专利名称：用于发动机排气的热交换方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃发动机，且尤其涉及暴露于内燃发动机排气供给流的热交换器。
背景技术：
本部分的内容仅提供与本发明相关的背景信息，因此可以不构成现有技术。内燃发动机产生排气，包括碳氢化合物(HC)，一氧化碳(C0)，氮氧化物(NOx)，颗粒物质(PM)和其他排放气体。可采用排气再循环(EGR)系统通过用惰性的再循环排气稀释进入的空气来减少氮氧化物(NOx)，从而减少峰值燃烧温度并相应地减少NOx水平。燃烧温度可通过冷却再循环的排气而得以进一步降低，导致浓度更高的再循环排气。EGR系统可包括在再循环排气进入进气歧管之前冷却再循环排气的热交换器。EGR阀或其他计量装置可调节进入进气歧管的排气流量。用于与EGR系统一起使用的热交换器包括排气流再循环通过其的多个热交换管道，这些热交换管道由导热材料构成。热交换管道与吸收通过热交换管道壁的排气的热量的流体(例如发动机冷却剂或空气)接触。通过热交换管道壁的热传递效率在颗粒物质(PM) 淀析和凝结或以其他方式沉积在热交换管道壁上时会降低。已知的包括热交换器的排气系统可包括氧化催化转换器装置，其在热交换器入口的上游，用于与EGR系统一起使用以去除排气供给流中的颗粒物质(PM)，从而减少由于堵塞(S卩，颗粒物质(PM)在热交换器管道壁上的淀析和沉积)而引起的热效率损失。用于EGR系统的热交换器设计可包括补偿在其使用期限期间的热效率损失，包括使热交换器的大小设定为具有过度的传热能力以补偿在其使用期限期间会发生的堵塞。该过度的传热能力会消耗可用的封装空间，增加重量，以及影响热交换器的整体设计。
发明内容
—种用于内燃发动机排气再循环系统的热交换器装置，包括具有第一表面和第二表面的热交换装置。第一表面与在排气系统中流动的排气的再循环部分流体接触，且第二表面与第二流体进行流体接触。第一表面进行表面处理以减少粘附性能，该粘附性能与从排气的再循环部分淀析的颗粒物质的表面张力相关。本发明提供下列技术方案。技术方案1 一种用于内燃发动机的排气再循环系统的热交换器装置，其包括 热交换装置，其包括第一表面和第二表面，其中第一表面与在排气系统中流动的排气
的再循环部分流体接触，且第二表面与第二流体进行流体接触；且
第一表面包括用于减小粘附性能的表面处理，该粘附性能与从所述排气的所述再循环部分淀析出的碳氢化合物分子的表面张力相关。技术方案2 如技术方案1所述的热交换器装置，其中所述表面处理包括涂层，该涂层包括利用化学镀方法涂敷的镍基材料。技术方案3 如技术方案1所述的热交换器装置，其中所述表面处理包括利用物理气相沉积涂敷的类金刚石碳涂层。技术方案4 一种用于保持内燃发动机的排气再循环系统中的热交换装置的热效率的方法，包括
构造所述热交换装置具有第一表面和第二表面，其中第一表面与在所述排气再循环系统中流动的排气的再循环部分流体接触且第二表面与第二流体进行流体接触；和
对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能。技术方案5 如技术方案4所述的方法，其中对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能包括用镍基材料涂敷第
一表面。技术方案6:如技术方案5所述的方法，还包括涂敷利用化学镀工艺涂敷的镍基材料。技术方案7 如技术方案4所述的方法，其中对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能包括对第一表面涂敷类金刚石碳涂层。技术方案8 如技术方案7所述的方法，还包括利用物理气相沉积涂敷所述类金刚石碳涂层。技术方案9 一种用于保持内燃发动机的排气再循环系统中的热交换装置的热效率的方法，包括
构造所述热交换装置具有第一表面和第二表面，其中第一表面与在所述排气再循环系统中流动的排气的再循环部分流体接触且第二表面与第二流体进行流体接触；和对第一表面进行处理以减轻在第一表面上淀析的颗粒物质的沉积并促进其蒸发。技术方案10 如技术方案9所述的方法，其中对第一表面进行处理以减轻在第一表面上淀析的颗粒物质的沉积并促进其蒸发包括用镍基材料涂覆第一表面。技术方案11 如技术方案10所述的方法，还包括涂敷利用化学镀方法涂敷的镍基材料。技术方案12 如技术方案9所述的方法，其中对第一表面进行处理以减轻在第一表面上淀析的颗粒物质的沉积并促进其蒸发包括对第一表面涂敷类金刚石碳涂层。技术方案13 如技术方案12所述的方法，还包括利用物理气相沉积涂敷所述类金刚石碳涂层。
下面将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，图中
图1是根据本发明的发动机系统的二维示意图，该发动机系统包括内燃发动机，涡轮增压器和排气系统；和
图2A和图2B是二维示意图，包括根据本发明的轴流管式热交换器装置的侧视图和端视图。
具体实施方式
现在参考附图，其中所示仅用于示出某些示例性实施例，而不是进行限制，图1示出了发动机系统，该系统包括具有涡轮增压器20的内燃发动机10。发动机10优选构造成以贫化学计量比操作。发动机包括进气系统12和排气系统。进气系统12包括，例如进气歧管，EGR入口和用于在涡轮增压器20的压缩机部分22下游冷却进气的空气-空气热交换装置(空气-空气冷却器)14。排气系统输送从发动机10输出的排气并包括，例如排气歧管16，下流管18，EGR管道19，和排气再循环(EGR)系统30。排气从发动机10流入排气歧管16通过下流管18到达涡轮增压器20的涡轮部分M，且优选地在排入大气之前经过至少一个排气后处理装置26。EGR管道19引导一部分排气进入EGR系统30。在一个实施例中，未处理的排气从发动机10流入排气歧管16通过下流管18，且一部分排气流入EGR管道19以待被再循环进入进气系统。12。EGR系统30包括在热交换器(EGR冷却器)；34下游的EGR阀32。EGR系统30将一部分排气再循环至发动机10的进气系统12，且质量流率由EGR阀32结合发动机操作条件来控制。如图1所示的EGR系统30构造成高压回路EGR系统，且EGR管道19流体连接至下流管18并位于涡轮增压器20的涡轮部分M的上游。可选择地，EGR系统30可构造成低压回路EGR系统，包括流体连接至涡轮增压器20的涡轮部分M下游的排气系统。控制模块在发动机操作期间控制EGR阀32的打开和关闭，以计量，即控制排气的再循环部分进入进气系统12的质量流率。热交换器34构造成在排气的再循环部分与经过热交换器34的第二流体之间传递热，且在一个实施例中包括封装在壳体中的多个圆柱形管子。热交换器34的圆柱形管子由导热材料形成，例如铝或不锈钢。本领域技术人员将明白热交换器34可包括各种热交换器结构中的任意一种。例如，热交换器34可包括管式、板式、壳式或其他利用平行流或对流传热方法的热交换器结构。图2A和图2B示意地示出了热交换器34的示例性实施例的侧视图和端视图，包括轴流管式热交换器，其包括具有用作流体管道的圆柱形管子50的多个热交换装置。圆柱形管子50位于壳体52中。管子50由导热材料制成。每个管子50具有内表面50A和外表面 50B。排气路径形成为穿过包括排气入口 53的热交换器34，该排气入口流体连接至管子50 的内表面50A，该内表面流体连接至排气出口 M。排气入口 53和排气出口 M优选地位于热交换器34的相对端。管子50以平行方式流体连接，使得排气的再循环部分并行地流体流过所有管子50的内表面50A。或者，管子50以串联方式流体连接，使得排气的再循环部分顺序地流体经过管子50的内表面50A。壳体52还包括第二流路，该第二流路包括第二流体入口 55和第二流体出口 56。入口板58和出口板50可分别位于排气进口 53和壳体52 之间以及壳体52和排气出口 M之间。第二流体入口 55和第二流体出口 56连接至第二流体循环系统。第二流体入口阳和第二流体出口 56限定经过圆柱形壳体52的用于第二流体60的第二流路。排气的再循环部分通过排气入口 53流过进入热交换器34的排气路径，且与多个管子50的内表面50A流体接触地流过该多个管子，并通过排气出口 M离开。第二流体60，例如环境空气或发动机冷却剂，流过包含在壳体52内的第二流路且流体接触多个管子50的外表面50B。更具体的，第二流体60进入第二流体入口 55，流体接触管子50的外表面50B，并通过第二流体出口 56离开。入口和出口板58，59将第二流体60容纳在壳体52内。在热交换器34中，热量经过多个管子50的内表面50A和外表面50B 在排气的再循环部分与第二流体60之间交换。在一个实施例中，排气的再循环部分的流向平行于第二流体60的流向。在一个实施例中，排气的再循环部分的流向与第二流体60的流向相反。通过热交换器34的热传递是在内表面50A和外表面50B之间排气的再循环部分与相关的第二流体60之间的温差和热交换管子50的热效率的函数。热交换管子50的热效率受沉积在内表面50A上的绝缘材料的存在的影响。该绝缘材料可包括颗粒物质(PM)和未燃的碳氢化合物，该颗粒物质包括灰和炭烟。该绝缘材料凝结、淀析、凝固和以其他方式沉积在热交换管道50的内表面50A上并粘附于其上。热交换管子50的热效率随着绝缘材料的厚度增加而降低。由燃烧产生的未燃碳氢化合物、颗粒物质和灰根据发动机运行因素和环境条件以不同的浓度存在于排气供给流中。绝缘材料在热交换器34的内表面50A上沉积的量与下列因素相关，这些因素包括EGR质量流率和速度，排气的再循环部分的温度和温度梯度，和热交换器34的内表面50A的表面几何形状。管子50的内表面50A包括经受表面处理51的处理表面。优选地，所有管子50的所有内表面50A都经过了表面处理51。表面处理51通过延迟和阻止在某些运行条件下从排气的再循环部分沉淀析出的颗粒物质的沉积和粘附，缓解在热交换器34的内表面50A上的沉积。表面处理51便于通过蒸发和其他方式来去除沉积的颗粒物质，从而在其中剪切应力能物理地去除沉积的颗粒物质的条件下允许热交换器34的热效率恢复。优选地，该表面处理通过减少和最小化内表面50A的粘附性能，减轻了凝结的颗粒物质的沉积，从而便于蒸发和以其他方式去除沉积的颗粒物质，其中所述粘附性能与从排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关。在一个实施例中，表面处理51包括利用化学镀工艺用镍基材料来涂敷内表面50A 以涂敷材料。在一个实施例中，镍基材料可包括PTFE，利用化学镀工艺来涂敷材料。利用化学镍镀工艺来提供在整个内表面50A上的均勻沉积，而不考虑其物理几何形状。这包括通过顺序地在基化学浴和酸性化学浴中浸浴热交换器34以去除不希望的污物来清洁内表面50A。内表面50A优选地通过弱酸蚀刻或预镀镍被活化。镍基材料通过化学镀的方式被涂敷，其包括化学还原过程，利用镍离子在含有化学还原剂的水溶液中的催化还原来沉积镍金属而不使用电能。溶液中的化学还原剂优选地在内表面50A上的所有位置处都是均勻的，所述均勻性通过搅动来实现以确保金属离子和还原剂的一致浓度。在一个实施例中，表面处理51包括低摩擦材料，利用包括电镀、涂层和喷射之一的方法将所述材料涂敷于内表面50A。在一个实施例中，表面处理51包括涂敷于内表面50A 的类金刚石碳涂层。示例性的类金刚石碳涂层包括利用物理气相沉积方法涂敷的无定形碳 (a-C)和氢化非晶碳(a_C:H)膜，通过该物理气相沉积方法，所述涂层在整个内表面50A上同时沉积。类金刚石碳涂层提供包括高硬度、高电阻性和介质光性能在内的性能。用于最小化与从排气再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能的、应用于内表面 50A的、另一示例性表面处理包括减小表面能的表面处理，例如氮化铬、二硫化钼和镍聚合物复合材料。用于最小化与从排气再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能的、应用于内表面50A的、另一示例性表面处理包括减小内表面50A的表面粗糙度。可通过类似抛光的物理加工、类似蚀刻的化学加工、类似热处理的热加工或应用表面涂层来减小表面粗糙度。用于最小化与从排气再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能的、应用于内表面50A的、另一示例性表面处理包括应用非棒状材料，例如诸如碳氟化合物，含氟聚合物和氟硅橡胶的材料。使用EGR系统30能消除为从排气供给流中去除颗粒物质(PM)而对热交换器入口上游的氧化催化转换装置的需要，从而减少由于堵塞而引起的热效率的损失，其中EGR系统包括具有管子50的内表面50A的热交换器34，该内表面包括经过表面处理51以减少从排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的沉积的内表面。已经描述了本发明的特定实施例以及其修改。本领域技术人员通过阅读和理解本说明书可进行其他修改和变形。因此，本发明并不受作为实施本发明的最佳方式而公开的具体实施例的限制，相反本发明包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于内燃发动机的排气再循环系统的热交换器装置，其包括热交换装置，其包括第一表面和第二表面，其中第一表面与在排气系统中流动的排气的再循环部分流体接触，且第二表面与第二流体进行流体接触；且第一表面包括用于减小粘附性能的表面处理，该粘附性能与从所述排气的所述再循环部分淀析出的碳氢化合物分子的表面张力相关。
2.如权利要求1所述的热交换器装置，其中所述表面处理包括涂层，该涂层包括利用化学镀方法涂敷的镍基材料。
3.如权利要求1所述的热交换器装置，其中所述表面处理包括利用物理气相沉积涂敷的类金刚石碳涂层。
4.一种用于保持内燃发动机的排气再循环系统中的热交换装置的热效率的方法，包括构造所述热交换装置具有第一表面和第二表面，其中第一表面与在所述排气再循环系统中流动的排气的再循环部分流体接触且第二表面与第二流体进行流体接触；和对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能。
5.如权利要求4所述的方法，其中对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能包括用镍基材料涂敷第一表面。
6.如权利要求5所述的方法，还包括涂敷利用化学镀工艺涂敷的镍基材料。
7.如权利要求4所述的方法，其中对第一表面进行处理以减少与从所述排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能包括对第一表面涂敷类金刚石碳涂层。
8.如权利要求7所述的方法，还包括利用物理气相沉积涂敷所述类金刚石碳涂层。
9.一种用于保持内燃发动机的排气再循环系统中的热交换装置的热效率的方法，包括构造所述热交换装置具有第一表面和第二表面，其中第一表面与在所述排气再循环系统中流动的排气的再循环部分流体接触且第二表面与第二流体进行流体接触；和对第一表面进行处理以减轻在第一表面上淀析的颗粒物质的沉积并促进其蒸发。
10.如权利要求9所述的方法，其中对第一表面进行处理以减轻在第一表面上淀析的颗粒物质的沉积并促进其蒸发包括用镍基材料涂覆第一表面。
全文摘要
本发明涉及用于发动机排气的热交换方法和设备。一种用于内燃发动机的排气再循环系统的热交换装置包括具有第一表面和第二表面的热交换装置。第一表面与排气系统中流动的排气的再循环部分流体接触且第二表面与第二流体流体接触。第一表面进行了表面处理以减少与从排气的再循环部分淀析出的颗粒物质的表面张力相关的粘附性能。
文档编号F28F19/06GK102251882SQ20111011668
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月7日
发明者克纳夫尔 A., G. 塞姆科维奇 P. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司