DE102006013868A1

DE102006013868A1 - Abgaswärmeübertrager, insbesondere Abgaskühler für eine Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102006013868A1
Application number: DE102006013868A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Ruckwied
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager, insbesondere Abgaskühler, für eine Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen mit von Abgas durchströmbaren und von einem Fluid kühlbaren Kanälen (3), wobei ein Oxidationskatalysator, bestehend aus einem Träger und einer oxikatalytischen Beschichtung, in den Abgaswärmeübertrager (1) integriert, und wobei der Träger der oxikatalytischen Beschichtung (6) als in den Kanälen (3) angeordnete Einlage (5) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmeübertrager, insbesondere einen Abgaskühler für eine Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen.

Ein derartiger Abgaswärmeübertrager ist in der älteren Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Anmeldeaktenzeichen 10 2004 042 454.3 offenbart. Der Abgaswärmeübertrager ist als Abgaskühler ausgebildet und in eine Abgasrückführleitung eines Dieselmotors eingeschaltet. Dabei ist dem Abgaskühler ein Oxidationskatalysator zugeordnet, welcher in einem Ausführungsbeispiel (gemäß 4 der älteren Anmeldung) derart in den Abgaskühler integriert ist, dass die oxidationskatalytische Beschichtung auf der Innenwand der Abgasrohre angeordnet ist. Damit wird der Vorteil erreicht, dass im Dieselabgas enthaltene Kohlenwasserstoffe (HC) konvertiert werden, wodurch auch die Rußablagerung in den Abgasrohren reduziert wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Wärmeübergang und auch die Wärmeleitung in den Abgasrohren durch die katalytische Beschichtung, vorzugsweise ein Edelmetall wie z. B. Platin beeinträchtigt wird. Darüber hinaus weist die oxidationskatalytische Beschichtung, d. h. der Katalysator eine relativ niedrige Temperatur auf, da er auf der von außen durch ein flüssiges Medium gekühlten Rohrwand angeordnet ist. Der Oxidationskatalysator benötigt jedoch eine Mindesttemperatur, um „anzuspringen": die Oxidation der Kohlenwasserstoffe – und auch von Kohlenmonoxid (CO) – findet in einem Temperaturbereich von etwa 200 bis 600 Grad Celsius statt. Der katalytische Wirkungsgrad ist bei dieser Anordnung der Beschichtung und ihrer damit verbundenen relativ niedrigen Temperatur nicht optimal.

Durch die JP 2000 257512 A, die JP 2000 249003 A und die JP 2000 038962 A wurden Abgaskühler eines Abgasrückführsystems bekannt, wobei die Abgasrohre auf ihrer Innenwand (Abgasseite) mit einer katalytischen Schicht, insbesondere einem Oxidationskatalysator wie Platin versehen sind. Auch für diese Innenwandbeschichtungen gelten die vorgenannten Nachteile, d. h. einer zu niedrigeren Temperatur des Oxidationskatalysators.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgaswärmeübertrager, wie er in der vorgenannten älteren Anmeldung offenbart ist, weiter zu verbessern. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Neu gegenüber dem Abgaswärmeübertrager der älteren Anmeldung ist, dass die oxidationskatalytische Substanz auf einer Einlage angeordnet ist, welche sich in den von Abgas durchströmbaren Kanälen befindet. Unter Einlage ist eine beliebige, den Querschnitt der Abgaskanäle teilweise durchsetzende Struktur oder Schikane zu verstehen. Beispielsweise – wie in den Unteransprüchen angegeben – kann es sich dabei um an sich bekannte Turbulenzeinlagen handeln, welche als separate Teile in die Kanäle respektive Rohre gesteckt werden. Mögliche Einlagen sind auch in Innenwellrippen, mit oder ohne Kiemen, Stegrippen und dergleichen. Die Einlagen bilden die Träger der oxidationskatalytischen Substanz, die somit nicht – primär – an der Innenwandung der Abgaskanäle, sondern innerhalb des Strömungsquerschnittes der Abgaskanäle angeordnet ist, wo erheblich höhere Temperaturen herrschen als an der Kanalwand. Damit ergibt sich der Vorteil, dass der Oxidationskatalysator infolge seiner höheren Temperatur erheblich wirksamer ist und somit den Oxidationsprozess schneller und effektiver in Gang setzt. Gleichzeitig wird der Vorteil eines verbesserten Wärmeübergangs auf der Abgasseite und somit eine verbesserte Abgaskühlung erreicht, was wiederum kleinere Abgaswärmeübertrager zur Folge hat, verbunden mit einer Reduktion des Gewichts bzw. der Kosten.

Die Kanäle bzw. Abgasrohre können einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei kreisförmige und rechteckförmige Querschnitte bevorzugt sind.

Vorteilhafterweise werden die Einlagen mit der Innenwand der Rohre durch Löten oder Schweißen verbunden, und zwar über Kontaktstellen in Form von Kuppen, Wellenbergen oder Rippenbögen. Dabei ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass nicht alle, sondern nur ein Teil der Wellenberge einer Wellrippe mit der Rohrinnenwand verbunden ist, während der restliche Teil der Wellenberge von der Rohrwand beabstandet ist und vollständig vom heißen Abgasstrom umspült wird. Damit wird der Vorteil einer verbesserten Konvertierung infolge höherer Temperatur des Oxidationskatalysators erreicht.

Die Einlagen, z. B. Wellrippen oder Stegrippen müssen nicht notwendigerweise als separates Teil hergestellt sein, sondern können auch einstückig mit der Rohrwandung des Abgasrohres, z. B. bei einem Flachrohrquerschnitt ausgebildet sein.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die katalytische Substanz zusätzlich auf der Rohrinnenwand angeordnet, so dass die gesamte vom Abgas überstrichene Fläche mit der oxidationskatalytischen Substanz beschichtet ist. Daraus ergibt sich einerseits der Vorteil einer vereinfachten Beschichtung bzw. Herstellung der Abgasrohre und andererseits einer maximalen katalytischen Wirkung.

In einer Weiterbildung sind die Kanäle durch benachbarte Scheiben ausgebildet. Auf diese Weise sind die Kanäle besonders vorteilhaft durch ein umformendes Fertigungsverfahren wie Pressen, Stanzen oder durch eine urformendes Fertigungsverfahren wie Gießen herstellbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Scheiben Scheibenpaare. Auf diese Weise sind die Scheiben und/oder benachbarte Scheibenpaare besonders vorteilhaft stapelbar und/oder miteinander insbesondere mittels eines stoffschlüssigen Verbindungsverfahrens wie Schweißen, Löten, Kleben usw. verbindbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen Querschnitt durch einen Abgaskühler,
2 einen Querschnitt durch ein Abgasrohr mit veränderter Innenrippe,
3 eine Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgaswärmeübertragers und
4 eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers, insbesondere Abgaswärmetauschers.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Abgaswärmeübertrager 1, welcher als Abgaskühler eines nicht dargestellten Abgasrückführsystems (AGR-System) einsetzbar ist. Im Übrigen wird auf die eingangs genannte ältere Anmeldung hingewiesen, die hiermit vollumfänglich einschließlich des darin genannten Standes der Technik in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen wird. Der Abgaswärmeübertrager 1 weist einen Gehäusemantel 2 auf, welcher einen etwa rechteckförmigen Querschnitt besitzt und in sich ein Bündel von Abgasrohren 3 aufnimmt, welche ebenfalls einen etwa rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und zwischen sich und dem Gehäusemantel 2 Spalte 4 bilden, welche von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt werden. Derartige Abgaswärmeübertrager sind in der DE 199 07 163 C2 und der DE 195 40 683 A1 der Anmelderin genauer beschrieben. Das Kühlmittel wird einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges entnommen und kühlt das durch die Abgasrohre 3 strömende heiße Abgas. Innerhalb der Abgasrohre 3 sind mäanderförmige Einlagen 5 angeordnet, welche auch als Innenrippen bezeichnet werden. Die Innenrippen 5 weisen Kuppen 5a (Wellenberge) auf, welche vorzugsweise mit der Innenwand der Abgasrohre 3 verlötet oder verschweißt sind. Die Oberfläche der Innenrippe 5 ist mit einer oxidationskatalytischen Substanz, beispielsweise ein Edelmetall wie Platin, beschichtet. Auf der rechten Seite der Zeichnung sind nicht nur die Innenrippen 5 katalytisch beschichtet, sondern auch die Innenwand der Abgasrohre 3, welche eine oxikatalytische Schicht 6a aufweist. Damit ist – auf der rechten Seite der Zeichnung – die gesamte vom Abgas bespülte Fläche katalytisch beschichtet. Das durch die Abgasrohre 3 strömende heiße Abgas kommt somit mit einer katalytischen Beschichtung in Kontakt, welche sich innerhalb des Strömungsquerschnittes befindet und somit – verglichen mit der gekühlten Wand der Abgasrohre 3 – eine hohe Temperatur aufweist. Dies fördert die Konvertierung, d. h. die Oxidation von Kohlenwasserstoffen sowie Kohlenmonoxid.
Die Einlagen können auch andere Formen als in der Zeichnung dargestellt aufweisen, z. B. Wellrippen (etwa sinusförmiger Verlauf), die zudem mit Kiemen besetzt sein können. Dreieck- oder trapezförmige Innenrippen sowie so genannte Turbulenzeinlagen sind ebenfalls möglich.
Darüber hinaus können die Einlagen, insbesondere bei rechteckförmigem Querstück auch einstückig mit der Rohrwand ausgebildet sein, indem das Rohr aus einem Blech geformt, gefaltet und verlötet oder verschweißt wird.
Bei kreisförmigen Rohrquerschnitten können z. B. wendelförmige Einlagen vorteilhaft als Träger für die oxikatalytische Substanz sein.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei lediglich der Querschnitt eines einzelnen Abgasrohres 7 dargestellt ist. Innerhalb eines rechteckförmigen Strömungsquerschnittes 7a für das Abgas ist eine wellenförmig ausgebildete Innenrippe (Wellrippe) 8 angeordnet, deren Wellenberge bzw. Rippenbögen derart versetzt zueinander angeordnet sind, dass nur ein Teil, in der Zeichnung die Wellenberge 8a, 8d, 8g, die Innenwand des Abgasrohres 7 kontaktieren und an diesen Kontaktstellen mit der Rohrwand verlötet sind. Die übrigen Wellenberge, in der Zeichnung 8b, 8c, 8e, 8f weisen einen Abstand zur Innenwand auf und sind vollständig dem Abgasstrom ausgesetzt. Die gesamte Innenrippe 8 und die Innenwand des Abgasrohres 7 weisen eine durchgehende oxikatalytische Beschichtung 9 auf. Durch die partielle Anbindung der Wellrippe 8 wird die Durchschnittstempe ratur der katalytischen Beschichtung weiter angehoben, womit eine höhere Wirksamkeit des Oxidationskatalysators erreicht wird.
3 zeigt in einer Schnittdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eins Abgaswärmeübertragers 10, welcher als Abgaskühler ausgebildet und in einem Abgasrückführsystem (AGR-System) einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge einsetzbar ist. AGR-Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt: dabei wird das Abgas der Brennkraftmaschine vor oder hinter einer Abgasturbine (Hochdruck oder Niederdruck-Rückführung) entnommen und ein- oder zweistufig gekühlt dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine wieder zugeführt. Die entnommene Abgasmenge wird über ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) geregelt. Der dargestellte Abgaskühler 10 wird von Abgas durchströmt und durch ein flüssiges Kühlmittel, welches vorzugsweise dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine entnommen wird, gekühlt. Der Abgaskühler 10 weist ein zweiteiliges Gehäuse 11 auf, welches aus einer wannenförmigen Gehäuseschale 11a und einem Deckel 11b besteht – beide Teile sind vorzugsweise als Blechteile ausgebildet und können durch Tiefziehen hergestellt werden. In der Gehäuseschale 11a ist ein Paket von Scheibenpaaren 12 angeordnet, welche vom Kühlmittel durchströmt werden. Die Scheibenpaare 12 erstrecken sich über die volle Breite der Gehäuseschale 11a, welche zwei in der Zeichnung senkrecht dargestellte und parallel zueinander verlaufende Gehäusewände 11c, 11d aufweist. Die Scheibenpaare 12 weisen Längsseiten 12a auf, welche an den Gehäusewänden 11c, 11d anliegen, und bilden Strömungskanäle, welche mit Turbulenzeinlagen 13 zur Erhöhung des Wärmeüberganges bestückt sind. Die Scheibenpaare 12 sind im parallel im Abstand zueinander angeordnet und bilden Durchtrittskanäle 14 für das Abgas. In den Durchtrittskanälen 14 sind zur Erhöhung des Wärmeüberganges Turbulenzeinlagen 15 angeordnet. Sämtliche Teile des Abgaskühlers 10 sind stoffschlüssig, d. h. durch Löten, Schweißen oder Kleben usw. miteinander verbunden. Das Löten, Schweißen oder Kleben erfolgt vorzugsweise in einem Arbeitsgang in einem nicht dargestellten Lötofen oder Schweißgerät oder mittels einer Klebevorrichtung. Die Scheibenpaare weisen jeweils eine Oberscheibe 80b und eine Unterscheibe 80c auf.
4 zeigt eine weitere Ausfühhrungsform eines Wärmetauschers 16, insbesondere eines Abgaswärmetauschers. Der Wärmetauscher 16 weist ein erste Gehäuseelement 60, 70 und ein zweites Gehäuseelement 80 auf. Das Gehäuseelement 60, 70 nimmt erste Scheiben 40 und zweite Scheiben 50 in sich auf. Die ersten Scheiben 40 und die zweiten Scheiben 50 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und stapelbar. Eine erste Scheibe 40 bildet mit einer zweiten Scheibe 50 ein Scheibenpaar 22. Die ersten und zweiten Scheiben sind miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden. Ebenso sind benachbarte Scheibenpaare 22 insbesondere an Näpfen 20 an beiden Scheibenenden der Scheiben 40, 50 bzw. der Scheibenpaare 22 miteinander stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Schweißen oder Kleben, verbunden. Die Scheiben 40, 50 und die Scheibenpaare weisen Napföffnungen auf. Das erste Gehäuseelement 60, 70 ist stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem zweiten Gehäuseelement verbunden. Das zweite Gehäuseelement weist eine erste Gehäuseöffnung für den Eintritt des ersten Mediums auf. Durch den ersten Strömungskanal 20 strömt das erste Medium, insbesondere das heiße Abgas, in die Scheibenpaare 22 durch die Napföffungen ein, durchströmt die Scheibenpaare in dem im Inneren ausgebildeten Strömungskanal 20 und strömt durch eine zweite Gehäuseöffnung des Gehäuseelements 80 aus diesem über den Austritt heraus. Die Scheibenpaare sind in der Stapelrichtung S stapelbar. Das Gehäuseelement 80 weist eine dritte Gehäuseöffnung auf, wodurch über einen Eintritt Kühlmedium, insbesondere flüssiges Kühlmittel, Kühlwasser, Gas oder Kältemittel, insbesondere einer Klimaanlage, in das erste Gehäuseelement 60, 70 gelangt und dieses Kühlt, so dass im Wesentlichen keine Thermospannungen entstehen. Das zweite Kühlmedium umspült die Außenseiten der Scheiben 40, 50 und der Scheibenpaare 22 sowie die die Scheibenpaarrandflächen 24. Es strömt durch Öffnungen, die durch die beabstandeten Scheibenpaare gebildet werden, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem zu kühlendem Abgas erfolgt. Zwischen dem ersten Gehäuseelement 60, 70 und den Scheibenpaarrandflächen 24 werden ebenfalls zweite Strömungskanäle 30 des Kühlmediums gebildet, wodurch das Gehäuseelement 60, 70 im Wesentlichen gekühlt wird. Das Kühlmedium verlässt über einen Austritt eine vierte Gehäuseöffnung des Gehäuseelements 80. Der Wärmetauscher 16 ist als Modul in ein modulares Sys tem einbaubar. Der Wärmetauscher ist in ein Kühlmodul integrierbar. Ein Kühlmodul umfasst insbesondere mehrere Wärmetauscher, insbesondere Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler, Wärmetauscher einer Klimaanlage.
Das Gehäuseelement 60, 70 nimmt in seinem Inneren die Scheiben 40, 50 und die Scheibenpaare 22 auf. Das erste Gehäuseelement 60, 70 ist mit dem zweiten Gehäuseelement 80 stoffschlüssig durch Löten, Schweißen, Kleben usw. und/oder formschlüssig durch Bördeln, Wellschlitzbördeln, Crimpen, Falzen, Clipsen usw. verbunden. In einer nicht dargestellten Ausführung sind beide Gehäuseelemente durch ein Dichtelement, insbesondere einen O-Ring usw. gegenüber einander abgedichtet.
Benachbarte Scheibenpaare sind durch Ausprägungen, insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 beabstandet. Insbesondere wird die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium verbessert. Innerhalb der Scheibenpaare sind ebenfalls Ausprägungen, insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 angeordnet und insbesondere stoffschlüssig mit den Scheiben 40, 50 durch Löten, Schweißen, Kleben verbunden und/oder aus diesen durch Umformen ausgeprägt.
Die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 sind aus Aluminium ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus Ferrit ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit einem Aluminiumanteil bis zu 10% ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit einem Aluminiumanteil bis zu 10% ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit einem Aluminiumanteil bis zu 6% ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit Aluminiumbeschichtung ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit Aluminiumbeschichtung ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Einlagen 5, 8, 13, 15, 18 aus einem hitzebeständigen Stahl mit Aluminiumplattierung ausgebildet.

Claims

Abgaswärmeübertrager, insbesondere Abgaskühler für eine Abgasrückführung in Kraftfahrzeugen mit von Abgas durchströmbaren und von einem Fluid kühlbaren Kanälen (3, 7, 14, 20), wobei ein Oxidationskatalysator, bestehend aus einem Träger und einer oxikatalytsichen Beschichtung, in den Abgaswärmeübertrager (1, 10, 16) integriert und wobei der Träger der oxikatalytischen Beschichtung (6) als in den Kanälen (3, 7, 14, 20) angeordnete Einlage (5, 8, 13, 15, 18) ausgebildet ist.
Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle als Rohre (3, 7) ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3, 7) einen Rechteckquerschnitt aufweisen.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (14, 20) durch Scheiben (40, 50) ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (40, 50) Scheibenpaare (12, 22) bilden.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen als Turbulenzeinlagen ausgebildet (13, 15, 18) sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen als Innenrippen (5, 8, 13, 15, 18), insbesondere Stegrippen ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen als Wellrippen (5, 8, 13, 15, 18), insbesondere als mit Kiemen besetzte Wellrippen ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (5, 8, 13, 15, 18) als separate, in die Kanäle (3, 7, 14, 20) einsetzbare Teile ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (5, 8, 13, 15, 18) stoffschlüssig, insbesondere durch Verlöten oder Verschweißen mit der Innenwand der Kanäle (3, 7, 14, 20) verbunden sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (5, 8, 13, 15, 18) respektive die Wellrippen (8) Kuppen (5a) respektive Wellenberge (8a–8g) aufweisen und dass die Einlagen (5) respektive Wellenberge nur mit einem Teil der Kuppen (5a) respektive Wellenberge (8a, 8g) mit der Innenwand verbunden und dass der übrige Teil der Kuppen respektive Wellenberge (8b, 8c, 8f) von der Innenwand beabstandet ist.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlagen (5, 8, 13, 15, 18) einstückig mit den Rohren (3, 7) und/oder Scheiben (40, 50) ausgebildet sind.
Abgaswärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung (6a, 9) auch auf der Innenwand der Kanäle (3, 7, 14, 20), insbesondere der Rohre (3, 7) und/oder der Scheibenpaare (12, 22), angeordnet ist.