DE102014106807B4 - Flue gas heat exchanger made of duplex steel - Google Patents
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Abstract
Abgaswärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine äußere Hülle (4) sowie darin schichtweise übereinanderliegend angeordnete Platten, wobei ein Lamellenblech (8) aus austenitischem Stahlwerkstoff in einer Innenkassette (6) aus ferritischem Stahlwerkstoff oder aus Duplexstahl angeordnet ist und mindestens zwei Innenkassetten (6) plattenartig übereinander angeordnet sind und die äußere Hülle (4) die Innenkassetten (6) umgreifend aus Duplexstahl ausgebildet ist und an der Hülle (4) Halter (12) aus Duplexstahl angeordnet sind.An exhaust gas heat exchanger (1) for a motor vehicle comprising an outer shell (4) and plates arranged one above the other in layers, wherein a lamination plate (8) made of austenitic steel material in an inner cassette (6) made of ferritic steel material or duplex steel is arranged and at least two inner cassettes (6 ) are arranged one above the other like a plate and the outer shell (4), the inner cassettes (6) is formed encompassing duplex steel and on the sheath (4) holder (12) are arranged duplex steel.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.The present invention relates to an exhaust gas heat exchanger for a motor vehicle according to the features of patent claim 1.
Bei der Verbrennung von Kraftstoff wird die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie zum einen in mechanische Energie und zum anderen in Wärmeenergie gewandelt. Im thermodynamischen Kreisprozess durch den idealen Carnot-Prozess ist der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine dabei auf circa 40 % begrenzt, so dass circa 60 % der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Wärme gewandelt wird und mit dem Abgas abgeführt werden oder aber über den Abgasstrom oder aber den Motorblock der Verbrennungskraftmaschine abgeführt werden. Aus dem Stand der Technik sind Abgaswärmetauscher bekannt, die an Verbrennungskraftmaschinen zumeist in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um das bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Abgas zu kühlen bzw. diesem Wärmeenergie zu entziehen.When fuel is burned, the chemical energy contained in the fuel is converted into mechanical energy and heat energy. In the thermodynamic cycle through the ideal Carnot process, the efficiency of an internal combustion engine is limited to about 40%, so that about 60% of the energy contained in the fuel is converted into heat and dissipated with the exhaust gas or via the exhaust stream or the engine block the internal combustion engine are discharged. Exhaust gas heat exchangers are known from the prior art, which are used in internal combustion engines mostly in motor vehicles to cool the exhaust gas produced during the combustion of fuel or to remove this thermal energy.
Das Abgas weist dabei Temperaturen von mehr als 500° C bis hin zu 1000° C auf. The exhaust gas has temperatures of more than 500 ° C up to 1000 ° C.
Nunmehr ist es zur Schadstoffreduzierung in Form einer Abgasrückführung oder aber auch zur Entziehung der im Abgas enthaltenen Wärme und Zuführung beispielsweise zu einem thermodynamischen Kreisprozess notwendig, dass ein Abgaswärmetauscher eingesetzt wird. It is now necessary to reduce pollutants in the form of an exhaust gas recirculation or else to remove the heat contained in the exhaust gas and supply, for example, to a thermodynamic cycle, that an exhaust gas heat exchanger is used.
Ein solcher Abgaswärmetauscher ist dabei zum einen den hohen Temperaturen des Abgases direkt ausgesetzt, so dass es zu erheblichen thermischen Schwankungen im Betrieb des Abgaswärmetauschers aber auch im Kaltstartverhalten einer Verbrennungskraftmaschine kommen kann. Darüber hinaus weist das Abgas selber hochkorrosive Eigenschaften auf, so dass über die Dauer des Einsatzbereiches entsprechend der Werkstoff, insbesondere die Mantelflächen sowie die Koppelstellen des Abgaswärmetauschers angegriffen werden.Such an exhaust gas heat exchanger is exposed directly to the high temperatures of the exhaust gas, so that it can lead to significant thermal fluctuations in the operation of the exhaust gas heat exchanger but also in the cold start behavior of an internal combustion engine. In addition, the exhaust gas itself has highly corrosive properties, so that over the duration of the application area corresponding to the material, in particular the lateral surfaces and the coupling points of the exhaust gas heat exchanger are attacked.
Ein entsprechender Abgaswärmetauscher ist beispielsweise aus der
Aus der
Weiterhin ist aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgaswärmetauscher in seinem Bauteilgewicht und insbesondere in den Herstellungskosten zu senken, bei mindestens gleichbleibender oder aber gesteigerter Einsatzdauer sowie Wärmeübertragungseigenschaften.Object of the present invention is to reduce an exhaust gas heat exchanger in its component weight and in particular in the production costs, with at least constant or increased use duration and heat transfer properties.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftfahrzeugwärmetauscher mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst. The aforementioned object is achieved in a motor vehicle heat exchanger with the features in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug weist eine äußere Hülle sowie darin schichtweise übereinanderliegend angeordnete Platten auf. Ein innenliegendes Lamellenblech aus austenitisiertem Stahlwerkstoff ist in einer Innenkassette aus ferritischem Stahlwerkstoff oder aus Duplexstahl angeordnet und wiederum mindestens zwei der Innenkassetten sind plattenartig übereinander angeordnet und die äußere Hülle ist die Innenkassetten umgreifend aus Duplexstahl ausgebildet. An der Hülle sind Halter aus Duplexstahl angeordnet.The exhaust gas heat exchanger according to the invention for a motor vehicle has an outer shell and plates arranged one above the other in layers. An internal finned sheet of austenitic steel material is disposed in an inner cassette made of ferritic steel material or duplex steel, and again, at least two of the inner cassettes are stacked on top of each other and the outer casing is formed around the inner cassettes of duplex steel. On the shell duplex steel holders are arranged.
Mithin ist es möglich, einen Plattenwärmetauscher bereitzustellen, welcher eine Gewichtsersparnis von bis zu 30 % hat und somit eine optimale Abstimmung durch Einsatz verschiedener Werkstoffe realisiert ist. Somit können insbesondere bei der Hülle die Wandstärken reduziert werden, bei mindestens gleichbleibender Festigkeit sowie entsprechender Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Ein eventueller Mehrpreis für den verwendeten Werkstoff der Hülle wird durch den massenmäßig geringeren prozentualen Einsatz kompensiert, so dass insgesamt ein gegenüber Korrosion hoch resistenter Abgaswärmetauscher bereitgestellt wird. Gleichzeitig ermöglicht die voneinander verschiedene Werkstoffwahl eine optimale Kompensation von verschiedenen thermischen Ausdehnungen, insbesondere auch unter Berücksichtigung von zwischen den Bauteilen bestehenden Koppelstellen, insbesondere Lotnahten. Thus, it is possible to provide a plate heat exchanger which has a weight saving of up to 30% and thus an optimal tuning is realized by using different materials. Thus, in particular in the case of the wall thicknesses can be reduced, with at least constant strength and corresponding longevity and corrosion resistance. A possible additional price for the material used in the casing is compensated by the lower percentage use, so that an overall corrosion-resistant exhaust gas heat exchanger is provided. At the same time, the choice of material that is different from one another makes it possible to optimally compensate for different thermal expansions, in particular also taking account of coupling points existing between the components, in particular solder seams.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgaswärmetauscher ist ein erster Strömungskanal zwischen einer Innenmantelfläche der Hülle und einer Außenmantelfläche der Innenkassetten ausgebildet und ein zweiter Strömungskanal in den Innenkassetten selber. Damit nunmehr innerhalb der Innenkassetten die Oberfläche für einen Wärmeübergang erhöht wird, ist in der Innenkassette selbst ein Lamellenblech angeordnet. Das Lamellenblech selbst weist im Querschnitt eine wellenförmige oder aber auch eine sägezahnförmige Konfiguration auf. Das Lamellenblech ist aus austenitischem Stahlwerkstoff ausgebildet und in der Innenkassette positioniert. In bevorzugter Ausgestaltungsvariante kann das Lamellenblech selbst auch mit der Innenkassette gekoppelt sein, beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren und hier insbesondere ein Lötverfahren. Hierdurch wird es wiederum ermöglicht, dass die über das Lamellenblech aufgenommene Wärmeenergie insbesondere in den Koppelstellen an den Werkstoff der Innenkassette weitergegeben wird und dann von der Innenkassette selber über die Wandung der Innenkassette an eine Außenmantelfläche der Innenkassette und ein darüber strömendes Medium.In the case of the exhaust gas heat exchanger according to the invention, a first flow channel is formed between an inner lateral surface of the shell and an outer lateral surface of the inner cassettes and a second flow channel in the inner cassettes themselves. In order that the surface for a heat transfer is now increased inside the inner cassettes, a lamination sheet is arranged in the inner cassette itself. The slat plate itself points in the Cross-section of a wavy or even a sawtooth configuration. The lamella plate is made of austenitic steel material and positioned in the inner cassette. In a preferred embodiment variant, the lamella plate itself may also be coupled to the inner cassette, for example by a cohesive joining method and in particular a soldering method. This makes it possible, in turn, that the heat energy absorbed via the lamella plate is passed on to the material of the inner cassette, in particular in the coupling points, and then from the inner cassette itself via the wall of the inner cassette to an outer circumferential surface of the inner cassette and an overflowing medium.
Um eine einfache Verarbeitbarkeit sowie eine kostengünstige Herstellung zu realisieren, ist die Innenkassette zweischalig ausgebildet, wobei beide Schalen miteinander verlötet sind. Beide Schalen weisen im Wesentlichen eine im Querschnitt U-förmige Konfiguration auf, wobei diese dann auf eine Vertikalrichtung bezogen von oben und unten unter Eingliederung des Lamellenbleches ineinander steckbar sind und mit einem stoffschlüssigen Fügeverfahren, insbesondere einem Lötverfahren, gekoppelt werden. Gleichzeitig kann dabei dann auch das Lamellenblech mit der Innenschale gekoppelt werden. In order to realize a simple processability and a cost-effective production, the inner cassette is double-shelled, wherein both shells are soldered together. Both shells essentially have a cross-sectionally U-shaped configuration, wherein these are then plugged into one another in a vertical direction from above and below with the inclusion of the lamination sheet and coupled with a cohesive joining process, in particular a soldering process. At the same time then also the lamellae can be coupled to the inner shell.
Damit nunmehr zwei Innenkassetten einen Abstand zueinander unter Ausbildung eines dazwischen befindlichen Strömungskanals einnehmen, weisen die Innenkassetten nach außen gerichtete Abstandsbuckel auf. Die jeweils ganz außen liegenden Innenkassetten liegen dann mit ihren Abstandsbuckeln an der Innenmantelfläche der Hülle an. Optional ist es möglich, dass auch die Hülle nach innen gerichtete Abstandsbuckel aufweist. Die Abstandsbuckel vergrößern dabei weiterhin die jeweils zur Wärmetauscherleistung zur Verfügung stehende Oberfläche, was die Kühlleistung weiterhin steigert. Ferner sind die Enden der Innenkassetten aufeinander zulaufend ausgebildet. Hierdurch wird dann jeweils abgaseintritts- und abgasaustrittsseitig der Querschnitt für das eintretende bzw. austretende Abgas so groß wie möglich gehalten, was einem sehr geringen Druckverlust des erfindungsgemäßen Abgaswärmetauschers zu Gute kommt. Durch die weitergehende Wandstärkenreduktion aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von Duplexstahl wird der Druckverlust zusätzlich verringert, bei mindestens gleich bleibender Kühlleistung. Die Abstandsbuckel, welche auch als Beulen ausgebildet werden können, dehnen sich dabei während eines Lötvorganges aus, so dass eine qualitativ hochwertige Lötverbindung zustande kommt. So that now two inner cassettes occupy a distance to each other to form a flow channel located therebetween, the inner cassettes have outwardly directed Abstandsbuckel. The respective inner cassettes, which are located completely on the outside, then abut against the inner circumferential surface of the shell with their spacing humps. Optionally, it is possible that the shell also has inwardly directed distance humps. The distance bumps continue to increase the surface area available for each heat exchanger, which further increases the cooling capacity. Furthermore, the ends of the inner cassettes are designed to converge. As a result, the cross section for the entering or exiting exhaust gas is then kept as large as possible in each case on the exhaust gas inlet and outlet side, which benefits a very low pressure loss of the exhaust gas heat exchanger according to the invention. Due to the further reduction in wall thickness due to the use of duplex steel according to the invention, the pressure loss is additionally reduced, with at least the same cooling capacity. The distance hump, which can also be formed as bumps, thereby expanding during a soldering process, so that a high-quality solder joint comes about.
Nunmehr werden dann die mindestens zwei Innenkassetten übereinander gestapelt und in der Hülle positioniert. Hierzu ist besonders bevorzugt wiederum die Hülle als Außenschale zweischalig ausgebildet, wobei beide Schalen miteinander verlötet sind. Hierzu sind wiederum die Schalen der Hülle im Querschnitt U-förmig konfiguriert und mit den jeweils freien Enden des U´s ineinander steckbar sowie über einen thermischen Fügeprozess, insbesondere Lötprozess, miteinander koppelbar.Now, the at least two inner cassettes are then stacked one above the other and positioned in the shell. For this purpose, the sheath is particularly preferably in turn formed as an outer shell of two shells, wherein both shells are soldered together. For this purpose, in turn, the shells of the shell are configured in a U-shaped cross-section and with the respective free ends of the U's plugged into each other and coupled to one another via a thermal joining process, in particular soldering process.
Besonders bevorzugt wird für den Duplexstahl der Hülle und im Falle der Verwendung von Duplexstahl bei einer Innenkassette auch für diese ein Duplexstahl der Legierung 1.4462 oder 1.4362 oder 1.4162 verwendet. Hierbei tritt ein Optimum aus Formgebungsfreiheit, Korrosionsbeständigkeit sowie Resistenz gegen Temperatureinwirkung auf. Particularly preferred for the duplex steel of the shell and in the case of the use of duplex steel in an inner cassette for these a duplex steel alloy of 1.4462 or 1.4362 or 1.4162 is used. An optimum of freedom from deformation, corrosion resistance and resistance to the effects of temperature occurs here.
Als Lötverfahren wird bevorzugt ein Hartlöten verwendet, wobei dieses wiederum insbesondere in einem Durchlauf- oder Vakuumofen durchgeführt wird. Ein Lotzusatzwerkstoff wird auf Nickel-Eisen-Basis verwendet. Hierdurch wird auch beim Lotzusatzwerkstoff eine hohe Korrosionsbeständigkeit sichergestellt. Das Phasengleichgewicht bei den Duplexstählen ändert sich durch den Lötprozess nicht. Ferrit und Austenit ist zu jeweils 50 % anteilig vorhanden. Insbesondere beträgt dabei eine Löttemperatur zwischen 980 °C und 1.100 °C.Brazing is preferably used as the brazing process, which in turn is carried out in particular in a continuous or vacuum furnace. A solder additive is used on a nickel-iron basis. As a result, a high corrosion resistance is ensured even when Lotzusatzwerkstoff. The phase balance in the duplex steels does not change as a result of the soldering process. Ferrite and austenite are each present at 50% pro rata. In particular, a soldering temperature between 980 ° C and 1100 ° C.
Mittels der Halter wird der erfindungsgemäße Abgaswärmetauscher an eine Verbrennungskraftmaschine gekoppelt. Die Halter selbst können an die Hülle durch stoffschlüssiges Fügen gekoppelt sein oder bevorzugt auch einstückig und werkstoffeinheitlich an der Hülle ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung sind dann insbesondere die Bauteile der Hülle der Innenkassette und/oder des Lamellenblechs als Blechumformbauteile, insbesondere Tiefziehbauteile, hergestellt. By means of the holder, the exhaust gas heat exchanger according to the invention is coupled to an internal combustion engine. The holders themselves can be coupled to the casing by materially joining or, preferably, also be formed integrally and with the same material on the casing. In the context of the invention, in particular the components of the shell of the inner cassette and / or the lamella plate are then produced as Blechumformbauteile, in particular deep-drawn components.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:Further advantages, features, characteristics and aspects of the present invention are the subject of the following description. Preferred embodiments are shown in the schematic figures. These are for easy understanding of the invention. Show it:
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.In the figures, the same reference numerals are used for the same or similar components, even if a repeated description is omitted for reasons of simplicity.
In
Ferner ist die Hülle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
- 2 2
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 3 3
-
Innenmantelfläche zu
4 Inner jacket surface too4 - 4 4
- Hülleshell
- 5 5
-
Außenmantelfläche zu
6 Outer jacket surface too6 - 6 6
- Innenkassetteinterior cassette
- 7 7
- zweiter Strömungskanalsecond flow channel
- 8 8th
- Lamellenblechlamination plate
- 9 9
-
Innenmantelfläche zu
6 Inner jacket surface too6 - 10 10
-
erste Schale zu
4 first shell too4 - 11 11
-
zweite Schale zu
4 second shell too4 - 12 12
- Halterholder
- 13 13
- Lotspaltsolder gap
- 14 14
- Abstandsbuckeldistance hump
- 15 15
-
Ende zu
6 End to6 - AA
- Abgasexhaust
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