CN101057071B - 用于内燃机的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于内燃机的热交换器，包括一个供内燃机废气穿流的长形第一流道、一个与第一流道相邻用于废气穿流的第二流道，以及一个与第二流道分开的管路，用于例如冷却液等介质穿流，由此，热能在第二流道中的废气和在管路中的介质之间交换，同时，在第一流道中的废气和在管路中的介质之间的热能至少不是以较大的规模进行交换。该热交换器还包括一个带有可调阀元件的阀道，其中，通过阀元件的定位，调节废气在第一流道和第二流道之间的分配。本发明的目的是提供一种需要较小的空间并以较低成本制成的热交换器。为此，阀道包括阀道壳体，所述阀道壳体由一个第一壳体部分和至少一个第二壳体部分组成。

Description

用于内燃机的热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的热交换器。
背景技术
在现代的内燃机汽车中，越来越多地采用了热交换器，通过它使汽车废气中的热量散发到冷却液中。为了尽快加热冷却液或使废气冷却，它可以与例如废气再循环系统相连。但是，特别是在与现代汽车的其它部件或机组相连时，会在废气导引及结构空间上出现问题。
DE 10203003A1描述了一种废气热交换器，在这种热交换器中，第一废气流道和第二废气流道平行地布置在一个共同的外壳内，而一个布置在这些流道之前的阀道具有与流道相同的流动方向，也就是说与流道之间成直线布置。
DE 10025877A1描述了一种废气热交换器及其多种实施形式，在这些实施形式中，一个布置在流道之前的阀道在进口端具有与流道相同的流动方向，也就是说与流道之间成直线布置。
发明内容
本发明的目的是提供一种本说明书开头所提及的热交换器，它在废气导引方面特别具有优势。
这一目的由本说明书开头所提及的、具有下述特征的热交换器实现。
这样，即使在有限的空间内，例如在汽车的发动机舱内，热交换器也能够以较优的方式灵活布置。此外，具有优点的是，阀元件与流道不是处于相同的流动轴线上，这样，由内燃机的脉动废气流形成的、由转速决定的驻波对阀元件的机构的影响就较小。热交换器外壳在阀道区域的横向和纵向振动也同样减少，这同样有利于阀元件的功能和寿命。
在根据本发明的热交换器的一个优选实施形式中，沿废气流的流动方向，阀道布置在流道之前，进气道布置在阀道之前，其中，特别优选的是，进气道的流动轴线的方向与阀道的流动轴线及流道的流动轴线的方向不同。通过这种方式使废气导引可具有渐进的曲率，从而保证了在整个较小的结构中废气流不受阻挡。特别优选的是，阀道的流动轴线和进气道的流动轴线之间的角度大于30度，以使废气流实现足够大的折流。
同样，阀道的流动轴线和流道的流动轴线之间的角度优选地大于30度，特别优选地大于40度。而流道和阀道及阀道和进气道之间的角度可以随着废气导引加大，从而在整体上使废气流出现较大的变向，并将与之相关的缺点减少到微不足道的程度。特别是有效地避免了在湍流和流动阻力方面欠佳的废气导引，这样的废气导引迫使废气流在极小的空间内出现90度的变向。
为了避免前面所提及的缺陷，特别优选的是，阀道的流动轴线和流道的流动轴线之间的角度小于60度。这与之前所述的废气流的两级折流且总角度最大约为90度并不对立。
在本发明的一个优选实施形式中，流道的平均流动长度要比阀道的平均流动长度大至少2倍，特别优选的是大2.5倍。在这里，流动长度是指废气的平均路程长度，即大致为沿废气管道对称轴的路程。根据流道的尺寸受到所规定的热交换器效率限制的原理，通过这种方式可以使根据本发明的热交换器在结构上尤其节省了空间。
此外，阀元件优选地具有可调的阀瓣元件，这样便只需要数量很少的部件。考虑到阀元件的相应简单且有效的机构，阀瓣元件优选地固定在一个可驱动并可旋转的轴上。
特别优选的是，阀道具有与阀瓣元件相连的间壁，其中，阀道被间壁至少部分地分成两个半阀道。这同时可以实现简单的结构和无涡流的废气导引。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，第二流道通常基本上平行于第一流道，特别优选的是，第一流道和第二流道位于共同的壳体中。这样对热交换器的紧凑结构是有利的。
此外，发明的目的还通过下述特征实现。通过阀元件紧贴在形状上，可具有优点地使各流道在废气穿流时实现密封。此外，还可以通过这种简单的方式防止在阀元件与阀道接触的区域过早出现磨损。
阀道优选地具有圆形横断面，并且形状可以通过阀道壁的变形、特别是冲压来形成。这样，形状可以一种简单和低成本的方式形成。
此外，本发明的目的还通过下述特征实现。通过第二流道的双壁，可以使在流道中穿流的废气较好的隔绝而不发生热交换。
在这里，第二流道优选地包括一个装在壳体内的内管，其中，内管的外表面与壳体之间相隔一定距离。这样，热交换器在整体上就较小，同时具有优点的是，壳体与第一流道进一步组合成一个组件。
壳体与内管之间的间隔可优选地通过间隔元件实现。它们可以包括多个布置在内管外表面的突出物，这样，以简单的手段就可以实现第二流道的双壁，进而实现良好的隔热。
另外，还具有优点的是，内管直接与导板相连，其中，导板布置在阀道中。特别具有优点的是，阀元件布置在导板上并可活动，并且阀道直接与壳体相连。这样就得到了制造根据本发明的热交换器时的一个可靠和简单工艺流程。首先，导板、内管和壳体相互对准并相互连接。然后，阀道可以套在导板上，并与之对准，再与壳体相连。各连接可以通过焊接或硬钎焊实现，但不排除其它的固定方式。
根据本发明的热交换器的阀元件可以在一个唯一的轴支承位置上可旋转地支承在阀道上。可选的是，在阀道上的支承可以设定在两个相隔一定距离的轴支承位置上。
另外，本发明的目的还可以通过下述的特征实现。通过将阀道壳体分成至少两个部分，可以使阀道高成本的成形通过简单的方式实现，并优化了废气导引。
在这里，阀元件优选地布置在第一和第二壳体部分之间，其中特别优选的是，它可活动地支承在至少一个半壳体上。这样，可以在零件形状复杂的情况下简化热交换器的装配，并且在装配时，通过相应的控制，即使部件的尺寸出现误差也可以使阀元件的支承在功能上是可靠的。
各壳体部分优选地相互固定连接，尤其是通过焊接。这样就可以将高气密性与高耐温性结合起来。可选的是，可以采用其它的耐温连接如硬钎焊。并且，各壳体部分的连接也可以通过螺栓连接或铆接或销钉连接实现，在这里，可根据要求在必要时使用辅助的密封剂来保证气密性。
为了实现低成本的制造，至少一个壳体部分是变形加工件、特别是深拉伸件。这就可以具有优点地采用难以用于铸造工艺制造的材料，例如不锈钢。
要指出的是，阀道的分体结构并不与前面所述的本发明的特征矛盾，这样，每个前面所述的特征都可以与阀道的分体结构结合起来。特别是前面所述的用于阀元件紧贴的形状可以在阀道的各壳体部分上形成。特别是对于由变形加工件形成的壳体部分，阀道壁上的形状可优选地在变形加工的过程中一同形成。
本发明的其它特征和优点参见下面所述的实施例。
附图说明
下面通过根据本发明的热交换器的三个优选实施例和附图对发明进行详细说明。
图1是根据本发明的热交换器的第一个实施例的俯视图；
图2中是图1中所示但旋转了90°的热交换器；
图3中是图2中所示但旋转了90°的热交换器；
图4是图1中所示热交换器的端面俯视图；
图5是沿图2中所示方向的热交换器的阀道的截面示意图；
图6是图1中所示热交换器的截取部分的立体图；
图7是根据发明的热交换器的第二个实施例的立体图；
图8是图7中所示热交换器的局部图，图中显示了阀道的内部；
图9是图7和图8中所示热交换器的阀元件的立体图；
图10是根据发明的热交换器的第三个实施例的立体图，其中显示了热交换器的部分内部部件；
图11是图10所示热交换器的细部的俯视示意图；
图12是图11所示细部的侧视示意图；
图13是图11所示细部的前视示意图；
图14是图8到图10所示热交换器的内管的俯视示意图；
图15是根据本发明的热交换器的局部立体图；
图16是图7到图9中所示热交换器的第二个实施例的阀道的变型的立体图；
图17是图16所示阀道的另一个立体图；
图18是图16所示阀道的另一个立体图。
具体实施方式
在第一个实施例中，根据本发明的热交换器包括第一流道1和第二流道2，其中，第一流道由多个平行的子流道形成(见图6)。在图6中，这两个流道相互平行并布置在同一个壳体3内。
用于输送冷却液的管路4也同样在壳体3中穿过，从壳体上的进口4a处进入并从壳体上的出口4b处出来。管路4在壳体内部只与第一流道有着基本的热接触，这样，只有当废气在第一流道1中流动时，才在废气和冷却液之间发生相应的热交换。
热交换器沿废气的流动方向S在端侧具有排气道5，从废气流方向看，它与流道平行对准。但对于特殊的要求，也可优选地设定排气道5与流道1、2之间成一角度。
阀道6沿流动方向S布置在流道1、2之前，所述阀道与壳体3焊接在一起。阀道6具有圆形的横断面，在安装到壳体3上时与流道1、2之间的角W1为大约42°。这一角度为进口侧的流动轴线SV与第一流道1和第二流道2的流动轴线SK1、SK2分别所成的角度(见图2)。
进气道7沿流动方向S焊接在阀道6之前，所述进气道可以通过法兰7a与其它的废气管相连。进气道的进气侧流动轴线SE与阀道的进口侧流动轴线SV之间的角W2为35°。角W1和W2处于一个平面内，这样，进气道的流动轴线SE和流道1、2的流动轴线SK1、SK2之间的总的角度为77°。可选的是，这些角处于不同的平面内，并且角度大小与上述值不同，以便能配合分别确定的废气导引。
在阀道6中装有一个以可驱动的活动阀门为形式的阀元件8(见图5)。阀门8固定在可旋转的轴9上，这个轴沿阀门8的端侧边延伸并垂直穿过阀道6。此外，在阀道中设有固定的导板10，它作为阀门的延续。由于这个导板10，阀道的出气侧端部区域被分成第一分阀道6a和第二分阀道6b，其中每个分阀道6a、6b分别与流道1、2相连。因此，阀元件由导板10、阀门8和轴9一起组成，它可将废气流有选择地导向至少两个不同的管道。
阀门8上与轴9相对的一边被弯曲或成椭圆性，以便与横断面为圆形的阀道6的壁形成密封的配合。可优选地对阀道壁在与阀门接触的区域进行相应的处理。
阀门8可在轴9的驱动装置11的作用下活动，其中，驱动装置11包括一个真空执行器12，推杆14可在它的作用下运动。推杆14的一端与与固定在轴9上面的枢轴13通过万向球接头相连。这样，推杆14的推或拉运动使轴9转动，从而可以调节阀门8。按照阀门的位置，可以分别有以下情况出现：废气没有进入并穿过、或者部分进入并穿过或者全部进入并穿过用于热交换的第一流道1。
在设计热交换器的尺寸时可具有优点地使它在整体上紧凑而不阻碍废气流。在这里，两个流道1、2的平均流动长度相同，并分别等于两个流道的几何长度。阀道6的平均流动长度大约等于阀道6的中心线的几何长度。在这里，流道1、2的平均流动长度比阀道6的平均流动长度长约2.7倍。这样，在保持了本发明优点的情况下，热交换器的长度的绝大部分用于真正的热交换。
按照第二个实施例(图7到图9)，热交换器与第一个实施例一样具有阀道6，它与流道1、2之间成一角度布置。阀元件15包括导板10，在它上面布置着固定在轴9上的阀门8。
阀道6的一段的横断面基本上为圆形。在这段的壁上设有这样的形状：当阀门处于终端位置时，阀门8的边缘区域8a可与壁平整地贴在一起。与第一个形状16的紧贴对应于废气流在第二流道2中的穿流，而与第二个形状17的紧贴则对应于废气流在第一流道1中穿流。图8中是废气流在第二流道中穿流。
形状16、17分别由相应的冲头在阀道6的壁上压出形成，从而使它们从外部可见。通过阀门8平整地贴在形状16、17上，改善了阀门的密封性，并减少了阀门与阀道6的壁接触时的振动。
按照图9，阀元件15具有一个第一轴支承位置18和与之相隔一定距离的第二轴支承位置19。轴9分别通过各轴支承位置支承在阀道6上，其中，第一轴支承位置对应于阀道上的一个开口，而第二轴支承位置19则对应于阀道6上与开口相对的一侧上的袋式接纳口。但是也可以放弃第二轴支承位置19，这样，轴就只在穿过阀道6的通道区域在唯一的轴支承位置18处可旋转地固定在阀道6上。
按照第三个实施例(图10到图14)，热交换器与前面的实施例不同，具有与流道1、2平行的阀道6’。热交换器包括壳体3，在它之中布置着总共15个平行的管子1a，它们共同形成流道1。管子1a的壁直接被在壳体3中穿流的冷却液环流。
第二流道2同样也在壳体3之中。流道2包括内壁3a，这在图11和图13中用虚线画出，并形成穿过壳体3在两侧为敞开的、管形的通道。另外，第二流道包括内管20，它插入到通道中。内管20的外表面包括多个间隔件21，它们由内管20的外表面上的突出物形成。在内管插入的状态下，突出物21只与壳体3的内壁3a接触(特别是见图13)，这样，被冷却液环流的壳体的通道和被废气穿流的内管20的热接触非常少。整体上，通过上述布置形成第二流道2的双壁，包括第一壁(壳体通道3a)和第二壁(内管20)。
内管20和壳体的通道3a具有长形的横断面，并在各自的端侧相互齐平地结束。
按照图15中的局部立体图，与图10不同，阀道的方向出现角度的变化，但在壳体3、内管20和阀元件15的布置和固定方面与第三个实施例相同。图15显示了部件的安装和固定的优选顺序：导板10包括弯曲的边缘10a，并具有与内管20的横断面配合的通孔。首先，导板10与内管20的一个端侧沿通孔的边缘焊接在一起。这一组件然后插入到壳体3的通道3a中，在这里，由于突出物21，通常会实现内管良好的摩擦固定。随后，将内管和/或导板10与壳体焊接，其中，在可能的情况下点焊就足够了。
之后，将阀道6套在导板10上，并在可能的情况下安装阀门8和轴9。在阀道6与阀元件15精确对准后，阀道6与壳体焊接，焊缝连续地环绕壳体的端侧。
图16到图18中是本发明的热交换器的第二个实施例具有优点的变型，尤其是在安装方面。在这里所涉及的第二个实施例只是示范性的，这个变型同样也可以和其它的实施例结合。
阀道的外壁在这里不是作为一个整体的壳体形成的，而是包括阀道壳体30，它可包括一个第一壳体部分31和一个第二壳体部分32。这两个壳体部分基本上是镜像对称的半体，其中，对称面垂直于阀元件9、10、11的轴9。这里并不是精确的镜像对称，因为轴9穿过第一壳体部分31，穿过区域可旋转地支承在第一壳体部分31上。在所示的实施例中，在第二壳体部分32上没有轴9的支承点。但可选的是，轴9也还可以支承在第二壳体部分32上的相应缺口中。每个壳体部分分别具有一部分已在第二个实施例中描述的形状16、17，以便阀门8可平整地贴在它上面。在图16到图18中出于简明的考虑没有显示阀门8。
而在图16到图18中所示的导板10基本上垂直于所述的阀道壳体的对称面或截取平面。在这里，导板10在端侧具有尖锐的形状10a，它卡入到壳体部分31、32上对应的边缘的形状中，通过它导板10被固定在组装在一起的壳体部分31、32之间。除了仅通过卡接来固定的形式之外，导板10和壳体部分31、32也可以另外焊接。必须注意的是，导板10不与轴9固定连接，而只是延伸到与它非常接近的位置或在相应的精确调整中滑动地与轴接触。
每个壳体部分通过深拉伸由坯件变形而成。在热交换器完全装配好的状态下，优选地由不锈钢制成的壳体部分通过焊接相互固定在一起。
热交换器在阀道区域的装配优选地如下所述进行：
首先，阀道8与轴9相连(通常通过焊接)，并可旋转地插入到第一壳体部分31中。接着壳体部分31、32通过焊接相互固定。根据是采用卡接或还是焊接固定的形式，导板10可在壳体部分焊接之前或之后或者一部分在其之前或者一部分在其之后安装和固定。
在导板10固定之后，在使用第三个实施例中的内管20的情况下，首先将内管20与导板10焊接。在这里，导板10上具有优点的形状可以参照第三个实施例的描述。
最后，将这样预装的阀道6”与壳体3装在一起，如果必要的话，在内管20插入的情况下进行，并与壳体3气密地焊接在一起。
在前面所述的安装流程示例中考虑到，废气首先进入到阀道区域，因此阀道会达到很高的温度。因此，零件的焊接(必要时硬钎焊)是零件连接的优选手段。
按照要求，前面所述的实施例的各自特征并不仅限于自身，而是可以自由地相互组合，其中，在必要时通过特定的组合可以形成特别具有优点的热交换器。特别是内管20的形状、固定和安装也可以两个最初的实施例，而用于阀门8紧贴的阀道上的形状16、17也不仅限于方向出现角度变化的阀道。

Claims (30)

1.用于内燃机的热交换器，包括：
一个长形的第一流道(1)，用于内燃机废气在其中穿流，
一个与第一流道(1)相邻用于废气穿流的第二流道(2)，
一个与第二流道(2)分开的管路(4)，用于包括冷却液的介质穿流，
其中，热能在第二流道(2)中的废气和在管路(4)中的介质之间交换，同时，在第一流道(1)中的废气和在管路中的介质之间的热能至少不是以较大的规模进行交换，以及
一个带有可调阀元件(8、9、10)的阀道(6、6a、6b)，其中，通过阀元件(8、9、10)的调节，调节废气在第一流道(1)和第二流道(2)之间的分配，
其特征在于，阀道(6、6a、6b)包括阀道壳体(30)，所述阀道壳体由一个第一壳体部分(31)和至少一个第二壳体部分(32)组成，所述阀元件(8、9、10)可活动地支承在这两个壳体部分中的至少一个上面。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，阀元件(8、9、10)布置在第一壳体部分(31)和第二壳体部分(32)之间。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，壳体部分相互固定连接。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，至少一个壳体部分(31、32)是变形加工件。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述至少一个壳体部分(31、32)为深拉伸件。
6.根据权利要求1所述的用于内燃机的热交换器，其特征在于，阀道进口侧的流动轴线(SV)与第一流道的流动轴线(SK1)的方向不同。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，沿废气的流动方向，阀道(6)布置在流道(1、2)之前，并且进气道(7)布置在阀道(6)之前。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，进气道的流动轴线(SE)与阀道的流动轴线(SV)的方向不同，也与流道(1、2)的流动轴线(SK1、SK2)的方向不同。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，阀道的流动轴线和进气道的流动轴线(SE)之间的角度(W2)大于30度。
10.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，任一流道(1、2)的平均流动长度比阀道(6)的平均流动长度大至少2倍。
11.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，任一流道(1、2)的平均流动长度比阀道(6)的平均流动长度大至少2.5倍。
12.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，阀道的流动轴线(SV)和第一流道(1)的流动轴线(SK1)之间的角度(W1)大于30度。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，阀道的流动轴线(SV)和第一流道(1)的流动轴线(SK1)之间的角度(W1)大于40度。
14.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，阀道的流动轴线(SV)和第一流道的流动轴线(SK1)之间的角度小于60度。
15.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，阀元件(8、9、10)具有一个可调的阀瓣元件(8)。
16.根据权利要求15所述的热交换器，其特征在于，阀瓣元件(8)布置在一个可驱动并可旋转的轴(9)上。
17.根据权利要求15或16所述的热交换器，其特征在于，阀道(6)具有与阀瓣元件(8)相连的导板(10)，其中，阀道(6)被导板(10)至少部分地分成两个半阀道(6a、6b)。
18.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第二流道(2)基本平行于第一流道(1)。
19.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第一流道(1)和第二流道(2)位于共同的壳体(3)中。
20.根据权利要求1所述的用于内燃机的热交换器，其特征在于，阀道(6)具有压出成形部(16、17)，当阀元件(8、9、10)至少在终端位置时，与压出成形部(16、17)基本平整地贴在一起。
21.根据权利要求20所述的热交换器，其特征在于，阀道(6)具有基本为圆形的横断面。
22.根据权利要求20或21所述的热交换器，其特征在于，压出成形部(16、17)可通过阀道(6)的壁的变形形成。
23.根据权利要求22所述的热交换器，其特征在于，压出成形部(16、17)通过压制或冲压形成。
24.根据权利要求1所述的用于内燃机的热交换器，其特征在于，第二流道(2)具有双壁(3a、20)。
25.根据权利要求24所述的热交换器，其特征在于，第二流道(2)包括一个布置在壳体(3、3a)中的内管(20)，其中，内管(20)的外表面与壳体(3、3a)相隔开。
26.根据权利要求25所述的热交换器，其特征在于，内管(20)包括间隔元件(21)，通过其可以确定内管(20)到壳体(3)的间隔。
27.根据权利要求26所述的热交换器，其特征在于，间隔元件包括多个布置在内管外表面的突出物(21)。
28.根据权利要求26所述的热交换器，其特征在于，内管与导板(10)直接相连，其中，导板(10)布置在阀道(6)之中。
29.根据权利要求28所述的热交换器，其特征在于，阀门(8、9)可活动地布置在导板之上。
30.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，阀道(6)直接与壳体(3)相连。
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