CN101313192B - 用于内燃机的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的热交换器，包括一个用于输入待冷却流体的第一接口区域(1，102)，其中，流体至少部分由来自内燃机的废气组成；一个输出流体的第二接口区域(3，103)，和一个按照第一和第二接口区域之间的流体流路布置的换热区域(2，101，104，105)。换热区域(2，101，104，105)可被一种冷却介质环流，热交换器的至少一部分由铁素体钢组成。

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
在现有技术中已公知的是用于冷却再循环废气的热交换器。一般来说，在废气冷却中存在着废气化学腐蚀性强和废气冷凝液的pH值低等问题。由于这个原因，到目前为止只存在着由耐腐蚀性强的奥氏体钢制成的废气热交换器。但是这种钢会带来材料成本高以及加工成本高等缺点。此外，奥氏体钢大多数情况下是不良的热导体，为了达到规定的冷却效率，热交换器就会相对较大和较重。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于冷却内燃机的废气或废气-空气混合气的、低成本的热交换器。
这个目的是通过按照本发明具有下述特征的热交换器实现的。
也就是说，热交换器的至少一部分由铁素体钢组成，这样，至少由于这种钢的价格较低，从而可以节省成本。
在优选的实施形式中，相对于奥氏体钢来说，通常具有较高热效率的铁素体钢特别是通过以下方式得到利用，即热交换器的铁素体钢部分与流体接触。通过铁素体钢的较优的导热性能，在整体上使用于废气冷却的热交换器能够以体积小、材料少、重量轻和低成本的方式实现。
流体特别优选为内燃机的再循环废气或废气-空气混合气，其中，在第一接口区域中，在正常的工作状况下，流体温度高于300℃，尤其是高于500℃。这样将会减少整个热交换器内来自废气的酸性冷凝物出现冷凝的风险。在优选的实施形式中，热交换器的铁素体钢部分基本上相当于第一接口区域，并与换热区域焊接。正好是在第一接口区域中的温度特别高，因此可以毫无问题地采用铁素体钢。此外，铁素体钢的热膨胀系数至少比奥氏体钢低，因此，铁素体钢的接口区域与后面的奥氏体钢的换热区域的组合，在由于膨胀而造成的材料应力方面特别有利。特别是在这种情况下，第一接口区域的通过截面沿朝着换热区域的方向扩大。另外，在接口区域中可布置一个可调的阀门。通过这个阀门，可将废气例如分配到已冷却的区域或旁通管中。
在另一个优选的实施形式中，换热区域具有多个热交换器管。从机械角度看，管式冷却器的稳定性特别好，并且特别适合于冷却液的情况。为此，换热区域具有可被冷却液穿流的换热壳体。由于换热壳体通常不与废气接触，因此特别有利的是，换热壳体由铁素体钢组成，这样即使在锈穿的情况下，冷却液也不会进入到发动机的燃烧室中。
为了改善热交换器效率，热交换器管可优选地由铁素体钢组成，因为这种材料具有良好的导热性。
特别优选的是，热交换器的另一个部分可由另一种铁素体钢组成。目前存在着具有不同耐腐蚀性和机械性能的铁素体钢，这通常使材料价格得以降低。根据热交换器的相关部分所受到的腐蚀的程度或者在导热方面所发挥的作用，热交换器的不同部分可由不同的铁素体钢组成，以使成本得到优化。在另一个优选实施形式中，热交换器包括多个以叠置形式相互连接的板片元件。这种热交换器特别适合作为废气热交换器。具有优点的是，在板片元件之间布置着由铁素体钢组成的肋片元件。肋片元件的腐蚀由于结构形式的原因通常不会造成冷却液穿透进入到流体区域的危险，否则，发动机会受到水侵入而损坏。因此，特别规定可分开使用的肋片元件由铁素体钢形成。这种肋片元件可布置在待冷却的流体中和/或冷却液中。如果肋片元件既要布置在流体也要布置在冷却液中，那么这些肋片元件在设计上会有所不同。
特别优选的是设有一个包括板片元件的壳体，它由铁素体钢组成。壳体在长期使用后出现的腐蚀将不会使冷却液与废气接触，这样减少了发动机损坏的危险。这种壳体是尺寸很大的部件，在壳体中通过使用铁素体钢可明显地降低成本。但在使用一种具有足够耐腐蚀性能的铁素体钢的情况下，板片元件也可优选地由铁素体钢组成，在规定的结构尺寸条件下这将有助于导热以及提高整个热交换器效率。
热交换器的另一部分通常优选地由一种奥氏体钢组成，这样至少在关键部位会采用一种具有高耐腐蚀性的材料。奥氏体钢优选地从一组钢材料1.4301和1.4404中选择。这种材料牌号与标准DIN EN 10088-2相同，所有本发明所使用的材料牌号都参照此标准。
特别优选的是，铁素体钢部分与奥氏体钢部分相互间直接通过焊接或钎接形成材料锁合联接。通过这种材料锁合联接，特别是通过直接焊接或气焊或者是通过钎接，将会保证联接的牢固可靠。试验已证明，至少优选地用于热交换器制造的铁素体钢和奥氏体钢之间通常可以毫无问题地形成材料锁合的联接，特别是通过焊接或钎接或粘接。
铁素体钢优选地从一组钢1.4006和1.4016中选出。在对耐腐蚀部分的要求相对较低的情况下：铁素体钢可优选地从一组钢1.1169、1.0461、1.0462和1.0463中选出，它们是低合金钢和细晶粒钢。含有至少12％Cr成分的、适合的高合金铁素体钢优选地从以下一组牌号中选出：1.4000、1.4002、1.4006和1.4113。高合金及稳定化钢(含有钛和铌)优选地从以下一组牌号中选出：1.4509、1.4513、1.4512和1.4520。
在一个优选的热交换器中，冷却介质为气态，特别是空气。这种热交换器在腐蚀的情况下不会有水侵入的危险，为了达到适当的冷却效率，它对材料的导热性能有着特别高的要求。因此这里适合使用铁素体钢。
根据本发明的热交换器在低压分支中可布置在废气涡轮机之后(低压AGR)。在这种布置中所产生的机械载荷和温差较小。但可选的是，热交换器也可以在高压分支中布置在废气涡轮机之前。
根据本发明的热交换器的其它优点和特征参见后面所述的实施例以及从属权利要求。
附图说明
下面通过根据本发明的两个优选实施例和附图对发明进行详细说明。
图1是根据发明的热交换器的第一个实施例的立体图，图中的局部为截面。
图2是热交换器的第二个实施例的立体爆炸图。
图3是如图2所示的热交换器在装配完成的状态下的截面示意图。
具体实施方式
如图1所示的废气热交换器在结构上按照管束热交换器的原理。它具有一个用于输入废气(或废气-空气混合气)的第一接口区域1，和一个换热区域2，热量交换的主要部分发生在这个区域，以及一个用于输出废气的第二接口区域3。在第一接口区域1中可旋转地布置着一个借助驱动器4并通过机械机构5驱动的调节阀门6，通过这个阀门可使废气流在旁通管7和由热交换器管8组成的管束之间可调节地换向。
旁通管7和热交换器管8通过顶盖元件(Kopfelement)9相互焊接，同时，一个可被冷却液穿流地热交换器壳体由一个外壳10与顶盖元件9相互焊接而成。在外壳10上设有两个连接管11，用于使冷却液流过热交换器壳体。在上述的热交换器中，至少第一接口区域1由一个沿朝着换热区域2的方向扩大的壳体组成，并且由铁素体钢组成，特别是由根据DIN EN 10027-2标准的钢1.4006组成。此外，外壳10也适合由这种钢组成。
废气流的温度范围可取决于冷却器是用在低压废气再循环系统中，还是用在高压废气再循环系统中，而根据废气流的温度范围，热交换器管8、顶盖元件9和第二接口区域3也可由铁素体钢组成。在相对较冷的废气出口区域，由于发生冷凝的危险较大，所以第二接口区域3优选地由具有不锈和稳定化特性的铁素体钢制成，特别是由1.4512或1.4509制成。热交换器管8和/或旁通管7和/或顶盖元件9由铁素体钢组成时，它们优选地由不锈和稳定化钢制成(特别是1.4512和/或1.4509)。
为了节省成本，特别是外部的附装件如支持板等可由铁素体钢组成，特别是由1.1169、1.0461、1.0462或1.0463组成。
第二个实施例中的热交换器(图2)是板片式热交换器。外部壳体101具有一个输入废气的第一接口区域102和一个输出废气的第二接口区域103，在这个壳体中布置着多个板片元件104。壳体101还包括一个封盖105，在所述封盖上布置着接口106、107，用于连接冷却液的输入管和输出管。板片元件104以及壳体101和封盖105共同形成热交换器的换热区域。
每个板片元件104由两个板片104a、104b构成，而在两个板片104a、104b之间设有一个肋片元件108。上部板片104a具有一个接管状的突出部104c，它接在后面的板片元件中的下部板片中的穿孔的边缘上。板片元件的各接管104c相互对准并与封盖105上的接口106、107对准。离封盖最远的板片元件104具有一个不带穿孔的下部板片104b。通过这种方式，各上部板片104a和下部板片104b之间的多个间隙一起形成可被冷却液穿流的空腔，其中，空腔的边界由板片104a、104b的弯曲的边缘104d相互焊接形成。
在每个板片元件中，冷却液在一个与接口106相对应的接管和另一个与接口107相对应的接管之间流动。被冷却液环流的肋片108用于进一步改善冷却液和板片之间的热交换，同时特别是使冷却液出现涡流。
在两个相邻的板片元件104之间的间隙主要通过接管104c的高度确定，分别在板片元件的端侧的所述接管对于热交换器壳体101的接口区域102、103是敞开的。废气流穿过这些间隙，同时被已由冷却液大面积冷却的板片元件104a冷却。
为了实现机械上的稳定以及冷却壳体101，板片元件104的纵向侧边缘区域104d被弯折，并且在局部区域平坦地贴在壳体101的内壁上(特别是参见图3)。特别是板片元件104与壳体101的内壁要尽可能平整地大面积地焊接或钎接，以使壳体101能被足够地冷却。
壳体101优选地由一种铁素体钢制成。它可以是一种低成本的钢，例如1.1169、1.0461、1.0462和1.0463。在壳体部分101出现腐蚀的情况下，冷却液将不会进入到废气中，所以根据成本-风险评估这里可以采用低价格的材料。
为了改善热交换器效率，并且在规定的热交换器效率的条件下使体积减少，叠置式板片104以及封盖105也可由一种铁素体钢组成。由于这些元件要将废气和冷却液分开，所以这种铁素体钢优选为特别耐腐蚀的钢如1.4000、1.4002或1.4113或者优质铁素体钢如1.4513或1.4520。
如图3所示，在板片元件104之间也可布置肋片元件109，它们被废气环流，因此加大了热交换面积。并且，这些肋片元件109也可由铁素体钢组成。

Claims (24)

1.用于内燃机的热交换器，包括
一个用于输入待冷却流体的第一接口区域(1，102)，其中，流体至少部分由来自内燃机的废气组成，
一个输出流体的第二接口区域(3，103)，和
一个按照第一和第二接口区域之间的流体流路布置的换热区域(2，101，104，105)，其中，换热区域(2，101，104，105)可被冷却介质环流，其特征在于，热交换器的至少一部分由铁素体钢组成，所述热交换器的铁素体钢部分与流体接触，基本相当于第一接口区域(1，102)，并可与换热区域(2，101，104，105)形成材料锁合联接，热交换器的其他部分由另一种铁素体钢和/或奥氏体钢组成。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，流体为内燃机的再循环废气或废气-空气混合气，其中，在正常的工作状况下，在这个部分的流体温度高于300℃。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，第一接口区域(1，102)的通过截面沿朝着换热区域(2，101，104，105)的方向扩大。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在第一接口区域(1，102)中布置着一个可调的阀门(6)。
5.根据权利要求中1所述的热交换器，其特征在于，换热区域(2，101，104，105)具有多个热交换器管(8)。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，换热区域(2，101，104，105)具有可被冷却介质穿流的换热壳体(10，101)。
7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其特征在于，换热壳体(10，101)至少部分由铁素体钢组成。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，热交换器管(8)由铁素体钢组成。
9.根据权利要求5或6所述的热交换器，其特征在于，热交换器管(8)由铁素体钢组成。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，热交换器包括多个以叠置形式相互连接的板片元件(104)。
11.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，在板片元件(104)之间布置着用于扩大热接触的肋片元件(108，109)，其中，肋片元件(108，109)由铁素体钢组成。
12.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，所述肋片元件(108，109)包括布置在待冷却的流体中的第一肋片元件(108)。
13.根据权利要求11或12所述的热交换器，其特征在于，所述肋片元件(108，109)包括布置在冷却介质中的第二肋片元件(109)。
14.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，设有一个包括板片元件(104)的壳体(101)，它由铁素体钢组成。
15.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，奥氏体钢从一组钢材料1.4301和1.4404中选择，材料牌号按照标准DIN EN 100 88-2。
16.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，铁素体钢部分与奥氏体钢部分相互间直接形成材料锁合联接，包括通过焊接、钎接、粘接。
17.根据权利要求1或15或16所述的热交换器，其特征在于，铁素体钢从一组钢1.4006和1.4016中选出。
18.根据权利要求1或15或16所述的热交换器，其特征在于，铁素体钢从一组钢1.1169、1.0461、1.0462和1.0463中选出。
19.根据权利要求1或15或16所述的热交换器，其特征在于，铁素体钢从一组钢1.4000、1.4002和1.4113中选出。
20.根据权利要求1或15或16所述的热交换器，其特征在于，铁素体钢从一组钢1.4513和1.4520中选出。
21.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，冷却介质为气态。
22.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，热交换器在低压分支中布置在废气涡轮机之后。
23.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，热交换器在高压分支中布置在废气涡轮机之前。
24.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述流体温度高于500℃。
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