CN111148961B - 废气热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种废气热交换器(1)，其包括：管束(3)，该管束(3)具有输送废气的管(4)，所述管(4)在入口侧被保持在第一管座(5)中并且在出口侧被保持在第二基部(5)中；冷却剂(6)流过的壳体(2)，该壳体(7)包围管束(3)并具有冷却剂入口(8)和冷却剂出口(9)。根据本发明，管束(3)具有阶梯状的外周，并且壳体具有圆形横截面，以便在管束(3)和壳体(2)之间布置冷却剂旁通通道(10)，冷却剂入口(8)布置在第二管座(6)的区域中，并且冷却剂出口(9)布置在第一管座(5)的区域中，冷却剂旁通通道至少部分地被嵌件(11)阻塞，该嵌件具体将冷却剂流(14)朝向第一管座(5)并且在管(4)之间引导，并冷却所述第一管座(5)与所述管(4)。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的废气热交换器。
在现代内燃机中，燃烧废气的一部分越来越多地被分离，并且与吸入的新鲜空气混合为压载气并返回燃烧室，以增加燃烧混合物的热容量并因此降低燃烧温度。为了减少氮氧化物的排放，在此情况会使用所谓的废气冷却器，该废气冷却器因引入的燃烧废气而承受高热负荷。在内燃机运行期间，后者能够达到高达700℃的温度。
常规的废气冷却器大多满足废气热交换器的工作原理，该废气热交换器将燃烧废气排出的热量从燃烧室传递到冷却介质。因为这样的物质流在废气冷却器中或废气热交换器中通过热导壁分开，所以在技术界将适用于此的设备归类为间接废气热交换器、换热器或热交换器。
从EP 2 559 962 A2中已知一种废气热交换器，该废气热交换器包括具有废气导管的管束，其中，所述管束分别在入口侧和出口侧保持在座中。在此，管束被冷却剂流过的壳体包围，该壳体因此包围管束并且在端侧处由两个座界定。为了冷却剂的流入和流出，提供了冷却剂入口和冷却剂出口。
从现有技术中已知的废气热交换器中，冷却剂通常经由管道直接流入壳体中，在该壳体中布置了输送燃烧废气的管束，并且该管束在端侧由两个管座限定。流入的冷却剂沿预定方向流入壳体并以不确定的方式分配。然而，由于冷却剂的不确定分配，可能会出现流量较小的区域，尤其是在管座的区域中，使得那里存在局部沸腾的风险，因而减少废气热交换器的寿命。
因此，本发明提出了一种通用类型的废气热交换器的改进实施例，以此解决问题，该改进实施例尤其防止或至少最小化冷却剂局部沸腾的风险。
根据本发明，该问题通过独立权利要求1的主题来解决。从属权利要求的主题是有利实施例。
本发明基于以下总体构思：将待引入废气热交换器中的冷却剂流具体引导到有沸腾风险的地方，从而在这些区域中实现最佳冷却，同时至少降低了在这些区域中越来越多地出现的局部沸腾的风险。根据本发明的废气热交换器包括管束，该管束尤其具有平行的废气导管，该废气导管在入口侧被保持在第一管座中并且在出口侧被保持在第二管座中。同样，提供了包围管束并流过冷却剂的壳体，该壳体在端面处由两管座界定，并包括冷却剂入口和冷却剂出口。根据本发明，管束在此具有阶梯状的外周，并且壳体具有圆形横截面，以便在管束和壳体之间布置冷却剂旁通通道，通过该通道冷却剂可以直接从冷却剂入口流到冷却剂出口。在此，冷却剂入口位于第二管座的区域中，而冷却剂出口布置在第一管座的区域中，以便壳体中的冷却剂相对于管中或者扁平管中的废气以逆流流动。另外，冷却剂旁通通道至少部分地被嵌件阻塞，该嵌件具体将冷却剂流朝向第一管座引导并通过第一管座，因此使第一管座得到冷却并尤其降低了那里的局部沸腾的风险。因此，嵌件承担了引导废气热交换器内的冷却剂的功能，并因此不仅可以使第一管座，尤其是第一管座有沸腾风险的区域得到最佳的冷却，而且同时也可以改善通过管束中各个管之间的中间空间的流，由此废气热交换器的热量传递和性能能够得到整体提高。冷却剂流的这种特定引导例如通过以下方式实现：嵌件的形状与管的外周契合，以便在管和嵌件之间形成冷却剂通道，该嵌件的横截面基本上对应于两个相邻管之间的冷却剂通道的横截面。因此外管和嵌件之间的距离优选地对应于两个相邻管之间的距离。在嵌件的两个纵向端，嵌件的金属部分的阶梯状汇入半圆形，该半圆形能够被设计为例如卡圈，且与壳体的内周互补，以便嵌件能够经由该卡圈与壳体接合。中间部分的阶梯形状和卡圈之间的过渡具有倾斜表面，该倾斜表面不会或几乎不会阻碍冷却剂流，并因此不会产生任何或几乎不会产生压力损失。根据本发明的嵌件布置在邻近于第一管座并且在那里与壳体的内侧接合。通过在根据本发明的圆形管状壳体中布置有管束和嵌件以及在废气热交换器中逆流互连，实现对管以及以上所有气体入口管座，即第一管座的最佳冷却，因此能够显著降低废气热交换器的沸腾风险。这意味着因此需要较少的冷却剂就可避免沸腾，其结果是，能够改善冷却剂泵的性能并最终降低机动车辆的燃料消耗。
通过改进对第一管座的冷却，与常规的系统相比，根据本发明的废气热交换器的热疲劳强度得到提高，并同时无需昂贵设计的元件，例如铸环通道或其他附加组件。与常规的平行流废气热交换器相比，冷却剂入口或冷却剂出口，即布置在那里的冷却剂入口或冷却剂出口连接器的几何形状能够自由选择，只要不小于限定的开口横截面即可。尤其地，能够省略用于冷却剂传导而精心设计的集成引导件，并采用成本高效的标准组件，例如圆板连接器。
在根据本发明的解决方案的有利的进一步改进中，嵌件是被焊接、锡焊或旋拧到壳体的。甚至该非结论性列举示出了嵌件或其与壳体连接的多种可以实现的实施方式。显然，理论上也可以设想压接或粘合。
在根据本发明的解决方案的另一有利改进中，嵌件的轴向长度相当于管的轴向长度的至少33％，因此能够确保将足够量的冷却剂引导入管束中，从而在各个管之间能够对其进行冷却。因为嵌件在较短或狭窄的情况下，存在冷却剂在实际管之间流动不足而通过冷却剂旁通通道的冷却剂过多的风险，因此在某些情况下，冷却剂在管的区域中可能出现沸腾。为此，选择本发明嵌件的长度时，使其达到管束的位置，在该位置中热传递管或废气导管的壁温不再达到沸腾临界值，即低于冷却剂沸腾的温度。通过嵌件的形状或构造，可以特别限定多少冷却剂将流过管束，即各个管之间，以及多少冷却剂将流过管与壳体之间的对应的冷却剂旁通通道。特别优化的冷却剂流动传导是可以同时在各个管之间以及在第一管座和冷却剂旁通通道的区域中通过嵌件的轴向长度来实现，该轴向长度相当于管长度的大约三分之一。
在根据本发明的解决方案的有利的进一步改进中，第一管座上的嵌件阻塞了布置在冷却剂出口连接器的区域中的冷却剂旁通通道，并打开位于对侧的冷却剂旁通通道，因此，冷却剂横向于废气流方向溢出、尤其是均匀地溢出第一管座，因此能够对在第一管座的区域中有沸腾风险的地方进行显著更好的冷却。通过这种方式，根据本发明的废气热交换器的沸腾风险也能够明显降低，这意味着可使用更少的冷却剂以避免沸腾，因此改善冷却剂泵的性能并最终降低机动车的燃料消耗。另外，能够通过改善第一管座的冷却来增加热疲劳强度。
在根据本发明的解决方案的有利的进一步改进中，嵌件由壁厚dI为0.3mm<dI<0.8mm的深冲金属板制成。显然，可以设想替代物为塑料，尤其是作为注塑成型件，或者其他材料，例如金属铸件，其中特别地，具有深冲板的型式构成了特别优选的实施例。
在另一有利的实施例中，壳体由金属板制成，该金属板具有壁厚dG为1.0mm<dG<1.5mm。通过根据本发明的圆柱形壳体，相对薄的壁厚且因此相对低重量的废气热交换器是可以实现的，该壳体具有极高的压力稳定性，并且其中壳体通过对带状材料的模压或焊接不仅可以非常经济地制造，而且可以在宽的长度范围内灵活选择。壳体的圆柱形形状在压力稳定性方面是特别有利的，尤其是与矩形或多边形的壳体横截面相比，其中不需要额外的增加壳体强度的加强筋或类似物。
本发明的其他重要特征和优点可以从以下权利要求、附图以及借助附图的相关附图描述中获得。
应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述提及的特征与仍将在下文中解释的特征，不仅可以在所述的相应组合中使用，而且可以在其他组合中使用或者单独使用。
在附图中示出了本发明的优选示例性实施例，并且在下面的描述中对其进行更详细地说明，其中相同的附图标记涉及相同、相似或功能相同的组件。
在此分别示意性地：
图1示出根据本发明的废气热交换器的视图，
图2示出废气热交换器的打开的壳体的视图，
图3、图4分别示出从不同视角的插入壳体的嵌件，
图5示出通过根据本发明的废气热交换器的纵向截面图，
图6示出在嵌件的区域中通过根据本发明的废气热交换器的横截面图。
根据图1，根据本发明的废气热交换器1包括壳体2(也参见图2、图5以及图6)，其中布置了具有废气导管4(参见图6)的管束。管4在入口侧被保持在第一管座5中(见图5)并且在出口侧被保持在第二管座6中。在管4内，废气朝向第二管座6方向流动。壳体还包括冷却剂入口8和冷却剂出口9，该壳体包围管束3，并且在端面处由两个管座5、6界定。根据本发明，管束3在此具有阶梯状的外周，如图6所示，并且壳体2具有圆形横截面，以便在管束3和壳体2之间布置冷却剂旁通通道10。冷却剂入口8布置在第二管座6的区域中，而冷却剂出口9布置在第一管座5的区域中(也参见图5)，以便壳体2中的冷却剂相对于管4中的废气流7以逆流流动。冷却剂旁通通道10至少部分地被嵌件11阻塞，该嵌件具体将冷却剂流14朝向第一管座5，尤其朝向有沸腾风险的区域引导。
在图6中，被嵌件11阻塞的冷却剂旁通通道用附图标记10'标记。此外，嵌件11被设计为使得其具体在管束3的管4之间引导冷却剂流14，并因此可以特别有效地对管4进行冷却，从而实现有效的热交换。这是通过以下方式实现：如图2至5所示，嵌件11具有C形横截面，其具有在纵向端侧上布置的卡圈13和中间部分12，该卡圈被设计为与壳体2的内周互补，嵌件11经由该卡圈13平靠于壳体2或能够例如通过粘合、焊接、锡焊、压接或旋拧与壳体平面连接。如图6所示，中间部分12具有与管束3的外周互补形成的形状，以便嵌件11的中间部分12在该区域中以形状配合的方式包围管束3。根据图2，冷却剂首先经由冷却剂入口8流入壳体2，在壳体中，冷却剂在第二管座6的区域中偏转，然后流过管束3中的各个管4之间的中间空间，同时也流过冷却剂旁通通道10。在管4长度的大约2/3之后，冷却剂流14撞击到嵌件11，该嵌件用其卡圈13阻塞了那里的冷却剂旁通通道10'，随后引导冷却剂流14仅经由壳体2的与冷却剂入口8和冷却剂出口9相对的冷却剂旁通通道10，并通过各个管4之间的各通道。通过这种方式，冷却剂流14在仍然开放的冷却剂旁通通道10的区域中更强，并且在到达第一管座5时，被迫沿第一管座横向于方向7朝向冷却剂出口9流动，因此，特别是在第一管座5上的尤其有沸腾风险的区域，冷却剂在壳体2的与冷却剂出口9相对的位置上特别有利地溢出，并因此防止沸腾。因此，根据本发明的废气热交换器1的温度疲劳强度能够得到尤其显著地提高。
嵌件11本身在对应的卡圈13和中间部分12之间的过渡处具有斜面15，该斜面不会或仅不显著地阻碍冷却剂流，并因此不会产生任何或仅产生轻微的压力损失。
根据本发明的嵌件11能够制造为壁厚dI为0.3mm<dI<0.8mm的深冲金属板件，或替代地也可为注塑成型件或为金属铸件。通过这种方式，可以进行成本相对经济且高质量的制造。壳体2本身能够被制造为壁厚dG为1.0mm<dG<1.5mm的成型且纵向焊接的金属板件，其中由于压力稳定的壳体2，使用较薄的壁厚是可以实现的。通过沿着焊缝16焊接的成型的壳体2(参见图6)，能够相对容易且灵活地制造不同长度的壳体2。管4优选被设计为扁平管，并且能够额外地具有增加热交换的轮廓，例如翼片、翅片或湍流嵌件。
再次参见图6，能够看到嵌件11和相邻管4之间的通道17在尺寸上与各个管之间的通道17'相同，因此能够确保特别均匀的流。
利用根据本发明的废气热交换器1，能够相对容易且有效地防止第一管座5的区域中的冷却剂沸腾，因此根据本发明的废气热交换器1的热疲劳强度和性能能够得到提高。冷却剂入口8和冷却剂出口9中的开口能够例如通过简单的激光切割方法制造。由于壳体2是圆柱形的，因此能够额外地插入经济有效的散流器18(参见图1)，该散流器能够尤其被设计为相同的部件。在图1中，还示出了通风口19。尤其是由于压力稳定的圆柱形壳体2，能够尤其省去迄今为止必需的例如夹具之类的加固元件。
Claims (7)
1.一种废气热交换器(1)，包括：
-管束(3)，其具有平行的废气导管(4)，所述废气导管(4)在入口侧被保持在第一管座(5)中并且在出口侧被保持在第二管座(6)中，
-冷却剂流过的壳体(2)，所述壳体包围管束(3)，在端面处由第一管座(5)和第二管座(6)界定，并且包括冷却剂入口(8)和冷却剂出口(9)，
-其中，所述管束(3)具有阶梯状的外周，并且所述壳体具有圆形横截面，以便在管束(3)和壳体(2)之间布置冷却剂旁通通道(10)，
-其中，所述冷却剂入口(8)布置在第二管座(6)的区域中，并且冷却剂出口(9)布置在第一管座(5)的区域中，以便壳体(2)中的冷却剂相对于废气导管(4)中的废气以逆流流动，
-其中，所述冷却剂旁通通道至少部分地被嵌件(11)阻塞，所述嵌件具体将冷却剂流(14)朝向第一管座(5)并且在废气导管(4)之间引导，并冷却所述第一管座(5)和所述废气导管(4)；
其特征在于，
所述嵌件(11)具有C形横截面，并且具有在其纵向端侧上布置的卡圈(13)和中间部分(12)，所述卡圈被设计为与壳体(2)的内周互补，所述嵌件(11)经由所述卡圈平靠于所述壳体(2)或者能够通过粘合、焊接、锡焊、压接或旋拧与壳体平面连接。
2.根据权利要求1所述的废气热交换器，其特征在于，
-所述嵌件(11)由壁厚dI为0.3mm<dI<0.8mm的深冲金属板制成，或
-所述嵌件(11)形成为金属铸件或注塑成型件。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的废气热交换器，其特征在于，
所述嵌件(11)的轴向长度相当于废气导管(4)的轴向长度的至少33％。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的废气热交换器，其特征在于，
所述嵌件(11)阻塞了布置在冷却剂出口(9)的区域中的冷却剂旁通通道，并且使位于对侧的冷却剂旁通通道(10)保持打开，因此冷却剂横向于废气流方向(7)溢出第一管座(5)。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的废气热交换器，其特征在于，
所述壳体(2)由壁厚为dG为1.0mm＜dG＜1.5mm的金属板制成。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的废气热交换器，其特征在于，
所述嵌件(11)以形状配合方式间隔开地包围管束(3)，其中，所述嵌件(11)和管束(3)之间的距离与管束(3)的两个废气导管(4)之间的距离相对应。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的废气热交换器，其特征在于，
所述废气导管(4)形成为扁平管。
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