Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaskühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Verbrennungsmotoren insbesondere von Kraftfahrzeugen wird zunehmend Abgasrückführung zur Reduktion der Schadstoffemission eingesetzt, wobei das rückgeführte Abgas, unter dem im Sinne der Erfindung auch ein Abgas-Luft-Gemisch verstanden wird, notwendig gekühlt werden muss. Grundsätzlich stellen Abgaskühler hohe Anforderungen bezüglich der Temperaturfestigkeit der verwendeten Materialien. Andererseits ist es grundsätzlich gewünscht, Teile wie etwa ein kühlmittelführendes Gehäuse aus einem Material auszubilden, das preiswert, leichtbauend und kostengünstig in aufwendige Form bringbar ist.

DE 10 2004 045 016 A1 beschreibt einen Abgaskühler für ein Kraftfahrzeug, bei dem ein Block aus Tauscherrohren jeweils endseitig in Bodenstücken aufgenommen ist, welche wiederum einerseits mit einem Eintrittsdiffusor und andererseits mit einem Austrittsdiffusor verbunden sind. Diese Anordnung ist in einem Kunststoffgehäuse angebracht, wobei das Kunststoffgehäuse an dem Eintrittsdiffusor radial anliegt und an dem austrittsseitigen Bodenstück axial anstößt, wobei das austrittsseitige Bodenstück mittels einer Umbördelung an dem Kunststoffgehäuse festgelegt ist. Eine solche Anordnung ist problematisch hinsichtlich des Montageaufwandes und des Wärmeeintrags des heißen Abgases in das Kunststoffgehäuse insbesondere im Einlassbereich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Abgaskühler anzugeben, bei dem ein insbesondere nicht hochtemperaturfestes Gehäuse auf einfache Weise montierbar ist und ein Wärmeeintrag in das Gehäuse insbesondere einlassseitig verringert ist.

Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Abgaskühler erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Vorsehen zweier Dichtungsebenen, wobei eine erste Dichtung das Abgas gegen die Umgebung abdichtet und die zweite Dichtung das Gehäuse gegen das eintrittsseitige Bodenstück abdichtet, ist eine verbesserte Isolierung und Verteilung der Wärme der eintrittsseitig sehr heißen Abgase gegenüber dem Gehäusematerial erreicht. Zudem ist eine solche Anordnung einfach und sicher montierbar, wobei insbesondere nach der Verbindung des Gehäuses mit den restlichen Teilen des Abgaskühlers keine Hitze eintragende Maßnahmen wie etwa Schweißen oder Löten mehr erforderlich sind. Hierzu ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, dass das erste Bodenstück, das zweite Bodenstück und die Tauscherrohre eine vormontierte, insbesondere verschweißte Einheit ausbilden, die in der axialen Richtung in das Gehäuse einschiebbar ist.

Besonders bevorzugt umfasst diese vormontierte Einheit zudem den Austrittsdiffusor, so dass nach der Gehäusemontage keinerlei Schweißarbeiten in unmittelbarer Umgebung des Gehäuses mit der Gefahr eines Wärmeeintrags mehr erforderlich sind. Hierdurch wird die Ausschussrate bei der Produktion des Abgaskühlers deutlich verringert.

In zweckmäßiger Ausgestaltung ist der Eintrittsdiffusor über zumindest ein Befestigungsmittel, insbesondere eine Schraube, in im wesentlichen axialer Richtung gegen das Gehäuse gehalten, wobei die erste und die zweite Dichtung durch die Halterung kraftbeaufschlagt sind. Besonders bevorzugt ist das Befestigungsmittel teilweise in einer Hülse geführt, die einen Kragen des Gehäuses durchgreift. Insgesamt ist hierdurch eine einfache Montage ermöglicht, wobei durch die Hülse mit einfachen Mitteln eine unterschiedliche Kraftbeaufschlagung der beiden Dichtungen realisierbar ist, wobei insbesondere die Kraftbeaufschlagung des aus weichem Material wie etwa Kunststoff oder Aluminium bestehenden Gehäuses durch einen Anschlag an der Hülse limitiert ist.

Vorteilhaft ist die erste Dichtung eine hochtemperaturfeste Dichtung, insbesondere aus Metall. Weiterhin vorteilhaft weist die zweite Dichtung eine Temperaturfestigkeit bis zumindest etwa 200 °C auf, wobei die zweite Dichtung insbesondere aus Silikon besteht. Alternativ kann auch die zweite Dichtung eine Metalldichtung sein oder aus einem anderen geeigneten Material bestehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Gehäuse und zumindest einem von beiden, dem austrittsseitigen Bodenstück oder dem Austrittsdiffusor, eine dritte Dichtung vorgesehen. Besonders bevorzugt ist dabei die dritte Dichtung im wesentlichen senkrecht zu der axialen Richtung kraftbeaufschlagt. Hierdurch kann generell eine einfache Montage durch Einschieben einer vorgefertigten Einheit in das Gehäuse erfolgen, wobei zudem eine große thermische Längenänderung der verschiedenen Komponenten des Abgaskühlers ausgeglichen werden kann. Vorteilhaft ist die dritte Dichtung hierzu in axialer Richtung gleitfähig aufgenommen, so dass eine thermische Ausdehnung des Abgaskühlers in dieser Richtung ausgleichbar ist.

Bei einer zweckmäßigen Konstruktion weist das austrittsseitige Bodenstück eine sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckende Abkragung auf. Eine solche Abkragung kann auf einfache Weise das Gehäuse stützen, wobei das Bodenstück und seine Abkragung in unmittelbarem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, so dass in diesem Bereich der Anlage des Gehäuses mit dem austrittsseitigen Bodenstück keine Gefahr eines schädlichen Wärmeeintrags in das Gehäusematerial besteht.

Bei einer allgemein bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse mit einem austrittsseitigen Endbereich über ein Befestigungsmittel, insbesondere eine Schraube, zumindest einem von beiden, austrittsseitiges Bodenstück oder Austrittsdiffusor, festgelegt. Dies verbessert insgesamt die mechanische Festlegung des Gehäuses und verhindert auch bei hoher Lebensdauer des Abgaskühlers einen Kühlmittelaustritt. Das Befestigungsmittel kann auch eine Niet, eine Klemme, eine Umbördelung, ein umlaufender Reifen oder ähnliches sein.

In einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers hat das Gehäuse an einem austrittsseitigen Endbereich eine formschlüssige Struktur, insbesondere eine Verjüngung, wobei der Austrittsdiffusor formschlüssig gegen die Struktur abgestützt ist. Besonders bevorzugt ist dabei zwischen der formschlüssigen Struktur und dem Austrittsdiffusor eine dritte Dichtung angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Montage des Abgaskühlers.

In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist an dem Austrittsdiffusor ein Haltemittel angeordnet, wobei das Haltemittel mit einem austrittsseitigen Endbereich des Gehäuses verbunden ist. In einer vorteilhaften Realisierung umfasst das Haltemittel dabei zumindest ein federelastisches Blech, wobei das Blech in einem elastisch vorgespannten Zustand an dem Endbereich des Gehäuses festgelegt ist. Hierdurch ist eine Halterung des austrittsseitigen Gehäusebereichs ermöglicht, die zugleich eine Kompensation der thermischen Ausdehnung der verschiedenen Komponenten erlaubt. Weiterhin alternativ oder ergänzend ist das Haltemittel über den Austrittsdiffusor schiebbar und von dem Austrittsdiffusor formschlüssig gehalten. Ein solches Haltemittel ist in der Montage einfach und hinsichtlich des Ausgleichs von ausdehnungsbedingtem Spiel zweckmäßig.

Allgemein bevorzugt besteht das Gehäuse zumindest teilweise aus einem Kunststoff aus der Gruppe Polyamid (PA), Polyphtalamid (PPA) und Polyphenylensulfid (PPS). Diese Kunststoffe sind mechanisch stabil und bis zu Temperaturen von wenigstens etwa 160 °C temperaturbeständig.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Kühler in ein Aluminium-Guss-Modul oder -Gehäuse eingeschoben sein, welches beispielsweise an einem Motor befestigt, wie vorzugsweise verschraubt wird. Durch dieses Gehäuse oder Modul wird eine einfache Übergabe des Kühlmittels realisierbar und das Gehäuse oder Modul kann vorzugsweise Verschaubungspunkte als Befestigungspunkte zur Verbindung mit dem Motor aufweisen.

Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden sechs bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Abgaskühlers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines fünften Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Abgaskühlers.

Der Abgaskühler gemäß 1 umfasst einen hinsichtlich des Abgasstroms eintrittsseitigen Eintrittsdiffusor 1, der vorliegend ein an sich bekanntes Stellglied 2 zur selektiven Verteilung des Abgasstroms auf Tauscherrohre und/oder einen Bypasskanal. Das Stellglied 2 ist optional und findet vorwiegend bei Verbrennungsmotoren in Personenkraftwagen Anwendung.

Ein Bündel aus parallelen Tauscherrohren 3 ist an jedem der Enden der Tauscherrohre mit einem eintrittsseitigen Bodenstück 4 und entsprechend einem austrittsseitigen Bodenstück 5 verschweißt. Die Tauscherrohre 3 und die Bodenstücke 4, 5 bestehen jeweils aus einem nicht korrosionsanfälligen Stahl oder einem anderen zur Führung eines heißen Abgasstroms geeigneten Material. An dem austrittsseitigen Bodenstück 5 ist ein sich konisch verjüngender Austrittsdiffusor 6 angeschweißt.

Ein Gehäuse 7 des Abgaskühlers besteht aus einem Kunststoff und umgibt das Bündel von Tauscherrohren 3, wobei das Gehäuse 7 einerseits gegenüber dem eintrittsseitigen Bodenstück 4 und andererseits gegenüber dem austrittsseitigen Bodenstück 5 abgedichtet ist, so dass Gehäuse 7, Bodenstücke 4, 5 und die Tauscherohre insgesamt ein Volumen zur Führung eines Kühlmittels eingrenzen. Das Gehäuse 7 hat einen Eintritt 7a und einen Austritt 7b für das Kühlmittel, so dass das Gehäuse 7 von dem Kühlmittel, insbesondere dem Kühlmittel eines Hauptkühlkreislaufs eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs, durchströmbar ist. Dabei stehen sowohl die Wände der Tauscherrohre 3 sowie die bezüglich des eingeschlossenen Volumens inneren Oberflächen der Bodenstücke 4, 5 mit dem Kühlmittel in unmittelbarem Kontakt.

Bei dem Abgaskühler handelt es sich der Bauart nach um einen I-Flow-Kühler, bei dem die Tauscherrohre 3 im wesentlichen gerade verlaufen und parallel zueinander angeordnet sind. Durch die Tauscherrohre 3 bzw. die Strömungsrichtung des Abgases durch die Rohre wird eine axiale Richtung des Abgaskühlers definiert.

Eintrittsseitig sind der Eintrittsdiffusor 1, das eintrittsseitige Bodenstück 4 und das Gehäuse 7 in axialer Richtung kraftbeaufschlagt mittels einer ersten Dichtung 8 und einer zweiten Dichtung 9 dichtend aneinander festgelegt. Dabei weist das eintrittsseitige Bodenstück 4 eine radiale Abkragung 4a auf, auf der abgasseitig die erste Dichtung 8 und kühlmittelseitig die zweite Dichtung 9 aufgelegt ist. Hierzu können die Abkragung 4a sowie die Dichtungen 8, 9 Rillen, Sicken, Schneiden oder andere an sich bekannte Mittel zur Positionierung und Abdichtung aufweisen. Auf die erste Dichtung 8 ist der Eintrittsdiffusor 1 mit einer an ihm vorgesehenen Abkragung 1a aufgesetzt. Auf die zweite Dichtung 9 ist das Gehäuse 7 mittels einer an ihm ausgeformten Abkragung 7c aufgesetzt. Die Abkragungen 1a, 4a, 7c weisen sich überdeckende Durchbrechungen bzw. Bohrungen auf, die von als Schrauben mit Muttern ausgebildeten Befestigungsmitteln 10 durchgriffen werden. Über den Umfang verteilt sind mehrere Schrauben 10 zur sicheren Festlegung vorgesehen. Bei dem Befestigungsmittel kann es sich auch um eine Niet, eine Klammer oder ein anderes geeignetes Mittel handeln.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in die Durchbrechungen zudem eine nicht dargestellte Hülse eingesetzt, die die Durchbrechung des Kragens des Gehäuses 7c durchgreift und auf dem Kragen des Bodenstücks 4a aufliegt. Bei der ersten Dichtung 8 handelt es sich um eine Metalldichtung, z. B. aus Kupfer oder einem anderen hinsichtlich der eintrittsseitigen Temperatur des Abgases temperaturfesten Metall. Bei der zweiten Dichtung 9 handelt es sich um eine Silikondichtung, die bis zu einer Temperatur von etwa 200 °C temperaturfest ist. Bedingt durch die nicht dargestellte Hülse führt ein Anziehen der Schraube 10 mittels einer Mutter und ggf. vorgesehener Unterlegscheiben zu einer summarischen Kompression von Gehäusekragen 7c und zweiter Dichtung 9 um einen durch das Hülsenmaß definierten Hub, so dass die weichen Materialien von Gehäuse und zweiter Dichtung 9 nicht überbelastet werden. Die Metalldichtung 8 ist dagegen mit einer höheren Kraft anpressbar, die durch das Anzugsmoment der Schraube gegeben ist. Insgesamt erfolgt die Abdichtung von Eintrittsdiffusor 1, Bodenstück 4 und eintrittsseitigem Ende des Gehäuses 7 somit in axialer Richtung.

Eine austrittsseitige Absichtung des Gehäuses 7 gegenüber dem zweiten Bodenstück 5 erfolgt über eine dritte Dichtung 11, die als O-Ring auf einer sich in axialer Richtung erstreckenden Abkragung 5a des austrittsseitigen Bodenstücks 5 aufliegt. Die dritte Dichtung 11 ist gehäuseseitig in einer Ringnut 7d des Gehäuses eingelegt.

Eine in Austrittsrichtung hinter der Dichtung 11 angeordnete umlaufende Nase 7e des Gehäuses rastet in eine entsprechende Nut oder Rille 5b des Bodenstücks 5 ein, so dass eine eventuelle Schwingung der Teile des Abgaskühlers zueinander zu verringern.

Das Gehäuse 7 weist über seine gesamte Länge einen freien Durchtrittsquerschnitt auf, wobei das Bodenstück 5 mit seiner Abkragung 5a und der Austrittsdiffusor 6 mit diesem freien Querschnitt nicht kollidieren. Bei der Montage wird zunächst insbesondere durch Schweißung oder Lötung eine vorgefertigte Einheit aus Austrittsdiffusor 6, Bodenstück 5 mit Abkragung 5a, Tauscherrohren 3 und eintrittsseitigem Bodenstück 4 mit Abkragung 4a hergestellt, welche nachfolgend in das Kunststoffgehäuse 7 eingeschoben werden, wobei zuvor die zweite Dichtung 9 platziert wird. Das Einschieben erfolgt mit dem Austrittsdiffusor voran in die eintrittsseitige Öffnung des Gehäuses 7, also gemäß 1 durch eine Bewegung der vorgefertigten Einheit von links nach rechts. Nach diesem Einschieben wird die erste Dichtung 8 auf dem ersten Bodenstück 4 platziert, der Eintrittsdiffusor 1 aufgesetzt und die Schrauben 10 mit den Hülsen eingesetzt und angezogen. Somit ist zur Montage des Gehäuses 7 kein Fertigungsschritt erforderlich, der einen Wärmeeintrag in das Gehäuse 7 bewirken kann, insbesondere keine Verlötung oder Verschweißung.

Die radiale Abdichtung des Kragens 5a des Bodenstücks 5 gegenüber dem Gehäuse 7 mittels der dritten Dichtung 11 ermöglicht zudem eine Kompensation einer thermischen Ausdehnung der Tauscherrohre 3 gegenüber dem Gehäuse 7. Hierbei kann die Dichtung 11, die in der Nut 7d in axialer Richtung gegenüber dem Gehäuse 7 fixiert ist, auf dem Kragen 5a des Bodenstücks 5 gleiten. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Dichtung 11 gegenüber dem Kragen 5a fixiert ist und gegenüber dem Gehäuse 7 gleitet oder gegenüber beiden Elementen gleitet.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 liegt im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Festlegung des austrittsseitigen Endbereichs des Gehäuses 7 an dem Kragen 5a des Bodenstücks 5 vor, damit auch bei Materialermüdung oder hohem Kühlmitteldruck keine Undichtigkeit des Kühlmittels in diesem Bereich auftritt. In der vorliegenden schematischen Darstellung sind Schrauben 12 in radialer Richtung in den Kragen 5a eingeschraubt, wobei sie das Gehäuse 7 durchgreifen. Die Schrauben 12 sind austrittsseitig der dritten Dichtung 11 angeordnet. Falls die Materialstärke des Kragen 5a nur Durchgangsgewinde zulässt, können die Schrauben über weitere Dichtmittel abgedichtet werden, wie etwa eine Gewindedichtung.

Bei der Ausführung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel (siehe 3) ist der austrittsseitige Endbereich des Gehäuses 7 ähnlich wie im zweiten Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 12 gesichert, wobei die Schrauben 12 in Muttern 13 eingeschraubt sind, die auf einem konischen Wandungsabschnitt 6a des Austrittsdiffusors 6 festgelegt sind, insbesondere mittels Schweißung. Je nach Materialstärke des Austrittsdiffusors 6 kann es sich auch um Sackgewinde in der Wandung 6a handeln. Eine Ausführung wie in 3 ist zum Beispiel dann vorteilhaft, wenn die Materialstärken beispielsweise des Bodenstücks 5 nicht ausreichend sind, um Schraubgewinde vorzusehen.

Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 4 hat das Gehäuse 7 im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel eine formschlüssige Struktur an seinem austrittsseitigen Endbereich, welche vorliegend als Verjüngung 14 des Gehäuses 7 ausgeformt ist. Die Verjüngung 14 korrespondiert mit einem konischen Abschnitt 6a der Wandung des Austrittsdiffusors 6. Zwischen der Verjüngung 14 und der Wandung 6a ist eine Dichtung 11a in eine Gehäusenut eingelegt. Die Dichtung 11a kann alternativ oder ergänzend zu der dritten Dichtung 11 des ersten Ausführungsbeispiels vorgesehen werden. Grundsätzlich hat das Abgas austrittsseitig eine erheblich niedrigere Temperatur als eintrittsseitig. Typische Temperaturwerte für das eintrittsseitige Abgas sind 600 °C bis 700 °C, wogegen das austrittsseitige Abgas Temperaturen von typisch 150 °C bis 160 °C aufweist. Die Erwärmung des Austrittsdiffusors 6 ist daher begrenzt, so dass das Gehäuse 7 und eine elastische, ggf. aus Silikon bestehende Dichtung 11a an der Wandung 6a anliegen können, ohne zerstört zu werden. Besonders unkritisch ist das Prinzip des vierten Ausführungsbeispiels in dem Fall, in dem das Gehäuse 7 aus Aluminium besteht.

Alternativ kann die Dichtung 11a auch auf dem dem Anschlussflansch benachbarten zylindrischen Segment des Austrittsdiffusors angeordnet sein, so dass dann das Gehäuse dann weiter nach hinten bis näher an den Anschlussflansch heran reicht und einen Bereich des zylindrischen Segments umgibt. Dadurch können thermische Dehnungen des Kühlerblocks weiter kompensierbar sein.

Bei dem fünften Ausführungsbeispiel (siehe 5) erfolgt die austrittsseitige Abdichtung des Gehäuses 7 ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel mittels einer Ringdichtung 11, die auf einem Kragen 5a des Bodenstücks 5 aufliegt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse 7 auch austrittsseitig eine radiale Abkragung 15, an der mittels Schrauben 16 federelastische Bleche 17 festgelegt sind, die am Umfang einer Wandung 6a des Austrittsdiffusors 6 befestigt sind. Die elastischen Bleche 17 können grundsätzlich nach einem Einschieben der Baueinheit in das Gehäuse 7 an der Wandung 6a angeschweißt werden, da diese weit von dem Gehäuse 7 entfernt ist. Bevorzugt sind die Bleche 17 jedoch wie durch die gepunkteten Linien dargestellt vor dem Einschieben der Einheit in das Gehäuse 7 an der Wandung 6a festgelegt und so umgebogen, dass sie zunächst den freien Querschnitt des Gehäuses 7 nicht überdecken. Erst nach dem Einschieben der baulichen Einheit in das Gehäuse 7 werden sie gemäß der Pfeile in 5 federelastisch verbogen und mittels der Schrauben 16 an dem Kragen 15 befestigt. Hierdurch ist das Gehäuse 7 im austrittsseitigen Endbereich sicher gegenüber dem Austrittsdiffusor 6 und dem Bodenstück 5 gehalten, wobei aufgrund der Federelastizität der Bleche 17 weiterhin eine gute Ausgleichsfähigkeit thermischer Ausdehnungen besteht.

Das sechste Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist in seiner Konstruktion dem fünften Ausführungsbeispiel ähnlich, wobei anstelle der federelastischen Bleche nunmehr ein Haltemittel 18 über den Austrittsdiffusor 6 geschoben und mit der Abkragung 15 des Gehäuses 7 verschraubt wird. Das Haltemittel 18 ist als rotationssymmetrischer Trichter ausgebildet, der mit seiner kleineren Öffnung umlaufend auf einer konischen Wandung 6a des Austrittsdiffusors 6 aufliegt. Auch hierdurch ist eine elastich nachgiebige Halterung des austrittsseitigen Endbereichs des Gehäuses 7 gegenüber dem Bodenstück 5 und dem Austrittsdiffusor 6 ermöglicht.

Es versteht sich, dass die besonderen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.