[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Zur Verbesserung einer Wärmetauscherleistung können vorteilhaft die Tauscherrohre
aus dem ferritischen Stahl bestehen, da dieses Material eine gute Wärmeleitung hat.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich
aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
[0019] 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.
[0020] Vorteilhaft ist, dass der erste Anschlussbereich eine Aufweitung eines Durchtrittsquerschnitts
in Richtung des Tauscherbereichs aufweist.
[0021] Vorteilhaft ist, dass in dem Anschlussbereich eine stellbare Klappe angeordnet ist.
[0022] Vorteilhaft ist, dass der Tauscherbereich eine Mehrzahl von Tauscherrohren aufweist.
[0023] Vorteilhaft ist, dass der Tauscherbereich ein von dem Kühlmittel durchströmbares
Tauschergehäuse aufweist.
[0024] Vorteilhaft ist, dass das Berippungselement in dem zu kühlenden Fluid angeordnet
ist.
[0025] Vorteilhaft ist, dass das Berippungselement in dem Kühlmittel angeordnet ist.
[0026] Vorteilhaft ist, dass der austenitische Stahl ein Stahl aus der Gruppe 1.4301 und
1.4404, Bezeichnungen nach DIN EN 100 88-2, ist.
[0027] Vorteilhaft ist, dass das Kühlmittel gasförmig, insbesondere Luft ist.
[0028] Vorteilhaft ist, dass der Wärmetauscher in einem Niederdruck-Zweig nach einer Abgasturbine
angeordnet ist.
[0029] Vorteilhaft ist, dass der Wärmetauscher in einem Hochdruck-Zweig vor einer Abgasturbine
angeordnet ist.
[0030] 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.
[0031] 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.
[0032] 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.
[0033] 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.
[0034] 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).
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] 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.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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.
[0041] 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.
[0042] 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.
[0043] 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.
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.