專(zhuān)利名稱(chēng)：用于內(nèi)燃機(jī)的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的熱交換器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已公知的是用于冷卻再循環(huán)廢氣的熱交換器。 一般來(lái)說(shuō)，
在廢氣冷卻中存在著廢氣化學(xué)腐蝕性強(qiáng)和廢氣冷凝液的pH值低等問(wèn)題。由 于這個(gè)原因，到目前為止只存在著由耐腐蝕性強(qiáng)的奧氏體鋼制成的廢氣熱交 換器。但是這種鋼會(huì)帶來(lái)材料成本高以及加工成本高等缺點(diǎn)。此外，奧氏體 鋼大多數(shù)情況下是不良的熱導(dǎo)體，為了達(dá)到規(guī)定的冷卻效率，熱交換器就會(huì) 相對(duì)較大和較重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于冷卻內(nèi)燃機(jī)的廢氣或廢氣-空氣混合氣的、 低成本的熱交換器。
這個(gè)目的是通過(guò)按照本發(fā)明具有下述特征的熱交換器實(shí)現(xiàn)的。
也就是說(shuō)，熱交換器的至少一部分由鐵素體鋼組成，這樣，至少由于這 種鋼的價(jià)格較低，從而可以節(jié)省成本。
在優(yōu)選的實(shí)施形式中，相對(duì)于奧氏體鋼來(lái)說(shuō)，通常具有較高熱效率的鐵 素體鋼特別是通過(guò)以下方式得到利用，即熱交換器的鐵素體鋼部分與流體接 觸。通過(guò)鐵素體鋼的較優(yōu)的導(dǎo)熱性能，在整體上使用于廢氣冷卻的熱交換器 能夠以體積小、材料少、重量輕和低成本的方式實(shí)現(xiàn)。
流體特別優(yōu)選為內(nèi)燃機(jī)的再循環(huán)廢氣或廢氣-空氣混合氣，其中，在第一 接口區(qū)域中，在正常的工作狀況下，流體溫度高于300 。C，尤其是高于500 。C。 這樣將會(huì)減少整個(gè)熱交換器內(nèi)來(lái)自廢氣的酸性冷凝物出現(xiàn)冷凝的風(fēng)險(xiǎn)。 在優(yōu)選的實(shí)施形式中，熱交換器的鐵素體鋼部分基本上相當(dāng)于第一接口區(qū)域， 并與換熱區(qū)域焊接。正好是在第一接口區(qū)域中的溫度特別高，因此可以毫無(wú)問(wèn)題地采用鐵素體鋼。此外，鐵素體鋼的熱膨脹系數(shù)至少比奧氏體鋼低，因 此，鐵素體鋼的接口區(qū)域與后面的奧氏體鋼的換熱區(qū)域的組合，在由于膨脹 而造成的材料應(yīng)力方面特別有利。特別是在這種情況下，第一接口區(qū)域的通 過(guò)截面沿朝著換熱區(qū)域的方向擴(kuò)大。另外，在接口區(qū)域中可布置一個(gè)可調(diào)的 閥門(mén)。通過(guò)這個(gè)閥門(mén)，可將廢氣例如分配到已冷卻的區(qū)域或旁通管中。
在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施形式中，換熱區(qū)域具有多個(gè)熱交換器管。從機(jī)械角 度看，管式冷卻器的穩(wěn)定性特別好，并且特別適合于冷卻液的情況。為此， 換熱區(qū)域具有可被冷卻液穿流的換熱殼體。由于換熱殼體通常不與廢氣接觸， 因此特別有利的是，換熱殼體由鐵素體鋼組成，這樣即使在銹穿的情況下， 冷卻液也不會(huì)進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中。
為了改善熱交換器效率，熱交換器管可優(yōu)選地由鐵素體鋼組成，因?yàn)檫@ 種材料具有良好的導(dǎo)熱性。
特別優(yōu)選的是，熱交換器的另一個(gè)部分可由另一種鐵素體鋼組成。目前 存在著具有不同耐腐蝕性和機(jī)械性能的鐵素體鋼，這通常使材料價(jià)格得以降 低。根據(jù)熱交換器的相關(guān)部分所受到的腐蝕的程度或者在導(dǎo)熱方面所發(fā)揮的 作用，熱交換器的不同部分可由不同的鐵素體鋼組成，以使成本得到優(yōu)化。 在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施形式中，熱交換器包括多個(gè)以疊置形式相互連接的板片元 件。這種熱交換器特別適合作為廢氣熱交換器。具有優(yōu)點(diǎn)的是，在板片元件 之間布置著由鐵素體鋼組成的肋片元件。肋片元件的腐蝕由于結(jié)構(gòu)形式的原 因通常不會(huì)造成冷卻液穿透進(jìn)入到流體區(qū)域的危險(xiǎn)，否則，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)受到水 侵入而損壞。因此，特別規(guī)定可分開(kāi)使用的肋片元件由鐵素體鋼形成。這種 肋片元件可布置在待冷卻的流體中和/或冷卻液中。如果肋片元件既要布置在 流體也要布置在冷卻液中，那么這些肋片元件在設(shè)計(jì)上會(huì)有所不同。
特別優(yōu)選的是設(shè)有一個(gè)包括板片元件的殼體，它由鐵素體鋼組成。殼體 在長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)的腐蝕將不會(huì)使冷卻液與廢氣接觸，這樣減少了發(fā)動(dòng)機(jī)損 壞的危險(xiǎn)。這種殼體是尺寸很大的部件，在殼體中通過(guò)使用鐵素體鋼可明顯 地降低成本。但在使用一種具有足夠耐腐蝕性能的鐵素體鋼的情況下，板片 元件也可優(yōu)選地由鐵素體鋼組成，在規(guī)定的結(jié)構(gòu)尺寸條件下這將有助于導(dǎo)熱 以及提高整個(gè)熱交換器效率。熱交換器的另一部分通常優(yōu)選地由一種奧氏體鋼組成，這樣至少在關(guān)鍵 部位會(huì)采用一種具有高耐腐蝕性的材料。奧氏體鋼優(yōu)選地從一組鋼材料
1.4301和1.4404中選擇。這種材料牌號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)DINEN 100 88-2相同，所有
本發(fā)明所使用的材料牌號(hào)都參照此標(biāo)準(zhǔn)。
特別優(yōu)選的是，鐵素體鋼部分與奧氏體鋼部分相互間直接通過(guò)焊接或釬 接形成材料鎖合聯(lián)接。通過(guò)這種材料鎖合聯(lián)接，特別是通過(guò)直接焊接或氣焊 或者是通過(guò)釬接，將會(huì)保證聯(lián)接的牢固可靠。試驗(yàn)已證明，至少優(yōu)選地用于 熱交換器制造的鐵素體鋼和奧氏體鋼之間通?？梢院翢o(wú)問(wèn)題地形成材料鎖合 的聯(lián)接，特別是通過(guò)焊接或釬接或粘接。
鐵素體鋼優(yōu)選地從一組鋼1.4006和1.4016中選出。在對(duì)耐腐蝕部分的要 求相對(duì)較低的情況下鐵素體鋼可優(yōu)選地從一組鋼1.1169、 1.0461 、 1.0462 和1.0463中選出，它們是低合金鋼和細(xì)晶粒鋼。含有至少12% Cr成分的、 適合的高合金鐵素體鋼優(yōu)選地從以下一組牌號(hào)中選出1.4000、 1.4002、 1.4006 和1.4113。高合金及穩(wěn)定化鋼(含有鈦和鈮)優(yōu)選地從以下一組牌號(hào)中選出 1.4509、 1.4513、 1.4512和1.4520。
在一個(gè)優(yōu)選的熱交換器中，冷卻介質(zhì)為氣態(tài)，特別是空氣。這種熱交換 器在腐蝕的情況下不會(huì)有水侵入的危險(xiǎn)，為了達(dá)到適當(dāng)?shù)睦鋮s效率，它對(duì)材 料的導(dǎo)熱性能有著特別高的要求。因此這里適合使用鐵素體鋼。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器在低壓分支中可布置在廢氣渦輪機(jī)之后(低壓 AGR)。在這種布置中所產(chǎn)生的機(jī)械載荷和溫差較小。但可選的是，熱交換 器也可以在高壓分支中布置在廢氣渦輪機(jī)之前。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的其它優(yōu)點(diǎn)和特征參見(jiàn)后面所述的實(shí)施例以及從 屬權(quán)利要求。


下面通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 圖1是根據(jù)發(fā)明的熱交換器的第一個(gè)實(shí)施例的立體圖，圖中的局部為截面。
圖2是熱交換器的第二個(gè)實(shí)施例的立體爆炸圖。
圖3是如圖2所示的熱交換器在裝配完成的狀態(tài)下的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的廢氣熱交換器在結(jié)構(gòu)上按照管束熱交換器的原理。它具有 一個(gè)用于輸入廢氣(或廢氣-空氣混合氣)的第一接口區(qū)域l，和一個(gè)換熱區(qū)
域2，熱量交換的主要部分發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，以及一個(gè)用于輸出廢氣的第二 接口區(qū)域3。在第一接口區(qū)域l中可旋轉(zhuǎn)地布置著一個(gè)借助驅(qū)動(dòng)器4并通過(guò) 機(jī)械機(jī)構(gòu)5驅(qū)動(dòng)的調(diào)節(jié)閥門(mén)6，通過(guò)這個(gè)閥門(mén)可使廢氣流在旁通管7和由熱 交換器管8組成的管束之間可調(diào)節(jié)地?fù)Q向。
旁通管7和熱交換器管8通過(guò)頂蓋元件(Kopfelement) 9相互焊接，同 時(shí)，一個(gè)可被冷卻液穿流地?zé)峤粨Q器殼體由一個(gè)外殼10與頂蓋元件9相互焊 接而成。在外殼10上設(shè)有兩個(gè)連接管11，用于使冷卻液流過(guò)熱交換器殼體。 在上述的熱交換器中，至少第一接口區(qū)域l由一個(gè)沿朝著換熱區(qū)域2的方向 擴(kuò)大的殼體組成，并且由鐵素體鋼組成，特別是由根據(jù)DIN EN 100 27-2標(biāo) 準(zhǔn)的鋼1.4006組成。此外，外殼10也適合由這種鋼組成。
廢氣流的溫度范圍可取決于冷卻器是用在低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，還是 用在高壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，而根據(jù)廢氣流的溫度范圍，熱交換器管8、頂 蓋元件9和第二接口區(qū)域3也可由鐵素體鋼組成。在相對(duì)較冷的廢氣出口區(qū) 域，由于發(fā)生冷凝的危險(xiǎn)較大，所以第二接口區(qū)域3優(yōu)選地由具有不銹和穩(wěn) 定化特性的鐵素體鋼制成，特別是由1.4512或1.4509制成。熱交換器管8 和/或旁通管7和/或頂蓋元件9由鐵素體鋼組成時(shí)，它們優(yōu)選地由不銹和穩(wěn) 定化鋼制成(特別是1.4512和域1.4509)。
為了節(jié)省成本，特別是外部的附裝件如支持板等可由鐵素體鋼組成，特 別是由1.1169、 1.0461、 1.0462或1.0463組成。
第二個(gè)實(shí)施例中的熱交換器(圖2)是板片式熱交換器。外部殼體101 具有一個(gè)輸入廢氣的第一接口區(qū)域102和一個(gè)輸出廢氣的第二接口區(qū)域103， 在這個(gè)殼體中布置著多個(gè)板片元件104。殼體101還包括一個(gè)封蓋105，在所 述封蓋上布置著接口 106、 107，用于連接冷卻液的輸入管和輸出管。板片元 件104以及殼體101和封蓋105共同形成熱交換器的換熱區(qū)域。
每個(gè)板片元件104由兩個(gè)板片104a、 104b構(gòu)成，而在兩個(gè)板片104a、 104b之間設(shè)有一個(gè)肋片元件108。上部板片104a具有一個(gè)接管狀的突出部 104c，它接在后面的板片元件中的下部板片中的穿孔的邊緣上。板片元件的各接管104c相互對(duì)準(zhǔn)并與封蓋105上的接口 106、 107對(duì)準(zhǔn)。離封蓋最遠(yuǎn)的 板片元件104具有一個(gè)不帶穿孔的下部板片104b。通過(guò)這種方式，各上部板 片104a和下部板片104b之間的多個(gè)間隙一起形成可被冷卻液穿流的空腔， 其中，空腔的邊界由板片104a、 104b的彎曲的邊緣104d相互焊接形成。
在每個(gè)板片元件中，冷卻液在一個(gè)與接口 106相對(duì)應(yīng)的接管和另一個(gè)與 接口 107相對(duì)應(yīng)的接管之間流動(dòng)。被冷卻液環(huán)流的肋片108用于進(jìn)一步改善 冷卻液和板片之間的熱交換，同時(shí)特別是使冷卻液出現(xiàn)渦流。
在兩個(gè)相鄰的板片元件104之間的間隙主要通過(guò)接管104c的高度確定， 分別在板片元件的端側(cè)的所述接管對(duì)于熱交換器殼體101的接口區(qū)域102、 103是敞開(kāi)的。廢氣流穿過(guò)這些間隙，同時(shí)被已由冷卻液大面積冷卻的板片 元件104a冷卻。
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械上的穩(wěn)定以及冷卻殼體101，板片元件104的縱向側(cè)邊緣 區(qū)域104d被彎折，并且在局部區(qū)域平坦地貼在殼體101的內(nèi)壁上(特別是參 見(jiàn)圖3)。特別是板片元件104與殼體101的內(nèi)壁要盡可能平整地大面積地焊 接或釬接，以使殼體101能被足夠地冷卻。
殼體101優(yōu)選地由一種鐵素體鋼制成。它可以是一種低成本的鋼，例如 1.1169、 1.0461、 1.0462和1.0463。在殼體部分101出現(xiàn)腐蝕的情況下，冷卻 液將不會(huì)進(jìn)入到廢氣中，所以根據(jù)成本-風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這里可以采用低價(jià)格的材 料。
為了改善熱交換器效率，并且在規(guī)定的熱交換器效率的條件下使體積減 少，疊置式板片104以及封蓋105也可由一種鐵素體鋼組成。由于這些元件 要將廢氣和冷卻液分開(kāi)，所以這種鐵素體鋼優(yōu)選為特別耐腐蝕的鋼如1.4000、 1.4002或1.4113或者優(yōu)質(zhì)鐵素體鋼如1.4513或1.4520。
如圖3所示，在板片元件104之間也可布置肋片元件109，它們被廢氣 環(huán)流，因此加大了熱交換面積。并且，這些肋片元件109也可由鐵素體鋼組 成。
權(quán)利要求
1. 用于內(nèi)燃機(jī)的熱交換器，包括一個(gè)用于輸入待冷卻流體的第一接口區(qū)域(1,102)，其中，流體至少部分 由來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)的廢氣組成，一個(gè)輸出流體的第二接口區(qū)域(3, 103)，和一個(gè)按照第一和第二接口區(qū)域之間的流體流路布置的換熱區(qū)域(2, 101 ， 104， 105)，其中，換熱區(qū)域(2， 101 , 104, 105)可被冷卻介質(zhì)環(huán)流，其特征在于， 熱交換器的至少一部分由鐵素體鋼組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，熱交換器的鐵素體鋼 部分與流體接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于，流體為內(nèi)燃機(jī)的 再循環(huán)廢氣或廢氣-空氣混合氣，其中，在正常的工作狀況下，在這個(gè)部分的 流體溫度高于300。C，尤其是高于500 。C。
4. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交換 器的鐵素體鋼部分基本相當(dāng)于第一接口區(qū)域(l ， 102)，并可與換熱區(qū)域(2， 101 ， 104, 105)形成材料鎖合聯(lián)接，包括焊接、釬接、粘接。
5. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，第一接 口區(qū)域(l ， 102)的通過(guò)截面沿朝著換熱區(qū)域(2， 101 , 104, 105)的方向擴(kuò)大。
6. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，在接口 區(qū)域(1)中布置著一個(gè)可調(diào)的閥門(mén)(6)。
7. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，換熱區(qū) 域(2, 101 ， 104， 105)具有多個(gè)熱交換器管(8)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，換熱區(qū)域(2, 101 , 104, 105)具有可被冷卻介質(zhì)穿流的換熱殼體(10, 101)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的熱交換器，其特征在于，換熱殼體(IO, 101) 至少部分由鐵素體鋼組成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7到9中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器管(8)由鐵素體鋼組成。
11. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器的另一個(gè)部分由另一種鐵素體鋼組成。
12. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器包括多個(gè)以疊置形式相互連接的板片元件(104)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱交換器，其特征在于，在板片元件(104) 之間布置著用于擴(kuò)大熱接觸的肋片元件(108, 109)，其中，肋片元件(108, 109) 由鐵素體鋼組成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的熱交換器，其特征在于，肋片元件(108)布置 在待冷卻的流體中。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的熱交換器，其特征在于，肋片元件(109) 布置在冷卻介質(zhì)中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，設(shè) 有一個(gè)包括板片元件(104)的殼體(101)，它由鐵素體鋼組成。
17. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器的另一部分由一種奧氏體鋼組成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的熱交換器，其特征在于，奧氏體鋼從一組鋼 材料1.4301和1.4404中選擇，材料牌號(hào)按照標(biāo)準(zhǔn)DINEN 100 88-2。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的熱交換器，其特征在于，鐵素體鋼部 分與奧氏體鋼部分相互間直接形成材料鎖合聯(lián)接，包括通過(guò)焊接、釬接、粘 接。
20. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，鐵素 體鋼從一組鋼1.4006和1.4016中選出。
21. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，鐵素 體鋼從一組鋼1.1169、 1.0461、 1.0462和1.0463中選出。
22. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，鐵素 體鋼從一組鋼1.4000、 1.4002和1.4113中選出。
23. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，鐵素 體鋼從一組鋼1.4513和1.4520中選出。
24. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，冷卻 介質(zhì)為氣態(tài)，特別是空氣。
25. 根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器在低壓分支中布置在廢氣渦輪機(jī)之后。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1到24中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，熱交 換器在高壓分支中布置在廢氣渦輪機(jī)之前。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于內(nèi)燃機(jī)的熱交換器，包括一個(gè)用于輸入待冷卻流體的第一接口區(qū)域(1，102)，其中，流體至少部分由來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)的廢氣組成；一個(gè)輸出流體的第二接口區(qū)域(3，103)，和一個(gè)按照第一和第二接口區(qū)域之間的流體流路布置的換熱區(qū)域(2，101，104，105)。換熱區(qū)域(2，101，104，105)可被一種冷卻介質(zhì)環(huán)流，熱交換器的至少一部分由鐵素體鋼組成。
文檔編號(hào)F02M25/07GK101313192SQ200680042576
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者沃爾夫?qū)た藘?nèi)德勒, 貝恩德·格呂嫩瓦爾德 申請(qǐng)人:貝洱兩合公司