WO2009033883A1 - Vorrichtung mit einem gelöteten wärmetauscher für eine verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung mit einem gelöteten wärmetauscher für eine verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2009033883A1
WO2009033883A1 PCT/EP2008/060010 EP2008060010W WO2009033883A1 WO 2009033883 A1 WO2009033883 A1 WO 2009033883A1 EP 2008060010 W EP2008060010 W EP 2008060010W WO 2009033883 A1 WO2009033883 A1 WO 2009033883A1
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nickel
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Rolf BRÜCK
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    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the present invention relates to a device with an internal combustion engine and an exhaust system, via which the exhaust gas generated in the internal combustion engine is discharged purified to the environment.
  • the invention is preferably used in the automotive sector.
  • oxidatively active catalyst support bodies which comprise noble metals on a particularly fissured surface, for example washcoat.
  • platinum, rhodium and the like are used as catalysts.
  • poisoning is understood in particular to mean that the catalyst undergoes a chemical reaction with foreign substances from the exhaust gas, so that ultimately the catalytic active coating is at least partially destroyed, but it is also possible that this covers the catalytically active coating by foreign substances from the exhaust gas.
  • a device is to be specified which prevents premature poisoning of a catalytically active coating in the exhaust system of a combustion. engine and thus maintains the effectiveness of the exhaust system longer.
  • the device according to the invention comprises a soldered heat exchanger which is connected to the exhaust system by means of an internal combustion engine with an exhaust gas system and which is positioned outside the exhaust system, the heat exchanger having a solder connection which is made with a nickel base solder.
  • a corresponding cooling is essential for both the diesel and the gasoline engine. Therefore, such internal combustion engines are regularly equipped with a cooling system, via which the internal combustion engine is brought into contact with a coolant, which absorbs the heat generated there and finally dissipates.
  • a further cooling medium such as air and / or water, to extract the heat from the coolant for the internal combustion engine.
  • a heat exchanger outside the exhaust system.
  • the exhaust gas system essentially comprises all lines through which exhaust gas is routed to the exhaust aftertreatment units as intended, and thus finally into the environment, or via a so-called exhaust gas recirculation line, back into the combustion chamber.
  • the heat exchanger which is addressed here, it is so far in particular not a so-called exhaust gas heat exchanger, which is at least partially flowed through by the exhaust gas.
  • the heat exchanger addressed here is, in particular, a heat exchanger for a liquid, in particular water or oil, which is in communication with the internal combustion engine "fluid-technically".
  • the heat exchanger referred to here nevertheless communicates with the exhaust system "fluidly" via the internal combustion engine This means, in particular, that the heat exchanger is filled with a coolant, which is finally supplied to internal regions of the internal combustion engine and there, for example via seals It is then that there is a risk that the coolant will also be burned and thus its combustion products ultimately form components of the exhaust gas.
  • the heat exchanger according to the invention generally comprises a plurality of components soldered to one another, wherein, in particular, the coolant for the internal combustion engine also flows along these connection points or solder joints. This is basically and just at the beginning of the use of such a heat exchanger allows components of the solder joints in the coolant to pass and eventually ignite an undesirable effect in the exhaust system. To prevent this, a nickel-based solder is proposed here.
  • the solder which in principle can be applied as solder paste, solder foil, tapes or with other special techniques, has a predominant nickel content and can additionally be supplemented with at least one of the following elements: molybdenum, silicon, boron, phosphorus, chromium, Iron, cobalt, manganese, niobium, zirconium, titanium.
  • the nickel-based solder is copper-free, which means that copper shares are permitted at most in the range of conventional impurities.
  • a device in which the heat exchanger is connected to a cooling circuit of the internal combustion engine so that it can be flowed through by the coolant.
  • the heat exchanger is used for heat transfer from the coolant, which has absorbed heat from the internal combustion engine, to a further cooling medium, for example water and / or air.
  • a coolant for the internal combustion engine in particular oil or a similar liquid is used.
  • Such a heat exchanger regularly comprises a plurality of at least partially structured metallic layers, which are composed, for example, in the manner of a honeycomb structure.
  • a - Layers for example metallic plates, are soldered at least partially at their points of contact and / or with an outer frame.
  • steel plates for example, aluminum-containing metal layers come into consideration here.
  • Separate channels for two different fluids are then formed between these layers, for example for oil on the one hand and water / air on the other hand.
  • the solder joints between the individual plates also clothe the channels for the coolant with.
  • the exhaust system comprises at least one catalyst carrier body in an exhaust pipe downstream of the internal combustion engine.
  • a soldered with a nickel-based solder heat exchanger for the internal combustion engine thus provides a protective measure for the here present catalyst carrier body in the exhaust pipe. Since in the heat exchanger on a nickel-based solder is used, premature poisoning of the catalyst Carrier body having, for example, a coating initially mentioned, can be effectively avoided.
  • the use of a nickel-based solder for an oil cooler of a motor vehicle is concretely proposed.
  • the use of a soldered with nickel-based solder oil cooler for a motor vehicle is proposed in practice. Incidentally, reference is made here to the above explanations.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention in an overview
  • Fig. 2 shows a variant of a heat exchanger
  • Fig. 3 shows a detail of a heat exchanger with a solder joint.
  • FIG. 1 shows schematically a device 1, which is part of a motor vehicle 12.
  • the motor vehicle 12 comprises an internal combustion engine 2 with a plurality of combustion chambers 16, in which the fuel is burned.
  • the exhaust gas produced in this way is subsequently discharged into the nearer surroundings via the exhaust gas line 10 and the catalyst carrier body 9 of the exhaust gas system 3.
  • the internal combustion engine 2 in this case has a cooling circuit 7, wherein a coolant 8 on the one hand with the internal combustion engine 2 and on the other hand with the (external) heat exchanger 4 (via lines not shown fluidly) in contact.
  • the illustrated here heat exchanger 4 is formed as an oil cooler 11.
  • a variant of such a heat exchanger 4 is now shown. This is constructed with a plurality of structured sheets 13 and smooth sheets 14 forming channels 15 therebetween.
  • the coolant 8 and a further cooling medium for example air and / or water
  • a separate inlet and outlet as illustrated with the different colored arrows.
  • FIG. 3 A detail of a (different) heat exchanger 4 can be seen from FIG. 3. There, it is illustrated that the smooth metal sheet 14 and structured metal sheet 13 together form a solder joint 5. According to the invention, a nickel base solder 6 is provided here. This avoids that the coolant, which flows past the sheets shown here and thus also at the solder joint 5, absorbs solids which lead to a poisoning of the catalyst carrier body 9 in the exhaust gas system 3 of the device 1. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

Vorrichtung (1) umfassend einen fluidtechnisch über eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (3) in Verbindung stehenden gelöteten Wärmetauscher (4), der außerhalb des Abgassystems (3) positioniert ist, wobei der Wärmetauscher (4) eine Lötverbindung (5) aufweist, die mit einem Nickel-Basis-Lot (6) ausgeführt ist. Weiter wird die Verwendung eines Nickel-Basis-Lotes (6) für einen Ölkühler (11) eines Kraftfahrzeuges (12) vorgeschlagen.

Description

Vorrichtung mit einem gelöteten Wärmetauscher für eine Verbrennungskraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Abgassystem, über das das in der Verbrennungskraftmaschine erzeugte Abgas gereinigt an die Umgebung abgegeben wird. Die Erfindung findet bevorzugt Anwendung im Automobil-Bereich.
Die Abgassysteme mobiler Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Ottomotoren und Dieselmotoren, weisen regelmäßig eine Abgasnachbehandlungseinheit mit einer katalytisch aktiven Beschichtung auf. So sind insbesondere oxi- dativ wirkende Katalysator-Trägerkörper bekannt, die Edelmetalle auf einer besonders zerklüfteten Oberfläche, zum Beispiel Washcoat, umfassen. Als Katalysa- toren werden dabei insbesondere Platin, Rhodium und dergleichen eingesetzt.
Gerade beim Einsatz eines solchen Katalysator-Trägerkörpers in neu produzierten Fahrzeugen konnte teilweise eine besonders schnell einsetzende Effektivitätsminderung des Katalysator-Trägerkörpers festgestellt werden. Insbesondere wurde festgestellt, dass eine Vergiftung des Katalysators stattfand. Unter einer „Vergiftung" wird insbesondere verstanden, dass der Katalysator eine chemische Reaktion mit Fremdstoffen aus dem Abgas eingeht, so dass letztendlich die katalytische aktive Beschichtung zumindest teilweise zerstört wird. Es ist aber auch möglich, dass dies ein Abdecken der katalytisch aktiven Beschichtung durch Fremdstoffe aus dem Abgas umfasst.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zu lindern, bzw. zu lösen. Insbesondere soll dabei eine Vorrichtung angegeben werden, welche ein frühzeitiges Vergiften einer katalytisch aktiven Beschichtung im Abgassystem einer Verbren- nungskraftmaschine vermeidet und somit die Effektivität des Abgassystems länger aufrechterhält.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Verwendung, wie sie im Patentanspruch 4 beschrieben ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können, und weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen. Die nachfolgende Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und weist auf zusätzliche, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung hin.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen fluidtechnisch über eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgassystem in Verbindung stehenden gelöteten Wärmetauscher, der außerhalb des Abgassystems positioniert ist, wobei der Wärmetauscher eine Lötverbindung aufweist, die mit ein Nickel-Basis-Lot ausgeführt ist.
Um die thermische Belastung einer Verbrennungskraftmaschine und derer Bauteile wie Kolben mit Kolbenringen, Zylinderkopf, Ventile mit Führungen, Zylinderkerzen und Zylinder durch die Verbrennung in Grenzen zu halten, ist eine entsprechende Kühlung sowohl beim Diesel- wie auch beim Ottomotor unabdingbar. Deshalb sind solche Verbrennungskraftmaschinen regelmäßig mit einem Kühlsys- tem ausgestattet, über welches die Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlmittel in Kontakt gebracht wird, welches die dort erzeugte Wärme aufnimmt und schließlich abführt. Um diesem Kühlmittel wiederum die Wärme zu entziehen, ist wenigstens ein Wärmetauscher vorgesehen, der mit einem weiteren Kühlmedium, wie zum Beispiel Luft und/oder Wasser betrieben wird, um dem Kühlmittel für die Verbrennungskraftmaschine die Wärme zu entziehen. Hier befindet sich ein solcher Wärmetauscher außerhalb des Abgassystems. Das Abgassystem umfasst in Wesentlichen alle Leitungen, durch die bestimmungsgemäß Abgas hin zu den Abgasnachbehandlungseinheiten, und somit schließlich in die Umgebung, beziehungsweise über eine so genannte Abgasrückfuhrleitung zurück in den Brennraum geführt wird. Bei dem Wärmetauscher, der hier angesprochen ist, handelt es sich insoweit insbesondere nicht um einen so genannten Abgas- Wärmetauscher, der wenigstens teilweise vom Abgas durchströmt wird. Der hier angesprochene Wärmetauscher ist insbesondere ein Wärmetauscher für eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Öl, die mit der Verbrennungskraftma- schine „fluidtechnisch" in Verbindung steht.
Der hier in Bezug genommene Wärmetauscher steht jedoch gleichwohl „fluidtechnisch" über die Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgassystem in Verbindung. Das heißt insbesondere, dass der Wärmetauscher mit einem Kühlmittel ge- füllt ist, welches schließlich inneren Bereichen der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird und dort, beispielsweise über Dichtungen und ähnliches auch in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann. Gerade dann besteht die Gefahr, dass das Kühlmittel mit verbrannt wird und somit deren Verbrennungsprodukte schließlich Bestandteile des Abgases bilden.
Bei den aufwändigen Untersuchungen der Abgasnachbehandlungseinheiten hat sich herausgestellt, dass ein erhöhter Kupferanteil im Katalysator-Trägerkörper festgestellt wurde. Das Kupfer, das üblicherweise kein Inhaltsstoff des Brennstoffs und/oder der Betriebsstoffe des Abgassystems bzw. der Verbrennungs- kraftmaschine ist, sorgte nun für eine chemische Vergiftung der katalytisch aktiven Schicht. Bei der Suche nach der Ursache hierfür wurde erkannt, dass die Konzentration von Kupfer nur zu Beginn des Einsatzes des Abgassystems anstieg, danach aber praktisch kaum noch feststellbar war. Das Kupfer konnte dann den einsetzenden Betrieb des mit einem Kupfer-Basis-Lot gelöteten Ölkühlers zuge- ordnet werden. Genau hier setzt die Erfindung an und schlägt den Einsatz eines Nickel-Basis-Lots zur Herstellung solcher Wärmetauscher vor. Bislang werden solche Ölkühler und Wärmetauscher mit einem Kupfer-Basis-Lot gefertigt, um die dort auftretenden, großen Spaltemaße zu überbrücken. Das Kupfer-Basis-Lot zeichnet sich nämlich durch seine hervorragenden Fliesseigenschaften aus. Die bekannten Nickel-Basis-Lote wurden bisher im Wesentlichen nur für thermisch und/oder korrosiv hoch belastete Bauteile vorgeschlagen.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst in der Regel eine Mehrzahl von miteinander gelöteten Bauteilen, wobei insbesondere auch das Kühlmittel für die Verbrennungskraftmaschine an diesen Verbindungsstellen, bzw. Lötverbindungen entlang strömt. Damit ist grundsätzlich und gerade zu Beginn des Einsatzes eines solchen Wärmetauschers ermöglicht, dass Bestandteile der Lötverbindungen in das Kühlmittel übertreten und schließlich im Abgassystem eine unerwünschte Wirkung entfachen. Um dies zu verhindern, wird hier ein Nickel-Basis-Lot vorgeschlagen. Das Lot, das grundsätzlich als Lotpaste, Lotfolie, Tapes oder mit ande- ren Sondertechniken appliziert werden kann, weist einen überwiegenden Anteil an Nickel auf und kann zusätzlich mit wenigstens einem der folgenden Elemente ergänzt werden: Molybdän, Silizium, Bohr, Phosphor, Chrom, Eisen, Kobalt, Mangan, Niob, Zirkon, Titan. Ganz besonders bevorzugt ist das Nickel-Basis-Lot kupfer-frei, womit gemeint ist, dass Kupfer- Anteile höchstens im Bereich üblicher Verunreinigungen zugelassen sind.
Besonders bevorzugt ist weiterhin eine Vorrichtung, bei der der Wärmetauscher so mit einem Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, dass diese vom Kühlmittel durchströmbar ist. Insbesondere ist damit auch gemeint, dass der Wärmetauscher zur Wärmeübertragung von dem Kühlmittel, welches von der Verbrennungskraftmaschine Wärme aufgenommenen hat, hin zu einem weiteren Kühlmedium, beispielsweise Wasser und/oder Luft, eingesetzt wird. Als Kühlmittel für die Verbrennungskraftmaschine wird insbesondere Öl oder eine vergleichbare Flüssigkeit eingesetzt. Ein solcher Wärmetauscher umfasst regel- mäßig eine Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten metallischen Lagen, die beispielsweise nach Art einer Wabenstruktur zusammengesetzt sind. Diese
- A - Lagen, beispielsweise metallische Platten, werden zumindest teilweise an ihren Berührungsstellen und/oder mit einem äußeren Rahmen verlötet. Neben Stahlplatten kommen hier beispielsweise auch Aluminium-haltige Metalllagen in Betracht. Zwischen diesen Lagen sind dann getrennte Kanäle für zwei verschiedene Fluide ausgebildet, so beispielsweise für Öl einerseits und Wasser/Luft andererseits. Die Lötverbindungen zwischen den einzelnen Platten kleiden dabei auch die Kanäle für das Kühlmittel mit aus.
Weiterhin wird auch vorgeschlagen, dass das Abgassystem wenigstens einen Katalysator-Trägerkörper in einer Abgasleitung stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine umfasst. Ein solcher mit einem Nickel-Basis-Lot gelöteter Wärmetauscher für die Verbrennungskraftmaschine stellt demnach eine Schutzmaßnahme für den hier präsenten Katalysator-Trägerkörper in der Abgasleitung dar. Da bei dem Wärmetauscher auf ein Nickel-Basis-Lot zurückgegriffen wird, kann eine vorzeitige Vergiftung des Katalysator-Trägerkörpers, der beispielsweise eine eingangs genannte Beschichtung aufweist, effektiv vermieden werden.
Gemäß einem ergänzenden Aspekt der Erfindung wird konkret die Verwendung eines Nickel-Basis-Lotes für einen Ölkühler eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Damit wird praktisch auch die Verwendung eines mit Nickel-Basis-Lot gelöteten Ölkühlers für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen. Im Übrigen wird hier auf die vorstehenden Erläuterungen hingewiesen.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der beiliegenden Fi- guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Darstellungen in den Figuren nur besonders bevorzugte Ausführungsvarianten zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Übersicht, Fig. 2 eine Ausfuhrungsvariante eines Wärmetauschers, und
Fig. 3 ein Detail eines Wärmetauschers mit einer Lötverbindung.
Aus der Fig. 1 geht schematisch eine Vorrichtung 1 hervor, die Teil eines Kraftfahrzeugs 12 ist. Das Kraftfahrzeug 12 umfasst dabei eine Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer Mehrzahl von Brennräumen 16, in denen der Kraftstoff verbrannt wird. Das dabei erzeugte Abgas wird anschließend über die Abgaslei- tung 10 und den Katalysator-Trägerkörper 9 des Abgassystems 3 in die nähere Umgebung abgelassen. Die Verbrennungskraftmaschine 2 weist dabei einen Kühlkreislauf 7 auf, wobei ein Kühlmittel 8 einerseits mit der Verbrennungskraftmaschine 2 und andererseits mit dem (externen) Wärmetauscher 4 (über nicht dargestellte Leitungen fluidtechnisch) in Kontakt ist. Der hier veranschaulichte Wärmetauscher 4 ist als Ölkühler 11 ausgebildet.
In Fig. 2 ist nun eine Ausführungsvariante eines solchen Wärmetauschers 4 dargestellt. Dieser ist mit einer Mehrzahl von strukturierten Blechen 13 und glatten Blechen 14 aufgebaut, die dazwischen liegende Kanäle 15 bilden. Über jeweils einen getrennten Zulauf und Ablauf wird einerseits das Kühlmittel 8 und ein wei- teres Kühlmedium (zum Beispiel Luft und/oder Wasser) in wärmeaustauschenden Kontakt gebracht, wie das mit den farblich unterschiedlichen Pfeilen veranschaulicht ist.
Ein Detail eines (anderen) Wärmetauschers 4 erkennt man aus der Fig. 3. Dort ist veranschaulicht, dass das glatte Blech 14 und strukturierte Blech 13 miteinander eine Lötverbindung 5 bilden. Erfmdungsgemäß ist hier ein Nickel-Basis-Lot 6 vorgesehen. So wird vermieden, dass das Kühlmittel, welches an den hier gezeigten Blechen und damit auch an der Lötverbindung 5 vorbeiströmt, Feststoffe aufnimmt, die zu einer Vergiftung des Katalysator-Trägerkörpers 9 im Abgassys- tem 3 der Vorrichtung 1 führen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Verbrennungskraftmaschine
3 Abgassystem
4 Wärmetauscher
5 Lötverbindung
6 Nickel-Basis-Lot
7 Kühlkreislauf
8 Kühlmittel
9 Katalysator-Trägerkörper
10 Abgasleitung
11 Ölkühler
12 Kraftfahrzeug
13 strukturiertes Blech
14 glattes Blech
15 Kanal
16 Brennraum

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) umfassend einen fluidtechnisch über eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem Abgassystem (3) in Verbindung stehenden gelöteten Wärmetauscher (4), der außerhalb des Abgassystems (3) positioniert ist, wobei der Wärmetauscher (4) eine Lötverbindung (5) aufweist, die mit einem Nickel-Basis-Lot (6) ausgeführt ist.
2. Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, bei der der Wärmetauscher (4) so mit einem Kühlkreislauf (7) der Verbrennungskraftmaschine (2) verbunden ist, dass dieser vom Kühlmittel (8) durchströmbar ist.
3. Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei der das Abgassystem (3) wenigstens einen Katalysator-Trägerkörper (9) in einer Abgasleitung (10) stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine (2) umfasst.
4. Verwendung eines Nickel-Basis-Lotes (6) für einen Ölkühler (11) eines Kraft- fahrzeuges (12).
PCT/EP2008/060010 2007-09-11 2008-07-30 Vorrichtung mit einem gelöteten wärmetauscher für eine verbrennungskraftmaschine WO2009033883A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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