CN101435389A - 带有减振交换器管束的废气热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆排气系的热交换器(1)，包括单独形成的、运输废气的交换器管(20)的管束，其中各所述交换器管(20)相对于流体流并联相连，所述交换器管设置在单独形成的、封闭的壳体(40)内，冷却剂流动经过所述壳体，所述冷却剂在所述交换器管(20)的外侧在其周围流动，其特征在于，设有用于所述热交换器管(20)的管束的箍带(30)，所述箍带在所述管束外侧位于所述管束上并且以形成刚性机械连接的方式将多个热交换器管(20)连接在一起。

Description

带有减振交换器管束的废气热交换器
技术领域
本发明的主题是车辆排气系的热交换器，尤其是车辆内燃机废气再循环系统的热交换器，所述热交换器具有主权利要求前序部分的结构。由于涉及车辆尾气排放尤其是氮氧化物排放的法规越来越严，所以在内燃机领域中现有技术是将燃烧废气再循环至内燃机的进气侧。燃烧废气本身并不再次在内燃机的燃烧室中参与燃烧过程，而是构成惰性气体，稀释燃烧室内燃烧空气和燃料组成的混合物，并且确保更充分的混合。因此，可以在燃烧过程中最小化以极高的燃烧温度为特征的所谓热斑(hot spot)的出现。这种非常高的燃烧温度有利于氮氧化物的形成，因此必须要避免它的出现。
背景技术
因为内燃机的效率大体上依赖于被引入内燃机燃烧室的燃烧空气的温度，所以燃烧废气从内燃机燃烧室出来之后不能直接又被循环至进气侧。实际上，燃烧废气温度必须明显降低。大体上，从内燃机燃烧室出来的燃烧废气的温度为900℃或者更高。相反地，被供至内燃机燃烧室燃烧空气的温度则不应超过150℃，并且优选明显低于这个温度。对于冷却再循环燃烧废气而言，现有技术中已知的是利用所谓的废气再循环冷却器。现有技术中已知各种不同的结构，其中，待冷却的燃烧废气大体上循环通过交换器管，在所述交换器管的冷却剂流动，其中冷却剂大体上是车辆的冷却水。在现有技术中已经提出将待冷却的燃烧废气引导通过针对流体流并联连接的交换器管束，所述管周围大体上流动所述冷却剂。
专利公开文献DE102004019554A1公开了一种用于内燃机的废气再循环系统，其中包括被制作成两部分铸件的废气热交换器。因为燃料不会完全燃烧，所以非常热的燃烧废气是活性的，这就提出了一个技术上很难甚至是不可能解决的问题，金属铸件的表面需要构造成可与不锈钢表面比拟的惰性表面。
专利公开文献DE102005055482A1公开了一种应用于内燃机的废气再循环系统，避免了上述问题，其中将与高温燃烧废气接触的表面被制作成非腐蚀性钢表面。热交换器管和容纳热交换器管的壳体被构造单独的部件，它们在生产过程中组装。
在专利公开文献文件DE102006009948A1所公开的废气热交换器中，传输高温气体的管道和盛放环绕废气管道流动的冷却剂的壳体被一体地构成为板式热交换器。用于热的燃烧气体的流道以及用于冷却剂的流道仅仅在单独的例如深拉延的板被组装时形成，以形成片式热交换器。专利公开文献DE102006049106A1也遵循了类似的概念。
有关车辆内燃机中废气再循环技术的概述信息可以从例如专利公开文献DE10011954A1中获取。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于车辆排气系的热交换器，其包括具有改进的NVH特性(噪音、振动、硬度)的单独形成的交换器管束。
该目的通过具有主权利要求特征的、用于车辆排气系的废气热交换器实现。
本发明的热交换器是为车辆的废气系而设置的。本发明的热交换器包括针对流体流并联相连的单独形成的运输废气的交换器管束。所述交换器管设置在单独形成的、封闭的壳体内，冷却剂流经所述壳体。所述冷却剂在所述交换器管的外侧在其周围流动。根据本发明，设有用于所述热交换器管束的箍带，其中所述箍带在所述管束外侧位于所述管束上。所述箍带还以形成刚性机械连接的方式将多个热交换器管连接在一起，从而所述箍带可靠地防止交换器管束的至少外侧管的振动。
在另一改型实施例中，所述箍带还形成针对壳体由箍带连接一起的热交换器管相对于所述壳体的机械对接部。在这种情况中，箍带不仅防止了管束的交换器管彼此之间的相对振动，还防止了管束大体相对于其周围壳体的集体振动(collective vibration)。
如果所述对接部被构造成是弹性的，则获得特别的优点，从而热交换器管束相对于热交换器的壳体弹性支承。
在本发明的热交换器的特别优选的实施例中，所述箍带设置成形成围绕所述交换器管束的至少一部分而优选整个包围的夹持部。
在本发明的热交换器的另一改进实施例中，在热交换器的壳体内在所述管束内设置导流板，所述导流板用于在所述壳体内引导所述冷却剂的流动。如果所述导流板例如通过焊接或钎焊机械刚性连接至多个交换器管，则获得针对NVH特性的优点。大体上，导流板连接至紧邻其的交换器管。有利地，导流板不仅连接至多个交换器管，还机械刚性连接至热交换器的壳体，尤其连接至诸如盖部件的壳体部分。
如果所述交换器管的入口和出口设置成位于所述热交换器壳体外侧，并且如果缠绕的流道在壳体内在交换器管内延伸，其中所述流道包括至少135°而优选180°的旋转角度α，则有利的是本发明的热交换器的热交换器管束的特别的减振实现。在U形或半圆形结构的交换器管中，交换器管大体仅仅机械对接导通所述热交换器壳体的壁的点，因而形成抗振特性很好的系统。振动的性能通过根据本发明提供的并且形成围绕管束的包围夹持部的箍带被强烈减小。振动性能还通过前面叙述过的导流板被进一步减小，此导流板同样和多个交换器管相连。
如果将多个热交换器管机械刚性相连的加固元件安置在所述管束内，则可以进一步减小交换器管束的振动性能。这种加固元件可以有合适形状的金属带形成，其借助于钎焊或焊接连接至交换器管。通过将金属带赋予合适的轮廓例如V形或U形轮廓，金属带可以设有必要的刚度。
优选地，本发明的热交换器中的交换器管由至少在导通所述壳体的壁的点之间的一个单件制成，并且由诸如不锈钢、铝或铝合金的耐腐蚀且耐热材料制成。为了使在交换器管内传输的未燃烧废气与交换器管周围流动的冷却剂之间具有尽可能高的热交换率，热交换器管的壁厚要构造成尽可能薄，当然这将提高它的振动性能。为使导热效率得到进一步提高，可让交换器管传输的废气中产生强烈的紊流，在此可以通过在交换器管内表面上形成螺旋结构来实现。在特别高效的方式中，这种螺旋结构可以通过冲压对应的交换器管的壁而制成；因此，甚至进一步降低交换器管的刚度，这使得交换器管束的振动性能进一步提高。特别地，在上下文中，在交换器管束上采取的前述减振措施是有利的。
附图说明
以本发明为依据的热交换器的另一些优点和特征将在附属权利要求以及下述实施例中得以体现，它们将通过图例得到进一步阐述。其中
图1是本发明的废气热交换器的第一实施例的分解视图；
图2是根据第二示意性实施例的废气热交换器的安装接口F的俯视图；
图3是根据第三实施例的废气热交换器的交换器管束的俯视图；
图4是示出了如图1所示的热交换器的交换器管的示意图；
图5是如图4所示的交换器管的剖视图；
图6是形成缠绕流道的交换器管的示意性示出，示出了回旋转角度度α；
图7是由壳体盖形成的接口S的俯视图，其中入口和出口位于正交栅格的栅格位置上；
图8是由壳体盖形成的接口S的俯视图，其中入口和出口位于六角形栅格的栅格位置上；并且
图9是壳体盖区域内交换器管的入口/出口的剖视图。
具体实施方式
图1示出了根据第一示意性实施例的本发明的废气热交换器1的分解视图。热交换器1包括壳体40，壳体包括由壳体盖60封闭的壳罩50。壳罩50被构造为铸件，尤其可以由铝合金压铸制成。可选地，在所示的示意性实施例中的壳罩50可由任何这样的材料制成，所述材料可以一方面铸造加工并另一方面具有足够的热稳定性。因为本发明的热交换器1的壳罩50只与冷却剂接触，其中所述冷却剂大体来自于车辆冷却剂循环系统，所以对于大部分的应用情况来说足以达到150℃的抗热性能。镁或镁合金、灰口铸铁或还有可压铸的塑料也已经被发现是适于壳罩的其它材料。
在前侧，壳罩形成用于与壳体盖60连接的凸缘59。在所示的实施例中，壳体盖60由几毫米厚、优选为大约2毫米厚的冲压不锈钢板制成。壳罩50和壳体盖60之间通过密封件52连接成液密性与气密性连接，密封件在所示实施例中被构造成为金属压条密封件，并且插在它们之间。因此，壳体盖60通过螺钉54螺合至壳罩的凸缘59；为此，壳罩50形成多个大螺纹孔55。在对应的位置处，壳体盖60包括大直径通孔65，匹配尺寸螺钉54穿过这些通孔并插入螺纹孔55中，以便壳体盖60螺合至壳罩50。
壳罩50形成内腔42，设置成在所述内腔内容纳U形交换器管20的管束。各交换器管20针对于它们的内径和外径的尺寸而言是相同的，但是U形轮廓的开口宽度W是变化的。内腔42的形状以及因此壳罩50的形状大体上适于交换器管20的管束的形状，以使得交换器管20的管束可以最高效地利用内腔42内的空间。
在它们对应的端部，交换器管20分别形成入口22和出口24。交换器管20的端部因此导通壳体盖60内的对应孔，所述对应孔形成了用于交换器管20的入口或出口的导通点66、68。交换器管20的入口和出口22、24因此导通壳体盖60内形成的孔；在导通点66、68，交换器管20例如通过钎焊或焊接的方式气密性和液密性地连接至壳体盖60。因此，交换器管20以机械的方式对接壳体盖60。
在优选实施例中，交换器管20由薄壁不锈钢管制成。交换器管20因而设有冲压的结构，从而在交换器管20的内表面上形成升高螺旋结构26。因此，交换器管20的管束安置成，所有入口22和所有出口24相应地布置成一个内聚的组(cohesive group)，以便本发明的热交换器1容易连接至例如车辆废气系统。为此，壳体盖60的前侧形成组装接口S，由于壳体盖60的平坦结构，所述组装接口S以大致凸缘形结构被构造。为将热交换器1安装至车辆，在壳罩50中形成附加的螺纹孔53，所述附加的螺纹孔的内径要比螺纹孔55的小。在金属压条密封件52以及壳体盖60中形成有对应的通孔63。经由这些通孔，热交换器1可以通过多个在图1中没有示出的螺钉连接至车辆的废气系统和冷却剂系统。
除了容纳交换器管20的管束的内腔42以外，壳罩50形成用于冷却剂的进入通道56和排出通道58；所述冷却剂可以例如是来自车辆的内燃机冷却系统的冷却液。进入通道56和排出通道58因而设置成，用于从顶侧至底侧延伸的流道通过壳罩体50的内腔42而形成，在热交换器1根据应用而操作时，交换器管20的管束密集地由冷却剂流过。为了实现冷却剂与输送废气的交换器管20之间尽可能强的相互作用，在U形交换器管20的腿内还安置导流板36，所述导流板在所示的示意性实施例中仍然优选由不锈钢制成，并且钎焊对接或焊接对接至也由不锈钢制成的壳体盖60。导流板36延长了壳体40的内腔42内冷却剂的流道，因此确保了交换器管20内流动的废气与在内腔42内流动的冷却剂之间的强度更大的热交换。
在壳罩50内形成的进入通道56和排出通道58同样终止于由壳罩50形成的凸缘59中，腹板57在各通道56和58的端部形成，用于形成安坐在凸缘59上的金属压条密封件56的机械对接。所述密封件也形成了针对流经热交换器1的冷却剂的通道，所述通道对应于在壳体盖60形成的冷却剂入口62和冷却剂出口64。在组装的热交换器1中，冷却剂可以通过冷却剂入口62进入并可通过冷却剂出口64排出，并且待冷却的燃烧废气经由壳体盖60的前侧通过交换器管20的入口22进入和通过出口24排出。在所示的结构中，可以通过单独共用的安装接口S。
这尤其可通过图2得到清晰的描述，图2示出了稍微改变实施例中的热交换器1的安装接口S的透视图。可以清楚的看到壳体盖60中形成的冷却剂入口62和冷却剂出口64。与之相反，交换器管20的大多数入口22及出口24在图2中被栅格结构23所覆盖。入口22及出口24在壳体盖60中的结构大致对应于如图1所示的结构。此外，如图2所示的热交换器显著不同之处在于壳罩50的紧固点51的调整结构，这些紧固点51用于将热交换器1紧固在车辆的安装结构上。
图3示出了第三实施例中的热交换器1的交换器管20的管束的透视图。与图1所示的热交换器相比，此处所示的交换器管20的管束显著区别之处在于，交换器管20是光滑的，例如无缝拉延的薄壁不锈钢管，所述钢管不具有像图1所示那样的螺旋形结构26。此外，交换器管20布置成成对交叉，这在U形交换器管20的转向点上显得很清楚。
在图1中还可以进一步清楚地看到，交换器管20的管束在壳体40的内腔42内的不希望的振动借助于技术措施被防止的方式。以机械刚性连接方式连接至壳体盖60并安置在交换器管20的管束内的导流板36在其侧壁并在其弯曲顶部连接至相邻的交换器管20，例如通过焊接或钎焊实现机械刚性连接。导流板36由此以机械的方式加固位于内侧的交换器管束的交换器管20，并由此抑制了它们的振动。
作为附加的减振措施，设有由小壁厚的冲压不锈钢板制成的箍带30。该箍带完全包围交换器管20的管束，并在接触点以机械刚性连接的方式连接至相邻的交换器管20，例如通过钎焊或焊接实现。由于包围交换器管束的结构，箍带30阻止位于外侧的交换器管20彼此之间的相对振动。此外，箍带30形成了一体形成的对接部32，它包括斜角突出部。这些对接部32相对于壳体40内壁弹性支承交换器管的全部管束。
最后，在交换器管20的管束内安置加固元件34，所述加固元件也由冲压的不锈钢带制成。这些加固元件34构成交换器管20的管束的交换器管20的机械刚性对接。为此，它们以机械刚性连接的方式例如通过焊接或钎焊连接至交换器管20。
应该指出的是，可以不要箍带30或加固元件34与离散的交换器管20的机械刚性连接。如有可能，交换器管束与箍带30或加固元件34之间的仅仅互锁可以已经设置成交换器管束的足够的对接或者设置成箍带30或加固元件34足够刚性地安坐在交换器管束上。
图4现在示出了根据第一示意性实施例的热交换器1的一个交换器管20的侧视图。交换器管20的自由长度表示为L，依据热交换器1的尺寸，所述长度在2与30厘米之间的范围内；如果用在具有小功率内燃机的车辆中，则L的通常合适尺寸是大约5厘米。对于具有100千瓦或更高功率的私人车辆来说，L的尺寸可以在10与15厘米之间的范围内。对于载重车辆来说，L的尺寸可以为20厘米或者更大。
交换器管20具有外径D，其尺寸大体在1与15毫米之间的范围内，优选为6与12毫米之间，这是因为该直径已经发现尤其适于根据热交换器的利用目的使用热交换器作为车辆的废气热交换器。从图4以及描绘图4所示交换器管的剖切透视图的图5可以明显地看出，不锈钢管壁厚度范围从0.1至1毫米是合适的，尤其还取决于特定热交换器1中热交换器管的长度L。交换器管20的壁厚WS优选在0.2至0.6毫米范围内。
对于U形交换器管20的腿间距W来说，已经发现，该间距优选大于或等于交换器管20的外径D的两倍，尤其是W≥2.2×D，其中腿宽度W经由W＝2R与U形热交换器管20的弯曲半径R直接相关，如果所用的热交换器管20是薄壁管、例如由不锈钢或铝制成、设有连续的螺旋结构26。特别小的腿间距W对于最高效占据壳体40的内腔而言是有利的，并且由于在车辆内部可供使用的空间非常受限而是优选的。
在实际测试的框架中，已经发现，如果交换器管至少在内壁上具有螺旋结构26，则实现针对在流经交换器管20的废气中产生紊流的特别有利的特性以及因此从废气至交换器管的特别高强度的热交换。螺旋结构26的绕圈之间的间隔DS有利地是在1与15毫米之间的范围内，优选在4与8毫米之间的范围。与此相随的倾斜角度在图4中用DW标示。交换器管20内壁上的升高的螺旋结构26的高度DT有利地范围是在对应的交换器管20外径D的1％与20％之间，在这里优选为4％与14％之间。
如果多个交换器管20设置用于形成交换器管束，则已经发现，如果对应的交换器管束的交换器管20的外表面之间的最小距离d是在0.5与5毫米之间的范围内，则针对根据应用用途所使用的热交换器可获得的效率尤其是高的。这里，1与2毫米之间的范围是优选的，这是因为如果使用水作为冷却剂可以取得针对效率特别好的结果。
在特别优选的实施例中，交换器管20中的螺旋结构26不仅形成在交换器管20的内表面上。实际上，通过将螺旋形状冲压到交换器管20的外表面中而产生螺旋结构26，这导致了交换器管20的内表面上的冲压升高的螺旋结构26。
图6示意性示出了旋转角度α，它由交换器管20内形成的流道包围。在本发明的热交换器1的优选实施例中，该旋转角度度α是180°，也就是说，从热交换器1的内腔42出来的废气流的流向与进入的废气流的流向相反180°。然而在其它结构中，旋转角度α也可以小于或大于180°，在135度与225度之间的角度范围大体上是优选的。已经发现在内表面上形成有螺旋结构26的交换器管20的使用，在45°的旋转角度α时增加了效率。
图7示意性示出了在热交换器壳体40的内腔42内布置成管束的多个交换器管20的入口22和出口24的侧视图。可以发现，入口22和出口24位于正交栅格的栅格点上。
如果入口22和出口24如图8所示布置，则获得甚至更高效的空间占用率。在这里，入口22或出口24布置在六角形栅格的栅格点上，这就意味着每个入口22或每个出口24由六个相邻的入口22或者出口24包围。在这种结构中，交换器管20可在壳体40的内腔42内的空间内实现最好的利用。
图9最终示出了在孔所在区域内的壳体盖60剖视图，其中交换器管20的入口或出口侧端螺合通过所述孔。在提供针对制造特别优点的有利实施例中，交换器管20的入口或出口侧端包括支承结构27，其中所述支承结构形成管端针对壳体盖60的机械对接。该支承结构可以由例如一个或多个点形突出部形成，在图4所示的实施例中，所述支承结构被冲压为周向隆起部。在图9所示的实施例中，交换器管20的外端被卷边，从而借助于支承结构27与卷边端部的组合，交换器管20以机械的方式对接壳体盖60。该对接借助于交换器管20的管端的结构特性实现，并且显著有助于本发明的热交换器的制造，这是因为交换器管20已经以机械的方式预固定在壳体盖60上。这取消了对于在交换器管端与壳体盖60的随后的焊接或钎焊过程中例如借助于激光点焊将交换器管20附加地固定至壳体60的需求。通过将具有均匀内径和外径的交换器管20螺合穿过壳体盖60中的对应孔，图9所示结构可以以最简单的方式在交换器管中制成。随后可以使用合适的工具制造周向隆起部27以及同时卷边的边缘。合适的工具例如是扩管器。

Claims (13)

1.一种用于车辆排气系的热交换器(1)，包括单独形成的、运输废气的交换器管(20)的管束，其中各所述交换器管(20)相对于流体流并联，所述交换器管设置在单独形成的、封闭的壳体(40)内，冷却剂流经所述壳体，所述冷却剂在所述交换器管(20)的外侧在其周围流动，其特征在于，设有用于所述热交换器管(20)的管束的箍带(30)，所述箍带在所述管束外侧位于所述管束上并且以形成刚性机械连接的方式将多个热交换器管(20)连接在一起。
2.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述箍带(30)形成针对机械刚性互连的热交换器管(20)相对于所述壳体(40)的机械对接部(32)。
3.如权利要求2所述的热交换器(1)，其特征在于，所述对接部(32)被构造成是弹性的。
4.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述箍带(30)形成围绕所述管束的至少一部分夹持部。
5.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，设置加固元件(34)，所述加固元件安置在所述管束内并且将多个热交换器管(20)机械刚性互连。
6.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，在壳体(40)内在所述管束内设置导流板(36)，所述导流板用于在所述壳体(40)内引导所述冷却剂的流动，所述导流板机械刚性连接至多个交换器管(20)。
7.如权利要求6所述的热交换器(1)，其特征在于，所述导流板(36)机械刚性连接至所述壳体(40)。
8.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述交换器管的入口(22)和出口(24)设置成位于所述壳体(40)外侧，并且它们彼此相互设置成，缠绕的流道在每个交换器管的入口(22)与出口(24)之间延伸，所述流道包括至少135°而优选180°的旋转角度α。
9.如权利要求8所述的热交换器(1)，其特征在于，不同交换器管(20)的流道在对应的一个所述交换器管(20)的入口(22)与出口(24)之间并不彼此接触。
10.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述交换器管(20)由导通所述壳体(40)的壁的点(66，68)之间的一个单件制成。
11.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述交换器管(20)在导通所述壳体(40)的壁的所述点(66，68)之间被弯曲成大致U形或半圆形。
12.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述交换器管(20)在导通所述壳体的壁的点(66，68)处机械刚性连接至所述壳体(40)。
13.如权利要求1所述的热交换器(1)，其特征在于，所述交换器管(20)由诸如不锈钢或铝的耐腐蚀且耐热材料制成。
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