DE102007018822A1

DE102007018822A1 - Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit EGR-Kühler

Info

Publication number: DE102007018822A1
Application number: DE102007018822A
Authority: DE
Inventors: Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-10-23

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Abgassystem (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit einer Abgasrückführleitung (3), wobei die Abgasrückführleitung (3) einen Wärmeübertrager (6, 8) aufweist, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Wärmeübertrager (6, 8) zumindest teilweise aus einem ferritischen Stahl ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmeübertragers (6, 8) aus einem ferritischen Stahl erlaubt eine kostengünstige Ausbildung des Kühlers in der Abgasrückführleitung (3), die jedoch trotzdem eine hohe Korrosionsfestigkeit insbesondere gegenüber Kondenswasser und Ähnlichem aufweist. Durch die vorliegende Erfindung können Abgassysteme (1) zur Verfügung gestellt werden, die preiswert die Durchführung einer Kühlung des durch die Abgasrückführleitung (3) geführten Abgases erlauben. Dies führt in vorteilhafter Weise zur Reduktion der Stickoxidemission insbesondere von Dieselmotoren.

Description

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführleitung (Exhaust Gas Return, EGR, Abgasrückführung), die einen Wärmeübertrager zur Kühlung des rückgeführten Abgases aufweist. Bevorzugtes Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Aufbereitung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen in mobilen Anwendungen wie insbesondere Kraftfahrzeugen.
Um die in vielen Ländern der Welt vorgegebenen gesetzlichen Grenzwerte für bestimmte unerwünschte Komponenten des Abgases einhalten zu können, sind eine Vielzahl von verschiedenen Abgasnachbehandlungsmaßnahmen möglich und notwendig. Insbesondere bei Dieselmotoren ist es oftmals notwendig, einerseits eine Abgasrückführung vorzusehen, bei der zumindest ein Teil des Abgases des Dieselmotors wieder in diesen zurückgeführt wird und gleichzeitig zur Verminderung der Stickoxidemissionen dafür zu sorgen, dass dieses Abgas nicht zu heiß in den Dieselmotor zurückströmt. Dies würde zu erhöhten Stickoxidemissionen führen.
Dies wird durch Ausbildung von sogenannten EGR-Kühlern erreicht, die eine Kühlung des rückgeführten Abgasstroms vornehmen. Diese EGR-Kühler sind korrosionsanfällig, da insbesondere Kondenswasser zu Korrosion dieser Kühler führen kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Abgassystem vorzuschlagen, bei denen eine Abgasrückführung mit entsprechender Kühlung vorgesehen ist, wobei der entsprechende EGR-Kühler preiswert und korrosionsfest ausgeführt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Abgassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine weist eine Abgasrückführleitung auf, die eine Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine mit einer Luftzuleitung der Verbrennungskraftmaschine verbindet. Die Abgasrückführleitung weist einen Wärmeübertrager auf, der zumindest teilweise aus einem ferritischen Stahl ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der insbesondere die mit rückzuführenden Abgas in Kontakt stehenden Flächen zur Korrosionsverhinderung zumindest teilweise aus einem ferritischen Stahl ausgebildet sind, insbesondere eine ferritische Beschichtung aufweisen. Unter einem ferritischen Stahl wird insbesondere ein Werkstoff verstanden, der Eisen, bis zu 1,2 Gew.-% Kohlenstoff (C) und mindestens 10,5% Gew.-% Chrom (Cr) sowie gegebenenfalls Titan (Si), Silicium (Si) oder Niob (Nb) umfasst.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Ausgestaltung des Wärmetauschers aus mindestens einem der folgenden Werkstoffe:

a) 1.4767;
b) 1.4725;
c) Aluminumchromstähle;
d) 1.4509; und
e) Aluminium

Die oben bezeichneten Stähle werden nach der DIN EN 10088 bezeichnet. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei dem der Werkstoff einen ferritischen Stahl 1.4509 nach DIN EN 10088 umfasst. Hierunter wird insbesondere ein ferritischer Stahl mit etwa 0,03 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 17,5 bis 18,5 Gew.-% Chrom, maximal 1 Gew.-% Silizium und Niob verstanden. Unter dem Werkstoff 1.4767 wird hier insbesondere ein ferritischer Stahl verstanden, der etwa 5 Gew.-% Aluminium, etwa 20 Gew.-% Chrom umfasst. Unter dem Werkstoff 1.4725 wird insbesondere ein ferritischer Stahl verstanden, der etwa 4 Gew.-% Aluminium und 14 Gew.-% oder mehr Chrom umfasst. Weiterhin ist eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der der Werkstoff einen ferritischen Stahl 1.4765 umfasst. Hierunter wird insbesondere ein ferritischer Stahl verstanden, der etwa 5 Gew.-% Aluminium und etwa 25 Gew.-% Chrom umfasst. Bevorzugt wird der ferritische Werkstoff mit Aluminium plattiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems umfasst der Wärmeübertrager zumindest in einem Teilbereich ein Kühlelement.
Unter einem Kühlelement wird hier insbesondere ein Element verstanden, welches Wärme an Kühlluft abgeben kann. Bevorzugt können hierbei sogenannte Kühlrippen oder ähnliches ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgassystems weist der Wärmeübertrager zumindest in mindestens einem Teilbereich einen Wärmetauscher mit mindestens einem Strömungspfad für ein Kühlmedium auf.
Hier erfolgt also die Kühlung des Abgases durch einen Wärmeübergang auf ein Kühlmedium, welches in einem sogenannten Sekundärkreislauf strömt. Als Kühlmedium ist hier insbesondere Wasser einsetzbar, wobei jedoch auch andere übliche Kühlmedien zum Einsatz kommen können. Bevorzugt wird das Kühlmedium in einem geschlossenen Kreislauf betrieben, besonders bevorzugt durch eine Pumpe oder einen Kompressor umgewälzt. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die entnommene Wärme zum Heizen anderer Bauteile oder beispielsweise auch der Fahrgastzelle Verwendung finden. Insbesondere können hier im Kühlmittelkreislauf weitere Wärmetauscher zur Abgabe der Wärme an anderen Medien wie beispielsweise an in den Fahrgastinnenraum strömende Luft ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers vorgeschlagen, insbesondere zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Abgassystem, bei dem der Wärmeübertrager aus einem metallischen Werkstoff aufgebaut ist, wobei der metallische Werkstoff nach einem der folgenden Verfahren ausgebildet wird:

a) Ausbilden des Wärmeübertragers aus einem unlegierten Grundstahl, insbesondere aus einem Stahl 1.0037, und anschließendes flächiges Plattieren mit einem ferritischen Edelstahl, insbesondere mit einem Stahl 1.4767, 1.4725 und/oder 1.4509; oder
b) Ausbilden des Wärmeübertragers aus einer Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumanteil von weniger als 2 Gew.-% und anschließender Beschichtung mit einem Aluminiumhaltigen Material, insbesondere mit Aluminium, und anschließender thermischer Homogenisierung.

Bei Variante a) des Verfahrens wird unter einem Stahl 1.0037 ein entsprechender Stahl nach DIN EN 10088. Unter einem unlegierten Grundstahl wird hier insbesondere ein Stahl verstanden, der bis zu 1,6 Gew.-% Mangan, bis zu 0,5 Gew.-% Silizium, bis zu 0,1 Gew.-% Aluminium, bis zu 0,05 Gew.-% Titan, bis zu 0m4 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,3 Gew.-% Nickel und bis zu 0,3 Gew.-% Chrom umfasst. Unter einer thermischen Homogenisierung wird insbesondere eine Aufheizung auf mehr als 800°C verstanden. Die thermische Homogenisierung kann Teil eines Lötvorgangs sein. Insbesondere werden diejenigen Flächen, die mit korrosi ven Gasen in Kontakt kommen können, mit dem ferritischen Edelstahl gemäß Variante a) oder dem Aluminiumhaltigen Material beschichtet.
Bevorzugt wird der Wärmeübertrager gelötet (brazed), insbesondere vakuumverlötet. Hierbei kann es insbesondere zur Diffusion von oberflächlich aufgetragenem Aluminium in das Grundmaterial hinein kommen. Bevorzugt wird eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf der Oberfläche des Wärmeübertragers vor Inbetriebnahme erzeugt.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile sind auf das erfindungsgemäße Abgassystem anwend- und übertragbar und umgekehrt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf die dort gezeigten Details und Vorteile beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems und
2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems.
1 zeigt schematisch ein Abgassystem 1 einer Verbrennungskraftmaschine 2. Das Abgassystem 1 umfasst eine Abgasrückführleitung 3, die eine Abgasleitung 4 der Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer Luftzuleitung 5 der Verbrennungskraftmaschine 2 verbindet. Es sind Mittel ausgebildet, mit denen der Abgasstrom, der durch die Abgasrückführleitung 3 strömt, regelbar sind. Diese sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet, genauso wenig wie weitere Abgasaufbereitungskomponenten, die in der Abgasrückführleitung 3, der Abgasleitung 4 und/oder der Luftzuleitung 5 ausgebildet sein können. Die Abgasrückführleitung 3 weist einen in Form eines Kühlelementes 6 ausgebildeten Wärmeübertrager auf. Mittels dieses Wärmeübertragers ist das durch die Abgasrückführleitung 3 strömende Abgas kühlbar. Im Falle des hier vorliegenden Kühlelementes 6 erfolgt die Kühlung durch Kühlluft 7. Das durch die Abgasrückführleitung 3 strömende Abgas kann über einen Schaft 12 mit einer Turbine 11 verbundenen Turbolader 13 komprimiert werden.
2 zeigt schematisch das zweite Ausführungsbeispiel als erfindungsgemäßes Abgassystems 1. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier als Wärmeübertrager ein Wärmetauscher 8 ausgebildet. Der Wärmetauscher 8 weist mindestens einen Strömungspfad 9 für ein Kühlmedium, bevorzugt Wasser oder ein anderes Kühlmedium, auf. Der Strömungspfad 9 bildet einen geschlossenen Kühlkreislauf 10, in dem weiterhin eine Pumpe 14 ausgebildet ist, mittels dem das Kühlmedium umwälzbar ist.
Erfindungsgemäß sind das Kühlelement 6 und der Wärmetauscher 8 aus einem ferritischen Stahl ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmeübertragers 6, 8 aus einem ferritischen Stahl erlaubt eine kostengünstige Ausbildung des Kühlers in der Abgasrückführleitung 3, die jedoch trotzdem eine hohe Korrosionsfestigkeit insbesondere gegenüber Kondenswasser und Ähnlichem aufweist. Durch die vorliegende Erfindung können Abgassysteme 1 zur Verfügung gestellt werden, die preiswert die Durchführung einer Kühlung des durch die Abgasrückführleitung 3 geführten Abgases erlauben. Dies führt in vorteilhafter Weise zur Reduktion der Stickoxidemission insbesondere von Dieselmotoren.

1: Abgassystem
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Abgasrückführleitung
4: Abgasleitung
5: Luftzuleitung
6: Kühlelement
7: Kühlluft
8: Wärmetauscher
9: Strömungspfad
10: Kühlkreislauf
11: Turbine
12: Schaft
13: Turbolader
14: Pumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN 10088 [0009]
- DIN EN 10088 [0009]
- DIN EN 10088 [0015]

Claims

Abgassystem (1) einer Verbrennungskraftmaschine (2) mit einer Abgasrückführleitung (3), wobei die Abgasrückführleitung (3) einen Wärmeübertrager (6, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (6, 8) zumindest teilweise aus einem ferritischen Stahl ausgebildet ist.
Abgassystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der ferritische Stahl mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: a) 1.4767; b) 1.4725; c) Aluminium-Chrom-Stähle; d) 1.4509; und e) Aluminium.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (6, 8) zumindest in mindestens einem Teilbereich ein Kühlelement (6) umfasst.
Abgassystem (1) nach Anspruch 3, bei dem das Kühlelement (6) durch Luft (7) kühlbar ist.
Abgassystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (6, 8) zumindest in mindestens einem Teilbereich einen Wärmetauscher (8) mit mindestens einem Strömungspfad (9) für ein Kühlmedium aufweist.
Abgassystem (1) nach Anspruch 5, bei dem ein geschlossener Kreislauf (10) mit einem Kühlmedium ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (6, 8), insbesondere zum Einsatz in einem Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (6, 8) aus einem metallischen Werkstoff aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff nach einem der folgenden Verfahren ausgebildet wird: a) Ausbilden des Wärmeübertragers (6, 8) aus einem unlegierten Grundstahl, insbesondere aus einem Stahl 1.0037, und anschließendes flächiges Plattieren mit einem ferritischen Edelstahl, insbesondere mit einem Stahl 1.4767, 1.4725 und/oder 1.4509; oder b) Ausbilden des Wärmeübertragers aus einer Eisen-Chrom-Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumanteil von weniger als 2 Gew.-% und anschließender Beschichtung mit einem Aluminiumhaltigen Material, insbesondere mit Aluminium, und anschließender thermischer Homogenisierung.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Wärmeübertrager (6, 8) gelötet wird.