die Abgasrückführung zu einer Verbindungsleitung 42 vorgesehen, der sich zu dem Abgasrückführungskühler 34 erstreckt und einem Strömungspfad für Abgas desselben. Das entgegengesetzte Ende des Strömungspfades für Abgas tritt an dem Bypassventil 36 aus. Eine Verbindungsleitung 44 verbindet einen weiteren Einlass des Bypassventils 36 mit der Verbindungsleitung 38. Das Bypassventil 36 umfasst einen Auslass, der mit der Umlaufleitung 18 verbunden ist. Wie es konventionelle Technik ist, ist das Bypassventil 36 so konfiguriert, um gekühltes Abgas von dem Abgasrückführungskühler 34 zu der Umlaufleitung 18 zu leiten oder um ungekühltes Abgas von dem Abgasverteiler 28 zu der Umlaufleitung 18 zu führen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst der Abgasrückführungskühler 34 einen integrierten Kühler mit zwei separaten und verschiedenen Kühlmittelkreisläufen. Dies erlaubt es dem ersten Kühlmittelkreislauf den größten Teil der Wärme über den ersten Abschnitt des Abgasrückführungskühlers 34 zu absorbieren. Der zweite Kühlmittelkreislauf oder Sekundärkreislauf kann auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden als die des ersten Kühlmittelkreislaufes, um eine größere Differenztemperatur zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel zu erzeugen. Dies bietet eine größere Wärmeabführung als die eines Abgasrückführungskühlers mit einem einzelnen Kühlmittelkreislauf. Die Verwendung von zwei verschiedenen Kühlmittelkreisläufen in einem einzigen Abgasrückführungskühler bietet eine größere Wärmeabgabe und erlaubt es einem Systemkonstrukteur die Wärmeabgabe maßgenau einzustellen.

Bezug nehmend auf 2 umfasst das Abgasrückführungssystem 32 den Abgasrückführungskühler 34, der einen Abgaseinlass 50 hat zur Verbindung mit der Auslassleitung 42 für die Abgasrückführung des Motors zum Empfangen von umlaufendem Gas. Ein Abgasauslass 52 ist mit der Einlassleitung 18 für die Abgasrückführung des Motors verbunden, um gekühltes umlaufendes Abgas zurück zu führen. Das Bypassventil 36 ist in 2 als den Abgasrückführungskühler 34 umgehend dargestellt und nicht mit dem Auslass 52 verbunden, wie es relativ zu 1 beschrieben wurde. Wie ein Bypassventil in dem Abgasrückführungssystem 32 konfiguriert wird ist nicht Teil dieser Erfindung und nur rein beispielhaft dargestellt. Ein Strömungspfad für Abgas erstreckt sich zwischen dem Abgaseinlass 50 und dem Abgasauslass 52, um umlaufendes Abgas von dem Abgaseinlass 50 zu dem Abgassauslass 52 zu leiten.

Der Abgasrückführungskühler 34 umfasst einen ersten Kühlmitteleinlass 54 und einen ersten Kühlmittelauslass 56. Der erste Kühlmitteleinlass 54 und der erste Kühlmittelauslass 56 sind funktional mit einem ersten Kühlmittelsystem 58 verbunden, um einen ersten Kühlmittelkreislauf A zu bilden. Der Abgasrückführungskühler 34 umfasst auch einen zweiten Kühlmitteleinlass 60 und einen zweiten Kühlmittelauslass 62, die beide mit einem zweiten Kühlmittelsystem 64 verbunden sind, um einen zweiten Kühlmittelkreislauf B zu bilden. Wie genauer unten beschrieben wird, umfasst der Abgasrückführungskühler 34 einen ersten Strömungspfad für Kühlmittel, der sich zwischen dem ersten Kühlmitteleinlass 54 und dem ersten Kühlmittelauslass 56 erstreckt, um eine erste Kühlmittelströmung von dem ersten Kühlmittelsystem 58 durch den Abgasrückführungskühler 34 in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten. Ein zweiter Kühlmittelströmungspfad erstreckt sich zwischen dem zweiten Kühlmitteleinlass 60 und dem zweiten Kühlmittelauslass 62, um eine zweite Kühlmittelströmung von dem zweiten Kühlmittelsystem 64 durch den Abgasrückführungskühler 34 in Wärme tauschender Beziehung mit dem Strömungspfad für Abgas zu leiten. Der zweite Strömungspfad für Kühlmittel ist stromabwärts von dem ersten Strömungspfad für Kühlmittel angeordnet.

Jedes der Kühlmittelsysteme 58 und 64 ist von konventionellem Design und kann einen Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlmittels umfassen, eine Pumpe und/oder andere Vorrichtungen, um Wärme von dem Kühlmittel auf bekannte Weise zu entfernen. Jedes Kühlmittelsystem 58 und 64 kann ein anderes Kühlmittelmedium verwenden.

Bezug nehmend auf 3 ist ein Beispiel des Abgasrückführungskühlers 34 dargestellt. Der Abgasrückführungskühler 34 hat eine Konstruktion vom Plattentyp. Es ist klar, dass der Abgasführungskühler 34 andere Konstruktionstypen verwenden könnte, wie sie dem Fachmann bekannt sind, wie z. B. Röhrenkonstruktionen u. ä. Der Plattenwärmetauscher ist nur als ein Beispiel dargestellt.

Ein erster Satz von Anschlüssen 66 und 68 definiert den ersten Kühlmitteleinlass 54 bzw. den ersten Kühlmittelauslass 56. Ein zweiter Satz von Anschlüssen 70 und 72 definiert den zweiten Kühlmitteleinlass 60 bzw. den zweiten Kühlmittelauslass 62. Die Anschlüssen 66, 68, 70 und 72 sind an einer Endplatte 74 befestigt. Der Abgasrückführungskühler 34 ist ansonsten aus einer Folge von gestanzten inneren Platten 76 und einer gegenüber liegenden Endplatte 78 aufgebaut.

Bezug nehmend auf 4 ist eine der gestanzten inneren Platten 76 dargestellt. Die Platte 76 umfasst eine relativ flache Vertiefung 80, die von hoch stehenden umlaufenden Wänden 82 umgeben ist, die in nach außen gerichteten, umlaufenden Flanschen 84 enden. Eine Prägung 86 wird über die Breite der Platte 76 gestanzt, um einen ersten Abschnitt 88 zu erzeugen, der für den ersten Kühlmittelkreislauf A verwendet wird und einen Abschnitt 89, der für den zweiten Kühlmittelkreislauf B verwendet wird. An zwei Stellen in dem ersten Abschnitt 88 sind zylindrische Ansätze 92 vorgesehen. Jeder Ansatz 92 definiert eine zentrale Öffnung 94. Die Einlass- und Auslassanschlüsse 66 und 68 erstrecken sich in die Ansätze 92, um den Eintritt und den Austritt von Kühlmittel in den Abschnitt 88 zu ermöglichen. Gleichfalls umfasst der zweite Abschnitt 90 zylindrische Ansätze 96, die zentrale Öffnungen 98 definieren. Die Einlass- und Auslassbohrungen 70 und 72 erstrecken sich in die Ansätze 96, um den Eintritt und den Austritt von Kühlmittel in den zweiten Abschnitt 90 zu ermöglichen.

Der erste Abschnitt 88 umfasst eine erste Leiste 100, die sich quer erstreckt und eine zweite Leiste 102 die sich längs erstreckt. Die Leisten 100 und 102 definieren einen Strömungspfad für das erste Kühlmittel innerhalb des ersten Abschnittes 88. Auf übliche Weise bestimmt die quer verlaufende Leiste 100 eine Kreuzströmung, d. h. entgegen der Abgasströmung, die durch Linie 114 angedeutet wird und die längs verlaufende Leiste 102 definiert eine parallele (Gleichstrom-) Strömung, d. h. in Reihe mit und in der selben Richtung wie die Abgasströmung, oder Gegenströmung, d. h. in Reihe mit und in der entgegen gesetzten Richtung wie die Abgasströmung. Diese Kühlmitteströmung wird durch die mit Pfeilen versehenen Linien 104 angedeutet. Die Linien 104 sind als bidirektional dargestellt, da jede zentrale Öffnung 94 als Einlass oder Auslass verwendet kann.

Ebenso umfasst der zweite Abschnitt 90 eine erste quer verlaufende Leiste 106 und ein Paar von zweiten, sich längs erstreckenden Leisten 108. Die Leisten 106 und 108 definieren den zweiten Strömungspfad für Kühlmittel, der durch die mit Pfeilen versehenen Linien 110 dargestellt wird, die wiederum bidirektional dargestellt sind.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Konfiguration der einzelnen Kühlmittelströmungspfade 104 und 110 beschränkt. Wie es bekannt ist, werden die Strömungspfade durch die Anordnung der zentralen Öffnungen 94 und 96 in den jeweiligen Abschnitten 88 und 90 sowie durch die Konfiguration der verschiedenen Leisten bestimmt. Zum Beispiel könnten die Kühlmittelströmungspfade 104 und 110 definiert sein, um im Wesentlichen im Gegenstrom zu sein oder im Wesentlichen in Parallelstrom, in dem längs verlaufende Leisten und geeignet gewählte Stellen des Einlasses relativ zu dem Auslass verwendet werden. Darüber hinaus könnte auch eine Kreuzströmung verwendet werden. Ebenso können die Kühlmittelströmungspfade 104 und 110 dieselben oder unterschiedlich von einander sein. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat der erste Strömungspfad für Kühlmittel 104 eine kürzere Länge als der zweite Strömungspfad für Kühlmittel 110.

Wie es bei Plattenwärmetauschern üblich ist, würde die in 4 dargestellte Platte 76 als eine Platte eines Paares angesehen werden, um die ersten und zweiten Kühlmittelströmungspfade 104 und 110 bereit zu stellen. Es ist klar, dass die Platte 76 mit einer weiteren Platte gestapelt werden würde, welche spiegelbildlich zu derselben wäre, um die Strömungspfade zu definieren. Auf diese Weise werden die inneren Platten 76 in abwechselnder Weise zusammengebaut, um die in 3 gezeigte Konstruktion zu bilden und der Zusammenbau wird verlötet um die Kühlmittelströmungspfade 104 und 106 wie beschrieben bereit zu stellen. Zwischen anliegenden Paaren der Platten 76 existieren Abgasdurchgänge 112, von denen zwei in 3 identifiziert sind. In jedem der Strömungspfade für Abgas können innere Rippen angeordnet sein. Der Strömungspfad für Abgas liegt in der durch den Pfeil 114 der 3 und 4 angezeigten Richtung von dem Abgaseinlass 50 zu dem Abgasauslass 52.

In der dargestellten Ausführungsform ist jede der Platten 74, 76 und 78 von einstückiger Konstruktion, um einen integrierten Abgasrückführungskühler 34 mit dualen Kühlmittelkreisläufen zu bilden. Die zwei Kühlmittelkreisläufe A und B sind separat und vermischen sich nicht. Dies bietet die Möglichkeit für die ersten und zweiten Kühlmittelsysteme 58 und 64, siehe 2, zwei unterschiedliche Typen von Fluiden zu verwenden, um Wärme abzugeben. Ein Kühlmittel wie z. B. Ethylenglykol könnte verwendet werden, so wie andere Arten von Fluiden. Ein weniger effizientes Fluid, oder eines, welches angepasst ist, um ein Sieden besser zu verarbeiten, könnte für das erste Kühlmittelsystem 58 gewählt werden, um die Wärmeabsorption linearer zu machen und die lokalen Unterschiede und Belastungen entlang des Kühlers zu reduzieren. Jeder Kühlmittekreislauf könnte in Parallel-(Gleichstrom) oder Gegenströmung betrieben werden oder einer parallel und der andere im Gegenstrom. Beispielsweise kann der erste Kühlmittelkreislauf A in paralleler Weise ausgeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit eines Siedens zu reduzieren und der zweite Kühlmittelkreislauf B kann in einer Gegenstromweise ausgeführt werden, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Dies erlaubt es dem ersten Kühlmittelkreislauf A den Großteil der Wärme über den ersten Abschnitt 88 des Kühler 34 zu absorbieren. Der zweite Kühlmittelkreislauf B könnte auf eine niedrigere Temperatur als die des ersten Kühlmittelkreislaufes A gekühlt werden, um einen größeren Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel zu erzeugen. Dies bietet eine bessere Wärmeabgabe als die eines Abgasrückführungskühlers mit einem einzelnen Kühlmittelkreislauf.

Somit wurde ein integrierter Abgasrückführungskühler mit dualen Kühlmittelkreisläufen zum Kühlen eines umlaufenden Abgases beschrieben. Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung soll dazu dienen, die Basiskonzepte der Erfindung zu verdeutlichen und ist nicht dazu gedacht, den Rahmen der Erfindung zu begrenzen.