DE102005061197A1

DE102005061197A1 - Abgaswärmetauscher

Info

Publication number: DE102005061197A1
Application number: DE102005061197A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.rer.nat. Downar; Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Tobias Dr.-Ing. Lux; Wolfgang Dr.-Ing. Pellkofer; Heiko Dipl.-Ing. Wader
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgaswärmetauscher (2) mit mindestens einem ein Gehäuse (4) aufweisenden Abgaswärmetauscher (2), in dem zahlreiche Gaskanäle (3) zur Zirkulation von Kühlmittel vorgesehen sind und die von Abgas umströmt bzw. durchströmt werden. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle derart auszubilden und anzuordnen, dass die Kühlerversottung weit möglichst ausgeschaltet wird. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass die Innenoberfläche (5) des Gehäuses (4) und/oder zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle (3) mit mindestens einer die Kühlerversottung durch Abgas verhindernden Schicht versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher mit mindestens einem Gehäuse, in dem zahlreiche Gaskanäle vorgesehen sind, die von Abgas kontaktiert bzw. durchströmt und die von Kühlmittel kontaktiert bzw. umströmt werden.

Es ist bereits bei Kraftfahrzeugen allgemein bekannt die Wandungen der Gaskanäle des Abgaswärmetauschers eines Abgaswärmetauschers aus Edelstahl herzustellen, um eine Korrosion zu verhindern. Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Dieselmotoren führt der bei der Verbrennung entstehende Ruß in Verbindung mit organischen und weiteren Bestandteilen des Abgases zu Ablagerungen im Abgasstrang. Diese Ablagerungen führen insbesondere in der Abgasrückführung zu verschiedenen Problemen. Im Abgas-Abgaswärmetauscher wird die Kühlleistung stark vermindert, sodass die Austrittstemperatur gegenüber dem Neuzustand bis zu 80°C höher liegen kann. Um eine Abnahme der Kühlleistung über der Zeit zu verhindern, müssen die gasführenden Rohre angepasst bzw. in größerer Länge ausgeführt werden. Hierdurch steigt die Baugröße und der gasseitige Druckverlust. Im Ladeluftrohr führen die Ablagerungen ferner zu einer Verschlechterung der Strömungsverhältnisse und dadurch auch zur Verschlechterung des Gas-Durchsatzes. Beim Abgasrückführventil können Funktionsstörungen auftreten. Die Gaseintrittstemperatur liegt zwischen ca. 500°C und 700°C. Bei den niedrigen Wandtemperaturen im und hinter dem Abgaswärmetauscher des Abgaswärmetauschers ist eine katalytische Umsetzung der anhaftenden Abgasbestandteile aus dem Abgas nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom Abgas kontaktierte, durch- oder umströmte Innenoberfläche der Gaskanäle derart auszubilden und anzuordnen, dass die Kühlerversottung weit möglichst ausgeschaltet wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Innenoberfläche des Gehäuses und/oder zumindest die vom Abgas kontaktierte bzw. durch- oder umströmte Innenoberfläche der Gaskanäle mit mindestens einer die Kühlerversottung durch Abgas verhindernden Schicht versehen ist. Hierdurch wird eine Verringerung der Versottung der Gaskanäle mit den im Abgas enthaltenen Bestandteilen erreicht.

Eine auf den Bauteilen aufgebrachte Beschichtung mit niedriger Innenoberflächenenergie, vor allem mit niedriger Grenzflächenenergie, führt zur Herabsetzung der Anhaftung von Kondensaten und somit zur Verringerung der Versottung innerhalb des Abgaswärmetauschers. Durch die Strömung des Abgases werden die angelagerten Bestandteile weitertransportiert ohne sich dauerhaft auf den Bauteilen abscheiden zu können. Die Beschichtung wird bevorzugt mit Hilfe des Tauchverfahrens auf der Oberfläche der Bleche des Abgaswärmetauschers und der Rohre aufgebracht und anschließend hei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Ventile und Klappen können durch Tauchen oder Spritzen ebenfalls beschichtet und ebenfalls anschließend ausgehärtet werden. Durch die vorteilhafte Beschichtung kann die Kühlleistung wesentlich verbessert werden. Ferner wird hierdurch ein Zuwachsen der Gaskanäle verhindert, sodass die Baugröße des Abgaswärmetauschers reduziert werden kann.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle mit einem Lack beschichtet wird, der die Oberflächenenergie für Anhaftungen verringert. Hierzu sind insbesondere Nanolacke geeignet, die eine Oberfläche mit Mikrorauigkeit aufweisen. Besonders wirksam sind dabei mikroraue Nanolacke die einen Lotus-Effekt hervorrufen.

Hierdurch ist auch eine vereinfachte Auslegung des Abgaswärmetauschers möglich.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle derart geglättet ist, dass die im Abgas enthaltenen Bestandteile oder Rückstände nicht an der Innenoberfläche haften bleiben. Auch hierdurch kann die Lebensdauer des Abgaswärmetauschers erhöht werden.

Die Beschichtungen und Nanolacke enthalten bevorzugt Polymere mit polyflourierten Kohlenwasserstoffen, Siloxanen und/oder Silanen. Hierbei sind unter anderem PTFE oder PVDF geeignet.

Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle zusätzlich oder alternativ zur Beschichtung eine katalytische Beschichtung aufweist. Die Katalytische Beschichtung ist so ausgelegt, dass eine Umsetzung von Kohlenstoff in flüchtige Stoffe erfolgt.

Hierbei können unterschiedlichste bekannte Oxidationskatalysatoren eingesetzt werden. Geeignete katalytische Beschichtungen sind beispielsweise in der Ofenindustrie bekannt, wo insbesondere bereits bei niedrigen Temperaturen um 250 bis 500°C katalytische Oxidation stattfindet.

Besonders vorteilhaft sind dabei Beschichtungen aus Nanolack mit Lotus-Effekt, wobei zumindest ein Anteil der Nanopartikel als Oxidationskatalysator wirkt.

Neben der Verringerung der Gaserversottung wird die Lebensdauer des Abgaswärmetauschers erhöht und ein geringeres Gesamtgewicht erzielt.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle eine Einglättungsschicht aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass die Beschichtung zumindest teilweise über Gasphasenabscheidung, insbesondere PVD erfolgt. PVD-Bschichtung und Nanolack-Beschichtung können kombiniert werden.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle aus einer oder mehreren Schichten gebildet ist, wobei zumindest die äußere Schicht aus einem Nanolack besteht. Ferner kann durch die vorteilhafte Beschichtung auch der Kraftstoffverbrauch vermindert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.

Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Abgaswärmetauschers,
2 einen Längsschnitt durch den Abgaswärmetauscher des Abgaswärmetauschers entlang der Linie 1-1 gemäß 1,
3 graphische Darstellung der Versottungsneigung und den Wärmeübergang des Abgaswärmetauschers.
Der in 1 dargestellte Abgaswärmetauscher 2 stellt eine Einbauversion dar und kann beispielsweise bei Dieselmotoren eingesetzt werden. Er weist unter anderem einen Abgaskrümmer 6 auf, an den sich ein elektrischer Steller 7 zur Steuerung eines nachgeschalteten Klappenventils 8 anschließt. Das aus der Verbrennungskraftmaschine strömende Abgas fließt über das Klappenventil 8 in einen Krümmer 10 und dann in ein Gehäuse 4 des Abgaswärmetauschers 2. Der elektrische Steller 7, der durch die Abgase sehr stark aufgeheizt wird, kann über eine Kühlmittelleitung 9 mit Kühlmittel versorgt und auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden.
Der Abgaswärmetauscher 2 weist mindestens ein Gehäuse 4 auf, in dem gemäß 2 zahlreiche Gaskanäle 3 zur Zirkulation von Gas vorgesehen sind und die von Kühlmittel umströmt werden.
In 3 ist die Versottungsneigung des Abgaswärmetauschers 2 mit Hilfe einer durchgezogenen Linie dargestellt, wobei die y-Koordinate die Abgastemperatur anzeigt während die x-Koordinate die Baulänge bzw. das Abkühlverhalten des Abgaswärmetauschers wiedergibt. Ohne Beschichtung der Innenoberflächen der Wände des Abgaswärmetauschers und der Innenoberfläche der Gaskanäle 3 tritt eine höhere Versottung des Abgaswärmetauschers ein. Dadurch steigt nach einer bestimmten Standzeit die Abgastemperatur an der Austrittseite des Wärmetauschers 2 an, sodass zur Erreichung der gewünschten Temperatur am Gasaustritt die Baulänge des Abgaswärmetauschers erhöht werden muss.
Die längere der Kühldauer ist in 3 durch die beiden Kurvenpunkte L₁ und L₂ gekennzeichnet. Mit einer Beschichtung der einzelnen Flächen innerhalb des Abgaswärmetauschers 2 und der Gaskanäle 3 lässt sich die Baulänge des Abgaswärmetauschers 2 bis zu 60% verringern, sodass hierdurch neben der Reduzierung der Kühldauer auch Materialkosten eingespart werden können.
Hierzu ist die Innenoberfläche 5 der Gaskanäle 3 mit mindestens einer die Kühlerversottung durch Abgas verhindernden Schicht versehen. Es können unterschiedliche Schichten oder auch Mehrfachschichten auf die Innenoberflächen der Gaskanäle 3 aufgebracht werden. Die Innenoberflächen des Abgaswärmetauschers 2 und der Gaskanäle 3 können mit einem Nanolack beschichtet werden.
Die auf Bauteile aufgebrachte Beschichtung soll eine niedrige Oberflächenenergie, vor allem eine niedrige Grenzflächenenergie aufweisen, damit die Adhäsionskräfte vermindert werden und somit die im Abgas vorhandenen Rußbestandteile sich weniger oder gar nicht auf den Innenoberflächen des Abgaswärmetauschers 2 und der Gaskanäle 3 ablagern können, sondern durch die Abgase weitertransportiert werden.
Die Beschichtung der Innenoberflächen kann im Tauchverfahren oder Spritzverfahren erfolgen.

2: Abgaswärmetauscher
3: Gaskanal
4: Gehäuse
5: Innenoberfläche des Gaskanals
6: Abgaskrümmer
7: elektrischer Steller
8: Klappenventil
9: Kühlmittelleitung bzw. Kühlmittelrücklauf
10: Krümmer

Claims

Abgaswärmetauscher (2) mit mindestens einem Gehäuse (4), in dem zahlreiche Gaskanäle (3) vorgesehen sind, die von Abgas kontaktiert bzw. durchströmt und die von Kühlmittel kontaktiert bzw. umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche (5) des Gehäuses (4) und/oder zumindest die vom Abgas kontaktierte bzw. durch- oder umströmte Innenoberfläche der Gaskanäle (3) mit mindestens einer die Kühlerversottung durch Abgas verhindernden Schicht versehen ist.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche (5) der Gaskanäle (3) mit einem Nanolack beschichtet ist.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle (3) derart geglättet ist, dass die im Abgas enthaltenen Bestandteile oder Rückstände nicht an der Innenoberfläche haften bleiben.
Abgaswärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche der Gaskanäle (3) eine Beschichtung mit Mikrorauigkeit aufweist die einen Lotus-Effekt hervorruft.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche (5) der Gaskanäle (3) zumindest teilweise eine katalytisch aktive Beschichtung aufweist, die eine Umsetzung von Kohlenstoff in flüchtige Stoffe bewirkt.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche (5) der Gaskanäle (3) eine Einglättungsschicht aufweist.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nanolack Anteile aus PTFEs und/oder PVDF aufweist.
Abgaswärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die vom Abgas kontaktierte Innenoberfläche (5) der Gaskanäle (3) aus einer oder mehreren Schichten gebildet ist, wobei zumindest die äußere Schicht beziehungsweise Deckschicht aus einem Nanolack besteht.