EP2851646A2 - Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

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EP2851646A2
EP2851646A2 EP20140193543 EP14193543A EP2851646A2 EP 2851646 A2 EP2851646 A2 EP 2851646A2 EP 20140193543 EP20140193543 EP 20140193543 EP 14193543 A EP14193543 A EP 14193543A EP 2851646 A2 EP2851646 A2 EP 2851646A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
steel
exchanger according
ferritic
ferritic steel
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EP2851646B1 (de
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Grünenwald Bernd
Wolfgang KNÖDLER
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication of EP2851646A3 publication Critical patent/EP2851646A3/de
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Heat exchangers for cooling recirculated exhaust gas are known from the prior art.
  • exhaust gas cooling involves the problem of the high chemical aggressiveness of the exhaust gas and of the low pH of its condensates.
  • only exhaust gas heat exchangers made of austenitic steels with high corrosion resistance existed so far.
  • Such steels generate high material costs and often further follow-up costs due to the more complex machining operations.
  • austenitic steels are usually poor heat conductors, so that heat exchangers of a given cooling capacity build relatively large and heavy.
  • the regularly better thermal performance of ferritic steels is used to a particular extent compared to austenitic steels in that the ferritic part of the heat exchanger is in contact with the fluid. Due to the higher thermal conductivity of the ferritic steel thus a total of a small-sized, material, weight and cost-saving design of a heat exchanger for exhaust gas cooling is possible.
  • the fluid is particularly preferably a recirculated exhaust gas or exhaust gas / air mixture of the internal combustion engine, the fluid temperature in the first connection region being more than 300 ° C., in particular more than 500 ° C., under normal operation. As a result, the risk of condensation of acidic condensate from the exhaust gas in the region of the entire heat exchanger is reduced.
  • the ferritic part of the heat exchanger essentially corresponds to the first connection region and is welded to the exchanger region.
  • the temperatures are particularly high, which is why ferritic steels can be used relatively easily.
  • ferritic steels usually have a lower coefficient of thermal expansion than austenitic steels, which is why the combination of a ferritic connection region with a subsequent austenitic exchange region is particularly favorable in terms of strain-induced material stresses.
  • the first connection region preferably has a widening of a passage cross-section in the direction of the exchanger region.
  • an adjustable flap can be arranged in the connection region. By way of example, a distribution of the exhaust gas to a cooled region or a bypass channel can take place through the flap.
  • the exchanger region has a plurality of exchanger tubes. Tube coolers are mechanically very stable and are particularly suitable in connection with a liquid coolant.
  • the exchanger region expediently has an exchanger housing through which the liquid coolant can flow. Since the exchanger housing is not regularly in contact with the exhaust gas, it is particularly appropriate that the exchanger housing is made of ferritic steel, since even in the event of rust through, no liquid coolant gets into the combustion chambers of the engine.
  • a further part of the heat exchanger consists of a further ferritic steel.
  • ferritic steels with different corrosion resistance and mechanical properties, which is reflected regularly in the material price.
  • the various parts of a heat exchanger may consist of different ferritic steels to optimize costs.
  • the heat exchanger comprises a plurality of disc-like interconnected disc elements.
  • a heat exchanger is particularly suitable as exhaust gas heat exchanger.
  • a Berippungselement is arranged between the disc elements, which consists of the ferritic steel. Due to the type of construction, corrosion of the ribbing elements does not regularly entail the risk of a breakthrough of coolant into the fluid area, which would otherwise lead to engine damage due to water hammer. Therefore, in particular separable applicable Berippungsetti for training of ferritic steel are particularly predestined.
  • Such a ribbing element can be arranged in the fluid to be cooled and / or in the coolant. If a ribbing element in both the Fluid is arranged as well as in the coolant, so these Berippungsetti differ regularly in their training.
  • a housing which surrounds the disk elements and which consists of the ferritic steel is particularly preferably provided.
  • a high-life corrosion of the housing would not lead to a connection between the coolant and the exhaust gas, whereby the risk of engine damage is reduced.
  • Such a housing is a component of considerable size, in which considerable costs can be saved by using ferritic steel.
  • the disk elements may also preferably be made of ferritic steel, which serves for the heat conduction and thus the overall heat exchanger performance for a given size.
  • another part of the heat exchanger is made of an austenitic steel, whereby a material with a high corrosion resistance is used at least at critical points.
  • the austenitic steel is preferably a steel from the group 1.4301 and 1.4404. These material designations comply with the standard DIN EN 100 88-2, to which reference is made for all the numbered material designations mentioned in the context of the present invention.
  • the part made of ferritic steel with the part made of austenitic steel is directly bonded together by welding or soldering.
  • a material connection in particular by a direct or autogenous welding or by a soldering, a particularly secure connection is ensured.
  • at least the preferred for the heat exchanger ferritic and austenitic steels are usually easily cohesively connected to one another, in particular weldable or soldered or glued.
  • the ferritic steel is preferably a steel from the group 1.4006 and 1.4016. With relatively low requirements for corrosion resistance, the ferritic steel may preferably be a steel from the group 1.1169, 1.0461, 1.0462 and 1.0463, which are low alloy steels and fine grain steels. Suitable higher alloyed ferritic steels with at least 12% Cr content are preferably from the group 1.4000, 1.4002, 1.4006 and 1.4113. Higher alloyed and stabilized steels (with titanium and niobium) are preferred from the group 1.4509, 1.4513, 1.4512 and 1.4520.
  • the coolant is gaseous, in particular air.
  • Such exchangers do not harbor the risk of water hammering in the event of corrosion and have particularly high requirements with regard to the heat conduction of the materials in order to achieve a suitable cooling performance.
  • the use of ferritic steels is suitable.
  • a heat exchanger according to the invention can be arranged in a low-pressure branch after an exhaust gas turbine (low-pressure EGR). In this arrangement occur lower mechanical loads and temperature differences.
  • heat exchangers can also be arranged in a high-pressure branch in front of an exhaust gas turbine.
  • the fluid is a particular recirculated exhaust gas or exhaust-air mixture of the internal combustion engine, wherein the fluid temperature in the section in the usual mode of operation is more than 300 ° C, in particular more than 500 ° C.
  • the first connection region has a widening of a passage cross-section in the direction of the exchanger region.
  • an adjustable flap is arranged in the connection area.
  • the exchanger area has a plurality of exchanger tubes.
  • the exchanger region has an exchanger housing through which the coolant can flow.
  • the Berippungselement is arranged in the fluid to be cooled.
  • the austenitic steel is a steel from the group 1.4301 and 1.4404, designations according to DIN EN 100 88-2.
  • the coolant is gaseous, in particular air.
  • the heat exchanger is arranged in a low pressure branch after an exhaust gas turbine.
  • the heat exchanger is arranged in a high-pressure branch in front of an exhaust gas turbine.
  • the exhaust gas heat exchanger after Fig. 1 is built on the principle of a tube bundle exchanger. He has a first connection area 1 to the feeder of the exhaust gas (or exhaust-air mixture), an exchanger region 2, in which the main part of the heat exchange takes place, and a second connection region 3 for the discharge of the exhaust gas.
  • a controllable by means of an actuator 4 via a mechanism 5 adjustable flap 6 is rotatably supported, by means of which the exhaust gas flow between a bypass channel 7 and a bundle of heat exchanger tubes 8 can be deflected adjustable.
  • the bypass channel 7 and the exchanger tubes 8 are welded together by means of head elements 9, wherein in addition by a housing shell 10 by welding with the head elements 9 a through-flow of liquid coolant exchanger housing is formed.
  • a housing shell 10 by welding with the head elements 9 a through-flow of liquid coolant exchanger housing is formed.
  • two connecting pieces 11 are provided for the passage of the liquid coolant through the exchanger housing.
  • At least the first connection region 1, which consists of a widening in the direction of the exchanger area 2 housing consists of a ferritic steel, in particular the steel 1.4006 according to DIN EN 100 27-2.
  • the housing shell 10 made of this steel.
  • the exchanger tubes 8, the head elements 9 as well as the second connection region 3 may consist of a ferritic steel. Due to the higher risk of condensation in the relatively cool region of the gas outlet, the second connection region 3 is preferably made of a ferritic steel of stainless and stabilized quality, in particular 1.4512 or 1.4509.
  • the exchanger tubes 8 and / or the bypass channel 7 and / or the head elements 9 are in the case in which they are made of ferritic steel, preferably made of stainless and stabilized quality (in particular 1.4512 and / or 1.4509).
  • external attachment parts such as holding plates, etc.
  • the heat exchanger of the second embodiment is designed as a disk heat exchanger.
  • an outer housing 101 which has a first connection region 102 for connecting a feed for the exhaust gas and a second connection region 103 for connecting a discharge for the exhaust gas, a number of disk elements 104 are arranged.
  • the housing 101 also includes a cover 105, on which there are connections 106, 107 for connection of supply lines and discharges of a coolant.
  • the disk elements 104 and areas of the housing 101 and cover 105 together form the exchanger area of the heat exchanger.
  • Each of the disk elements 104 is constructed from two disks 104a, 104b, wherein a ribbing element 108 is provided between the disk 104a, 104b.
  • the respective upper disk 104a has a nozzle-like bulge 104c, which adjoins the edge of an opening in the lower disk of the subsequent disk element.
  • the individual sockets 104c of the disk elements are aligned with each other and with the terminals 106, 107 of the lid 105.
  • the disk element 104 farthest from the cover has a lower disk 104b which has no apertures.
  • the coolant flows in each of the disc elements between the one, the port 106 associated with the nozzle, and the other, the port 107 associated nozzle.
  • the ribbing 108 around which the coolant flows ensures additionally improved heat exchange between the coolant and the discs, in particular turbulence of the coolant being generated.
  • the intermediate space between two adjacent disk elements 104 is open in each case to the terminal areas 102, 103 of the housing 101 of the heat exchanger at the front side of the disk elements.
  • the exhaust gas flows through these intermediate spaces, wherein it is cooled at the large area cooled by the coolant disc elements 104.
  • the longitudinal edge regions 104d of the disk elements 104 are bent over and lie partially flat against the inner wall of the housing 101 (see in particular FIG Fig. 3 ).
  • the largest possible possible welding or soldering of the disk elements 104 with the inner wall of the housing 101 so that the housing 101 experiences a sufficient cooling performance.
  • the housing 101 is made of a ferritic steel. It may in particular be a cost-effective steel such as e.g. 1.1169, 1.0461, 1.0462 and 1.0463. In the case of corrosion of the housing part 101, there would be no leakage of liquid coolant into the exhaust gas, which is why the use of the cheaper material is made possible here in the interest of a cost-risk assessment.
  • the disk stack 104 and also the lid 105 may consist of a ferritic steel. Since these elements provide a separation between the exhaust gas and the liquid coolant, the ferritic steel is preferably a particularly corrosion-resistant grade, such as 1.4000, 1.4002 or 1.4113 or even a high-grade ferritic steel such as 1.4513 or 1.4520.
  • ribbing elements 109 can be arranged between the disc elements 104, which are surrounded by the exhaust gas and thus provide an enlarged exchanger surface.
  • These ribs 109 may be made of ferritic steel.

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Abstract

Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen ersten Anschlussbereich (1, 102) zur Zuführung eines zu kühlenden Fluids, wobei das Fluid zumindest anteilig aus Abgas des Verbrennungsmotors besteht, einen zweiten Anschlußbereich (3, 103) zur Abführung des Fluids, und einen bezüglich einem Strömungsweg des Fluids zwischen erstem und zweitem Anschlussbereich angeordneten Tauscherbereich (2, 101, 104, 105), wobei der Tauscherbereich (2, 101, 104, 105) von einem Kühlmittel umströmbar ist, und wobei zumindest ein Teil des Wärmetauschers aus ferritischem Stahl besteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Wärmetauscher zur Kühlung von rückgeführtem Abgas bekannt. Allgemein besteht bei der Abgaskühlung die Problematik der hohen chemischen Aggressivität des Abgases sowie des niedrigen pH-Wertes seiner Kondensate. Aus diesem Grund existierten bisher ausschließlich Abgaswärmetauscher, die aus austenitischen Stählen mit hoher Korrosionsbeständigkeit hergestellt wurden. Solche Stähle erzeugen hohe Materialkosten und häufig weitere Folgekosten aufgrund der aufwändigeren Bearbeitungsgänge. Zudem sind austenitische Stähle meist schlechte Wärmeleiter, so dass Wärmetauscher einer vorgegebenen Kühlleistung relativ groß und schwer bauen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zur Kühlung von Abgas oder Abgas- Luft-Gemisch eines Verbrennungsmotors anzugeben, der zu geringen Kosten herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass zumindest ein Teil des Wärmetauschers aus ferritischen Stahl besteht, können aufgrund der zumeist niedrigeren Preise für diese Stähle Kosten gespart werden.
  • In bevorzugter Ausführung wird die regelmäßig bessere Wärmeleistung von ferritischen Stählen im Vergleich zu austenitischen Stählen in besonderem Maße dadurch genutzt, dass der ferritische Teil des Wärmetauschers mit dem Fluid in Berührung steht. Durch die höhere Wärmeleitfähigkeit des ferritischen Stahls ist somit insgesamt eine kleinbauende, material-, gewichts- und kostensparende Ausführung eines Wärmetauschers zur Abgaskühlung ermöglicht.
  • Besonders bevorzugt ist das Fluid ein insbesondere rückgeführtes Abgas oder Abgas- Luft-Gemisch des Verbrennungsmotors, wobei die Fluidtemperatur in dem ersten Anschlussbereich bei üblicher Betriebsweise mehr als 300 °C, insbesondere mehr als 500 °C beträgt. Hierdurch ist die Gefahr einer Kondensation von saurem Kondensat aus dem Abgas im Bereich des gesamten Wärmetauschers verringert.
  • In einer bevorzugten Ausführung entspricht der ferritische Teil des Wärmetauschers im wesentlichen dem ersten Anschlussbereich und ist mit dem Tauscherbereich verschweißt. Gerade im ersten Anschlussbereich sind die Temperaturen besonders hoch, weshalb ferritische Stähle relativ problemlos eingesetzt werden können. Zudem haben ferritische Stähle zumeist einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als austenitische Stähle, weswegen die Kombination eines ferritischen Anschlussbereiches mit einem nachfolgenden austenitischen Tauscherbereich im Hinblick auf dehnungsbedingte Materialspannungen besonders günstig ist. Insbesondere in diesem Zusammenhang hat der erste Anschlussbereich bevorzugt eine Aufweitung eines Durchtrittsquerschnitts in Richtung des Tauscherbereichs. Weiterhin bevorzugt kann in dem Anschlussbereich eine stellbare Klappe angeordnet sein. Durch die Klappe kann beispielsweise eine Verteilung des Abgases auf einen gekühlten Bereich oder einen Bypasskanal erfolgen.
  • In weiterhin bevorzugter Ausführung hat der Tauscherbereich eine Mehrzahl von Tauscherrohren. Rohrkühler sind mechanisch sehr stabil und bieten sich insbesondere in Verbindung mit einem flüssigen Kühlmittel an. Hierzu hat der Tauscherbereich zweckmäßig ein von dem flüssigen Kühlmittel durchströhmbares Tauschergehäuse. Da das Tauschergehäuse regelmäßig nicht mit dem Abgas in Berührung steht, bietet es sich besonders an, dass das Tauschergehäuse aus dem ferritischen Stahl besteht, da selbst im Falle einer Durchrostung kein flüssiges Kühlmittel in die Verbrennungsräume des Motors gerät.
  • Zur Verbesserung einer Wärmetauscherleistung können vorteilhaft die Tauscherrohre aus dem ferritischen Stahl bestehen, da dieses Material eine gute Wärmeleitung hat.
  • Insbesondere vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass ein weiterer Teil des Wärmetauschers aus einem weiteren ferritischen Stahl besteht. Es gibt ferritische Stähle mit unterschiedlichen Korrosionsbeständigkeiten und mechanischen Eigenschaften, was sich regelmäßig im Materialpreis niederschlägt. Je nachdem, in wieweit das betreffende Teil des Wärmetauschers der Korrosion ausgesetzt ist oder an einer Wärmeleitung beteiligt ist können die verschiedenen Teile eines Wärmetauschers zur Optimierung der Kosten aus verschiedenen ferritischen Stählen bestehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher eine Mehrzahl von stapelartig miteinander verbundenen Scheibenelementen. Ein solcher Wärmetauscher ist auf besonders günstige Weise als Abgaswärmetauscher geeignet. Vorteilhaft ist dabei zwischen den Scheibenelementen ein Berippungselement angeordnet, das aus dem ferritischen Stahl besteht. Eine Korrosion der Berippungselemente bringt aufgrund der Bauart regelmäßig nicht die Gefahr eines Durchbruchs von Kühlflüssigkeit in den Fluidbereich mit sich, was sonst zu Motorschäden durch Wasserschlag führen würde. Daher sind insbesondere separiert einsetzbare Berippungselemente zur Ausbildung aus ferritischen Stahl besonders prädestiniert. Ein solches Berippungselement kann in dem zu kühlenden Fluid und/oder in dem Kühlmittel angeordnet sein. Wenn ein Berippungselement sowohl in den Fluid als auch in dem Kühlmittel angeordnet ist, so unterscheiden sich diese Berippungselemente regelmäßig in ihrer Ausbildung.
  • Besonders bevorzugt ist dabei ein die Scheibenelemente umfangendes Gehäuse vorgesehen, welches aus dem ferritischen Stahl besteht. Eine durch hohe Lebensdauer bedingte Korrosion des Gehäuses würde nicht zu einer Verbindung zwischen Kühlmittel und Abgas führen, wodurch die Gefahr eines Motorschadens verringert ist. Ein solches Gehäuse stellt ein Bauteil von erheblicher Größe dar, bei dem durch Verwendung von ferritischem Stahl erhebliche Kosten gespart werden können. Bei Verwendung eines ausreichend korrosionsfesten ferritischen Stahls können jedoch auch bevorzugt die Scheibenelemente aus ferritischen Stahl bestehen, was der Wärmeleitung und somit der Gesamttauscherleistung bei gegebener Baugröße dient.
  • Allgemein bevorzugt besteht ein weiterer Teil des Wärmetauschers aus einem austenitischen Stahl, wodurch ein Material mit einer hohen Korrosionsfestigkeit zumindest an kritischen Stellen eingesetzt wird. Der austenitische Stahl ist bevorzugt ein Stahl aus der Gruppe 1.4301 und 1.4404. Diese Werkstoffbezeichnungen entsprechen der Norm DIN EN 100 88-2, auf die für sämtliche im Rahmen der vorliegenden Erfindung genannten nummerierten Werkstoffbezeichnungen Bezug genommen ist.
  • Besonders bevorzugt ist der Teil aus ferritischem Stahl mit dem Teil aus austenitischem Stahl unmittelbar miteinander stoffschlüssig verbunden durch Schweißen oder Löten. Durch eine solche stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine unmittelbare oder autogene Verschweißung oder durch eine Verlötung, ist eine besonders sichere Verbindung gewährleistet. Versuche haben ergeben, dass zumindest die für den Wärmetauscherbau bevorzugten ferritischen und austenitischen Stähle im Regelfall problemlos miteinander stoffschlüssig verbindbar, insbesondere verschweißbar oder verlötbar oder verklebbar sind.
  • Bevorzugt ist der ferritische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4006 und 1.4016. Bei relativ geringen Anforderungen an die Korrosionsfestigkeit kann der ferritische Stahl bevorzugt ein Stahl aus der Gruppe 1.1169, 1.0461, 1.0462 und 1.0463 sein, wobei es sich um niedrig legierte Stähle und Feinkornstähle handelt. Geeignete höher legierte ferritische Stähle mit mindestens 12% Cr- Gehalt sind bevorzugt aus der Gruppe 1.4000, 1.4002, 1.4006 und 1.4113. Höher legierte und stabilisierte Stähle (mit Titan und Niob) sind bevorzugt aus der Gruppe 1.4509, 1.4513, 1.4512 und 1.4520.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Wärmetauscher ist das Kühlmittel gasförmig, insbesondere Luft. Solche Tauscher beherbergen bei Korrosion nicht die Gefahr eines Wasserschlags und haben hinsichtlich der Wärmeleitung der Materialien zur Erzielung einer geeigneten Kühlleistung besonders hohe Anforderungen. Somit ist die Verwendung von ferritischen Stählen geeignet.
  • Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann in einem Niederdruck-Zweig nach einer Abgasturbine angeordnet sein (Niederdruck-AGR). In dieser Anordnung treten geringere mechanische Belastungen und Temperaturdifferenzen auf. Alternativ kann Wärmetauscher aber auch in einem Hochdruck-Zweig vor einer Abgasturbine angeordnet sein.
  • Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Vorteilhaft ist, dass das Fluid ein insbesondere rückgeführtes Abgas oder Abgas-Luft-Gemisch des Verbrennungsmotors ist, wobei die Fluidtemperatur in dem Abschnitt in üblicher Betriebsweise mehr als 300 °C, insbesondere mehr als 500 °C beträgt.
  • Vorteilhaft ist, dass der erste Anschlussbereich eine Aufweitung eines Durchtrittsquerschnitts in Richtung des Tauscherbereichs aufweist.
  • Vorteilhaft ist, dass in dem Anschlussbereich eine stellbare Klappe angeordnet ist.
  • Vorteilhaft ist, dass der Tauscherbereich eine Mehrzahl von Tauscherrohren aufweist.
  • Vorteilhaft ist, dass der Tauscherbereich ein von dem Kühlmittel durchströmbares Tauschergehäuse aufweist.
  • Vorteilhaft ist, dass das Berippungselement in dem zu kühlenden Fluid angeordnet ist.
  • Vorteilhaft ist, dass das Berippungselement in dem Kühlmittel angeordnet ist.
  • Vorteilhaft ist, dass der austenitische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4301 und 1.4404, Bezeichnungen nach DIN EN 100 88-2, ist.
  • Vorteilhaft ist, dass das Kühlmittel gasförmig, insbesondere Luft ist.
  • Vorteilhaft ist, dass der Wärmetauscher in einem Niederdruck-Zweig nach einer Abgasturbine angeordnet ist.
  • Vorteilhaft ist, dass der Wärmetauscher in einem Hochdruck-Zweig vor einer Abgasturbine angeordnet ist.
  • Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine räumliche, teilweise aufgeschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
    Fig. 2
    zeigt eine räumliche Explosionsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers.
    Fig. 3
    zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen fertig montierten Wärmetauscher nach Fig. 2.
  • Der Abgas-Wärmetauscher nach Fig. 1 ist nach dem Prinzip eines Rohrbündeltauschers aufgebaut. Er hat einen ersten Anschlussbereich 1 zur Zuführung des Abgases (bzw. Abgas-Luft-Gemisches), einen Tauscherbereich 2, in dem der Hauptteil der Wärmetauschung stattfindet und einen zweiten Anschlussbereich 3 zur Abführung des Abgases. Im ersten Anschlussbereich 1 ist eine mittels eines Aktuators 4 über eine Mechanik 5 antreibbare Stellklappe 6 drehbar gelagert, mittels der der Abgasstrom zwischen einem Bypasskanal 7 und einem Bündel aus Wärmetauscherrohren 8 einstellbar umgelenkt werden kann.
  • Der Bypasskanal 7 und die Tauscherrohre 8 sind mittels Kopfelementen 9 miteinander verschweißt, wobei zudem durch einen ein Gehäusemantel 10 durch Verschweißung mit den Kopfelementen 9 ein von flüssigem Kühlmittel durchströmbares Tauschergehäuse ausbildet ist. An dem Gehäusemantel 10 sind zwei Anschlussstutzen 11 zur Durchleitung des flüssigen Kühlmittels durch das Tauschergehäuse vorgesehen.
  • Bei dem beschriebenen Wärmetauscher besteht zumindest der erste Anschlussbereich 1, welcher aus einem sich in Richtung des Tauscherbereichs 2 erweiternden Gehäuse besteht, aus einem ferritischen Stahl, insbesondere dem Stahl 1.4006 nach DIN EN 100 27-2. Zweckmäßig besteht zudem der Gehäusemantel 10 aus diesem Stahl.
  • Je nach Temperaturbereich des Abgasstroms, wobei dieser unter anderem davon abhängen kann, ob der Kühler in einem Niederdruck- oder Hochdruck- Abgasrückführsystem eingesetzt ist, können zudem die Tauscherrohre 8, die Kopfelemente 9 sowie auch der zweite Anschlussbereich 3 aus einem ferritischen Stahl bestehen. Aufgrund der höheren Kondensationsgefahr im relativ kühlen Bereich des Gasaustritts ist der zweite Anschlussbereich 3 bevorzugt aus einem ferritischen Stahl von nichtrostender und stabilisierter Qualität, insbesondere 1.4512 oder 1.4509, hergestellt. Die Tauscherrohre 8 und/oder der Bypasskanal 7 und/oder die Kopfelemente 9 sind in dem Fall, in dem sie aus ferritischen Stahl bestehen, bevorzugt aus nichtrostender und stabilisierter Qualität hergestellt (insbesondere 1.4512 und/oder 1.4509).
  • Zur Kostenersparnis können insbesondere äußere Anbauteile wie etwa Haltebleche etc. aus ferritischem Stahl bestehen, insbesondere aus 1.1169, 1.0461, 1.0462 oder 1.0463.
  • Der Wärmetauscher des zweiten Ausführungsbeispiels (Fig. 2) ist als Scheiben-Wärmetauscher ausgebildet. In einem äußeren Gehäuse 101, welches einen ersten Anschlussbereich 102 zum Anschluss einer Zuführung für das Abgas und einen zweiten Anschlussbereich 103 zum Anschluss einer Abführung für das Abgas aufweist ist eine Anzahl von Scheibenelementen 104 angeordnet. Das Gehäuse 101 umfasst zudem einen Abschlussdeckel 105, an dem Anschlüsse 106, 107 zum Anschluss von Zuleitungen und Ableitungen eines Kühlmittels vorhanden sind. Die Scheibenelemente 104 sowie Bereiche des Gehäuses 101 und Deckels 105 bilden gemeinsam den Tauscherbereich des Wärmetauschers aus.
  • Jedes der Scheibenelemente 104 ist aus zwei Scheiben 104a, 104b aufgebaut, wobei zwischen den Scheibe 104a, 104b ein Berippungselement 108 vorgesehen ist. Die jeweils obere Scheibe 104a hat eine stutzenartige Aufwölbung 104c, welche an den Rand einer Durchbrechung der unteren Scheibe des nachfolgenden Scheibenelements anschließt. Die einzelnen Stutzen 104c der Scheibenelemente fluchten miteinander und mit den Anschlüssen 106, 107 des Deckels 105. Das dem Deckel am weitesten entfernte Scheibenelement 104 hat eine untere Scheibe 104b, die keine Durchbrechungen aufweist. Auf diese Weise ist durch die Menge der Zwischenräume zwischen jeweils oberer Scheibe 104a und unterer Scheibe 104b insgesamt ein von dem flüssigen Kühlmittel durchfließbarer Hohlraum ausgebildet, wobei randseitige Begrenzungen der Hohlräume durch Verschweißung der umgebogenen Ränder 104d der Scheiben 104a, 104b miteinander gebildet sind.
  • Das Kühlmittel fließt in jedem der Scheibenelemente zwischen dem einen, dem Anschluss 106 zugeordneten Stutzen, und dem anderen, dem Anschluss 107 zugeordneten Stutzen. Die von dem Kühlmittel umströmte Berippung 108 sorgt dabei für einen zusätzlich verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und den Scheiben, wobei insbesondere Turbulenzen des Kühlmittels erzeugt werden.
  • Der vor allem durch die Höhe der Stutzen 104c definierte Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Scheibenelementen 104 ist jeweils stirnseitig der Scheibenelemente zu den Anschlussbereichen 102, 103 des Gehäuses 101 des Wärmetauschers offen. Das Abgas durchströmt diese Zwischenräume, wobei es an den Großflächigen durch das Kühlmittel gekühlten Scheibenelementen 104 abgekühlt wird.
  • Zur mechanischen Stabilisierung sowie zur Kühlung des Gehäuses 101 sind die längsseitigen Randbereiche 104d der Scheibenelemente 104 umgebogen und liegen bereichsweise flächig an der Innenwand des Gehäuses 101 an (siehe insbesondere Fig. 3). Insbesondere liegt eine möglichst flächige Verschweißung oder Verlötung der Scheibenelemente 104 mit der Innenwand des Gehäuses 101 vor, so dass das Gehäuse 101 eine ausreichende Kühlleistung erfährt.
  • Bevorzugt ist das Gehäuse 101 aus einem ferritischen Stahl hergestellt. Es kann sich insbesondere um einen kostengünstigen Stahl wie z.B. 1.1169, 1.0461, 1.0462 und 1.0463 handeln. Bei Korrosion des Gehäuseteils 101 würde kein Austritt von flüssigem Kühlmittel in das Abgas erfolgen, weswegen hier im Interesse einer Kosten-Risiko-Abwägung die Verwendung des preiswerteren Materials ermöglicht ist.
  • Zur Verbesserung der Tauscherleistung, somit auch zur Verkleinerung der Baugröße bei vorgegebener Tauscherleistung, kann der Scheibenstapel 104 und auch der Deckel 105 aus einem ferritischen Stahl bestehen. Da durch diese Elemente eine Trennung zwischen Abgas und flüssigem Kühlmittel gegeben ist, ist der ferritische Stahl bevorzugt eine besonders korrosionsbeständige Sorte, etwa 1.4000, 1.4002 oder 1.4113 oder auch ein hochwertiger ferritischer Stahl wie 1.4513 oder 1.4520.
  • Wie Fig. 3 zeigt können auch Berippungselemente 109 zwischen den Scheibenelementen 104 angeordnet sein, die von dem Abgas umströmt sind und somit eine vergrößerte Tauscherfläche bereitstellen. Auch diese Berippungselemente 109 können aus ferritischem Stahl bestehen sein.

Claims (15)

  1. Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen ersten Anschlussbereich (1, 102) zur Zuführung eines zu kühlenden Fluids, wobei das Fluid zumindest anteilig aus Abgas des Verbrennungsmotors besteht,
    einen zweiten Anschlußbereich (3, 103) zur Abführung des Fluids, und
    einen bezüglich einem Strömungsweg des Fluids zwischen erstem und zweitem Anschlussbereich angeordneten Tauscherbereich (2, 101, 104, 105),
    wobei der Tauscherbereich (2, 101, 104, 105) von einem Kühlmittel umströmbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein Teil des Wärmetauschers aus ferritischem Stahl besteht.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Teil mit dem Fluid in Berührung steht.
  3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Teil des Wärmetauschers im wesentlichen dem ersten Anschlussbereich (1, 102) entspricht und mit dem Tauscherbereich (2, 101, 104, 105) stoffschlüssig verbindbar, insbesondere verschweißbar, verlötbar, verklebbar usw., ist.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauschergehäuse (10, 101) zumindest teilweise aus dem ferritischen Stahl besteht.
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (8) aus dem ferritischen Stahl bestehen.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des Wärmetauschers aus einem weiteren ferritischen Stahl besteht.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine Mehrzahl von stapelartig miteinander verbundenen Scheibenelementen (104) umfasst.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Scheibenelementen (104) ein Berippungselement (108, 109) zur Vergrößerung eines thermischen Kontakts angeordnet ist, wobei das Berippungselement (108, 109) aus dem ferritischen Stahl besteht.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Scheibenelemente (104) umfangendes Gehäuse (101) vorgesehen ist, welches aus dem ferritischem Stahl besteht.
  10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des Wärmetauschers aus einem austenitischen Stahl besteht.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil aus ferritischem Stahl und der Teil aus austenitischem Stahl unmittelbar miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt, verlötet, verklebt usw., sind.
  12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4006 und 1.4016 ist.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.1169, 1.0461, 1.0462 und 1.0463 ist.
  14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4000, 1.4002 und 1.4113 ist.
  15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferritische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4513 und 1.4520 ist.
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