廢氣熱交換器,特別是用於汽車廢氣再循環的廢氣冷卻器的製作方法

2023-04-25 12:44:56 4

專利名稱：廢氣熱交換器,特別是用於汽車廢氣再循環的廢氣冷卻器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢氣熱交換器，特別是根據權利要求1的前序部分所述、用於汽車廢氣再循環的廢氣冷卻器。
背景技術：
廢氣熱交換器一方面用於冷卻劑的加熱，另一方面用於廢氣的冷卻，也就是說作為汽車廢氣再循環中的廢氣冷卻器。眾所周知，廢氣再循環(簡稱AGR)用於減少消耗，降低排放量。例如，DE-C 199 06 401就公開了一種廢氣再循環系統。但這種廢氣熱交換器特別是廢氣冷卻器具有一個問題，即柴油機排氣在廢氣冷卻器的廢氣通道中形成積炭。EP-A 677 715和DE-A 195 40683則建議在廢氣冷卻器的廢氣通道中安裝紊流機構，來防止廢氣流中的積炭。為此，在廢氣通道的內側呈V形布置了舌狀物或凸起物，即所謂的小翅片，用來在廢氣流中產生特殊的紊流。但這些措施並不足以防止積炭的形成。由於積炭將導致相關廢氣熱交換器的效率下降，從而使得人們在設計時必須加大廢氣冷卻器的尺寸。

發明內容
本發明的目的是改善這種熱交換器，特別是本說明書開頭所提及的這種廢氣冷卻器，以防止或減少在廢氣通道中的積炭。
這一目的可通過具有權利要求1和2所述特徵的熱交換器實現。按照本發明，將一個氧化催化器特別是柴油機氧化催化器與廢氣熱交換器連接或布置在其上遊。根據權利要求1，這種熱交換器具有任意一種廢氣通道，例如片狀通道，而根據根據權利要求2，廢氣熱交換器具有由廢氣管構成的管束。這種廢氣熱交換器還可以具有一個帶廢氣閥的旁通管道。發明人發現，廢氣冷卻器中的積炭與廢氣中的碳氫化合物有關。發明人還發現，廢氣中所含的碳氫化合物會在被冷卻劑冷卻的廢氣通道或廢氣管的內壁上冷凝，並且碳煙顆粒粘附在內壁上。由於柴油機廢氣中含有大量的氧氣，通過將柴油機氧化催化器與廢氣冷卻器相連或前置，可將碳氫化合物氧化成二氧化碳和水。由於碳氫化合物冷凝所形成的「膠質」(Klebstoff)則以這種方式被大量去除掉。這樣的優點在於，在廢氣通道內壁上沉積和粘附的碳煙數量減少，從而改善了廢氣通道或廢氣管的導熱和傳熱。
汽車排氣系統中的柴油機氧化催化器(縮寫為DOC)已眾所周知。這種催化器裝有一個金屬或陶瓷蜂窩載體，它由眾多精細的廢氣通道構成，廢氣管道上塗有一種催化物質，如貴金屬鉑等。在使用這種催化器的情況下，碳氫化合物在廢氣中的過剩氧氣中氧化生成二氧化碳和水。DE-A 29 24 592和DE-A 35 43 011對這種催化器的具有高品質鋼載體的結構進行了描述。這種金屬載體由一個平整和一個波浪形的、螺旋卷繞的帶料構成，帶料在卷繞後被釺接或焊接。接著在蜂窩載體上按已知方法塗覆一層催化劑。發明人採納了這種技術，將這種排氣系統中的柴油機氧化催化器「移植」到廢氣再循環中，並與一個廢氣冷卻器接通，從而取得了意想不到的效果。
在本發明的一個優選結構中，氧化催化器被布置在廢氣再循環管路(AGR管路)中，廢氣再循環管路優選地通過一個法蘭與廢氣熱交換器相連，還可採用現有技術下的其它連接方式，如V形卡圈、滑動配合或其它已知的管連接方式。這樣可將氧化催化器作為一個單獨的部件插入到AGR管路中在廢氣熱交換器之前的適當位置並焊接。
按照本發明的一個優選結構，氧化催化器和廢氣熱交換器合為一體，即成為廢氣熱交換器的一部分。這樣就可將集成部件預先製成，然後插入到AGR管路中，從而簡化了安裝。
在本發明另外的優選結構中，氧化催化器直接安裝在引入管之前，特別是布置在一個管接頭之中，管接頭則通過一個法蘭與AGR管路相連，這裡也可以如前所述採用其它連接方式。這樣就將廢氣熱交換器的引入管延長，延長長度相當於一個裡面裝有氧化催化器的管接頭的長度。這就使結構變得簡單。
在本發明另外的優選結構中，氧化催化器布置在引入管中，在這裡，引入管優選地成為擴散器。氧化催化器覆蓋了擴散器的橫斷面和大部分流量，這樣的優點在於將結構長度大幅度減少，因為氧化催化器是被插入到廢氣熱交換器已有的空間中。氧化催化器的穿流通道也可象擴散器那樣延長，從而發揮廢氣擴散器的作用。
按照本發明的另一個優選結構，廢氣熱交換器中在廢氣側的通道塗有一種催化物質，也就是說，氧化催化器與廢氣熱交換器的管束合為一體。本發明中的這種結合形成一個緊湊的結構，因為這樣就不再需要另外的以金屬或陶瓷載體形式出現的催化劑載體。這樣就帶來另一個優點，即廢氣側的壓降減少。
按照本發明的一個優選結構，位於廢氣熱交換器之前的廢氣管路或廢氣管路中被廢氣流衝擊的部分塗有一種催化物質，這樣也具有氧化催化器的優點。同時具有優點的是裝上渦流片，將廢氣流中的顆粒和小滴狀物送到塗有催化劑的廢氣管壁上。
按照本發明另一個優選的結構，廢氣熱交換器布置在一個AGR管路中，這個管路要麼在廢氣渦輪之前要麼在它之後與發動機的廢氣管路相連。這樣在廢氣熱交換器的進口處就會出現不同的廢氣溫度。


下面通過實施例和附圖對本發明進行詳細說明。其中，圖1中是第一個實施例，它帶有一個在AGR管路中的催化器，圖2中是第二個實施例，它帶有一個位於引入管之前的催化器，圖3中是第三個實施例，它帶有一個在引入管之中的催化器，圖4中是第四個實施例，它帶有塗有催化物質的廢氣管，圖5是廢氣再循環系統的示意圖。
具體實施例方式
圖1中所示只是廢氣冷卻器1的大約一半，它由一個廢氣管2組成的管束和殼體3構成。一個引入管4接在殼體3上，形成擴散器。管2與圖中簡略畫出的管板5相連，管板與殼體3焊接在一起。圖中未示的另一半廢氣冷卻器1基本上與圖中所示的這一半對稱。法蘭6固定在擴散器4上，它將廢氣冷卻器1與廢氣再循環管路7(後面稱為AGR管路)連接。廢氣沿箭頭P所示方向穿過廢氣冷卻器1，在這裡，AGR管路7是汽車內燃機(圖中未示)的已公知的AGR系統的一部分(參見圖5)。廢氣管2被一種冷卻劑冷卻，冷卻劑來自內燃機的冷卻劑迴路(圖中未示)並在殼體3中穿流。沿流動方向，在法蘭6之上布置著一個柴油機氧化催化器8，它被廢氣沿箭頭P所示的方向穿流。柴油機氧化催化器8(後面稱為催化器)與所公開的現有技術一樣，由一個塗有催化物質的蜂窩載體構成。
在與一個AGR系統(參見圖5)中的催化器8相連的情況下，廢氣冷卻器1的功能如下從一個內燃機(圖中未示)的廢氣管道分流出的廢氣沿箭頭P所示的方向，經過AGR管路7進入到催化器8中。這裡的內燃機指柴油發動機，也就是說，柴油機廢氣中含有碳氫化合物(HC)以及氧氣。在催化器8中穿流時，廢氣與催化物質如貴金屬鉑接觸，導致碳氫化合物被氧氣氧化。氧化時形成二氧化碳(CO2)和水(H2O)。隨後進入到擴散器4和廢氣管2中的廢氣所含有的碳氫化合物成分大幅度減少，而碳氫化合物會由於冷卻劑的冷卻作用在廢氣管的內壁上冷凝。此外，廢氣還含有碳煙顆粒，它們會在廢氣管內壁上沉積，這一沉積過程還會由於碳氫化合物冷凝物的存在而加劇。由於廢氣中的碳氫化合物含量減少，積炭的加劇趨勢被中斷，因為不會再出現或出現很少的碳氫化合物的冷凝物。這樣，在運行過程中廢氣冷卻器1的廢氣側明顯變得更乾淨，從而提高了效率，延長了使用壽命。圖2中是發明的另一個實施例，即具有廢氣管2、殼體3和擴散器4的廢氣冷卻器1(下面相同的部件均採用相同的標號)。管接頭9與擴散器4上最狹窄的位置連接，柴油機氧化催化器10(後面稱為催化器)則裝在管接頭之內。廢氣冷卻器1的管接頭9通過法蘭11與AGR管路12相連，後者被廢氣沿箭頭P所示方向穿流。催化器10與圖1中實施例的催化器8相似。
圖3中是本發明的又一個實施例，即具有廢氣管2、殼體3和擴散器4的廢氣冷卻器1。擴散器4在它最狹窄的位置處通過法蘭13與AGR管路14連接，後者被再循環的廢氣沿箭頭P所示方向穿流。在擴散器4中，即橫斷面沿流動方向不斷擴大的引入管中布置著柴油機氧化催化器15，它充滿了擴散器4的整個斷面。廢氣中所含的碳氫化合物在穿過擴散器7中的催化器15時被氧化，這樣廢氣在所含的碳氫化合物成分減少後到達廢氣管2，從而防止或減少積炭的形成。
圖4中是發明的第四個實施形式，在圖中有廢氣冷卻器1、殼體3、擴散器4和與廢氣再循環管路18連接的法蘭17，其中，廢氣再循環管路被再循環的廢氣沿箭頭P所示方向穿流。廢氣冷卻器1的廢氣管16(圖中簡略畫出)塗有一種催化物質，它與柴油機氧化催化器8、10、15通常所塗的催化物質相同，即貴金屬如鉑。廢氣直接進入到塗有催化物質的廢氣管16中，在那裡發生如前面所述的催化反應，即碳氫化合物的氧化。在這裡不需再將催化器插入到廢氣管或AGR管路中，從而避免廢氣出現壓降。同樣，前面實施例中的蜂窩載體也取消了，從而避免了與蜂窩載體相關的問題。
還有一種改型未在圖中顯示，即AGR管路以及AGR管路中被廢氣衝擊的部分塗有催化物質，同時還設有將顆粒和小滴狀物送到塗有催化劑的管壁上的渦流片。
圖5是廢氣再循環系統20的示意圖，其中有內燃發動機2以及與它相連的進氣管22和排氣管23。在進氣管22中布置著一個由廢氣渦輪24驅動的渦輪增壓器25，它將進氣壓縮並輸往增壓空氣冷卻器26。廢氣渦輪24布置在排氣管23中，並被內燃發動機21的廢氣推動。帶有廢氣再循環閥29和廢氣熱交換器30的廢氣再循環管路28，在分支點27與排氣管23以及在連接點31與進氣管22相連。這樣廢氣被冷卻後再循環。廢氣則在分支點27即在廢氣渦輪24前分流出來。按照一個替代形式，即圖中虛線所示的廢氣再循環管路32，廢氣在廢氣渦輪24之後的分支點33處分流出來。廢氣熱交換器30與本發明前述的、帶有氧化催化器(這裡圖中未示)的廢氣熱交換器相同。另外，廢氣熱交換器30也可以是一個帶有旁路和廢氣旁路閥的廢氣熱交換器，如同DE 102 03 003 A1所述。
權利要求
1.廢氣熱交換器，包括用於汽車廢氣再循環(AGR)的廢氣冷卻器(1)，帶有被廢氣穿流的管道，其特徵在於，一個包括氧化催化器或柴油機氧化催化器的催化器(8、10、15、16)與廢氣熱交換器(1)連接或布置在其上遊。
2.廢氣熱交換器，包括用於汽車廢氣再循環(AGR)的廢氣冷卻器(1)，帶有被廢氣穿流並被冷卻劑繞流的管子(2)，它們被一個輸送冷卻劑的殼體(3)包圍並且管端固定在管板(5)中，引入管(4)則在廢氣側與殼體相連，其特徵在於，一個包括氧化催化器或柴油機氧化催化器的催化器(8、10、15、16)與廢氣熱交換器(1)連接或布置在其上遊。
3.根據權利要求1或2所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，催化器(8)布置在一個與廢氣熱交換器(1)相連的廢氣再循環管路AGR管路(7)中。
4.根據權利要求3所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，位於催化器(8)上遊的AGR管路(7)通過一個包括一個法蘭(6)的管連接，與廢氣熱交換器(1)相連。
5.根據權利要求1或2所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，催化器(10、15)與廢氣熱交換器(1)合為一體。
6.根據權利要求2所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，催化器(10)直接布置在引入管(4)之前。
7.根據權利要求6所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，催化器(10)布置在一個管接頭(9)中，後者通過一個包括法蘭(11)的管連接與AGR管路(12)相連。
8.根據權利要求2所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，催化器(15)布置在引入管(4)之中。
9.根據權利要求8所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，引入管成為擴散器(4)，並且催化器(15)覆蓋了擴散器橫斷面。
10.根據權利要求5所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，在廢氣側的通道或管子(16)被塗覆了一種催化物質。
11.根據權利要求3所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，沿廢氣流動方向在廢氣熱交換器(1)上遊的AGR管路塗覆或具有一種催化物質或催化性表面結構。
12.根據權利要求11所述的廢氣熱交換器，其特徵在於，AGR管路中的渦流片布置在催化結構之前。
13.廢氣再循環系統，具有一個包括柴油發動機的內燃機(21)，具有一個帶渦輪增壓器(25)和增壓空氣冷卻器(26)的進氣管(22)，一個帶廢氣渦輪(24)的排氣管(23)，一個帶有根據權利要求2到12中任一項所述的廢氣熱交換器(30)並可與進氣管(22)和排氣管(23)相連的AGR管路(28)，其特徵在於，AGR管路(28)沿廢氣流動方向在廢氣渦輪(24)上遊與排氣管(23、27)相連。
14.根據權利要求13前序部分所述的廢氣再循環系統，其特徵在於，AGR管路(28)沿廢氣流動方向在廢氣渦輪(24)下遊與排氣管(23、33)相連。
全文摘要
本發明涉及一種廢氣熱交換器，特別是用於汽車廢氣再循環(AGR)的廢氣冷卻器(1)，它帶有被廢氣穿流的管道。按照本發明，一個催化器(8)，特別是氧化催化器與廢氣熱交換器(1)連接或布置在其上遊。
文檔編號F01N3/28GK1853039SQ200480027084
公開日2006年10月25日 申請日期2004年8月31日 優先權日2003年9月18日
發明者賴納·盧茨 申請人:貝洱兩合公司