Intercambiador de calor de tres pasos para un sistema "EGR". Intercambiador de calor (11,

41) para un sistema EGR que comprende una carcasa (13, 43) que alberga al menos una cámara de refrigeración de gas circulante por una pluralidad de tubos y unos cabezales en sus extremos acoplados al conducto de entrada de gas procedente del colector de escape y al conducto de salida de gas conectado al colector de admisión del motor, que está configurado como intercambiador de calor de tres pasos, es decir, con tres zonas diferenciadas (21, 23, 25; 51, 53, 55) para la circulación de gas desde el conducto de entrada al conducto de salida, estando situados el conducto de entrada y el conducto de salida en extremos opuestos del intercambiador. El intercambiador puede incluir una válvula by-pass (35, 68) y dos cámaras de refrigeración (61, 63) a distinta temperatura

Intercambiador de calor de tres pasos para un sistema "EGR".

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor para un sistema de recirculación de gases de escape (EGR) de un motor de combustión interna y, más particularmente, a un intercambiador de calor con tres pasos diferenciados de circulación del gas en su interior.

Antecedentes de la invención

En la técnica actual se conocen diversos sistemas de recirculación de gases de escapes en motores de combustión interna a los que se llama sistemas EGR.

Estos sistemas recirculan gases de escape desde el colector de escape hacia el colector de admisión del motor tras someterlos a un proceso de enfriamiento, con el fin de reducir la cantidad de emisiones de NOx.

El proceso de enfriamiento se lleva a cabo en unos intercambiadores de calor formados por cámaras de refrigeración que albergan un conjunto de tubos por los que pasa el gas que están rodeados por un líquido refrigerante en permanente recirculación.

Son bien conocidos en la técnica intercambiadores de calor de un solo paso, en el cual el gas de escape entra por un extremo, se distribuye por los tubos mencionados y sale por el lado contrario a una temperatura menor, tras haber cedido calor al líquido refrigerante.

Estos intercambiadores pueden incluir conductos de derivación que permitan la recirculación de gases de escape sin pasar por el intercambiador de calor, bajo el gobierno de una válvula que canaliza los gases de escape bien hacia el intercambiador de calor, bien hacia el conducto de derivación, según unas condiciones preestablecidas.

Las capacidades de un intercambiador de calor para un sistema EGR se definen mediante 2 parámetros:

- Eficiencia. Es la relación entre el enfriamiento obtenido y el máximo enfriamiento que podría obtenerse en las condiciones de trabajo:

Ef = (Teg-Tsg)/(Teg-Tea),

siendo:

Ef = eficiencia

Teg = T entrada gas

Tsg = T salida gas

Tea = T entrada del agua o refrigerante

- Pérdida de carga. Es la caída de presión en el gas debido a los rozamientos, cambios de sección y otras turbulencias que sufre el gas a lo largo de su recorrido por la pieza.

En todo intercambiador de calor para un sistema EGR, se tiende a maximizar la eficiencia, para reducir así el nivel de Nox producido en el motor, y a minimizar la perdida de carga, con el fin de ser capaces de recircular la mayor cantidad de gas de escape.

A la hora de diseñar un intercambiador de calor para un sistema EGR, es necesario también tener en cuenta el espacio disponible en el motor, por lo que con el fin de mejorar la eficiencia de la pieza, no es posible superar una longitud de terminada en cada caso.

En ese sentido, son conocidos intercambiadores de calor para un sistema EGR de doble paso, que cuentan en uno de sus extremos con un cabezal redondeado, que obliga al gas a volver a entrar de nuevo en los tubos sujetos a refrigeración, por lo que el gas realiza dos pasos por ellos, y de ahí su nombre.

En este tipo de intercambiadores, la entrada de gas tiene adjunta la salida, y además permite incorporar una válvula by-pass para saltarse el intercambiador de calor durante los primeros minutos tras el encendido del motor para ayudarle a alcanzar rápidamente la temperatura de régimen y arrancar el catalizador.

El intercambiador de dos pasos es más eficiente que el de uno, si bien la perdida de carga es un poco mayor también (dependiendo del numero de tubos utilizados) y el diámetro exterior de la carcasa es más grande. Sin embargo, en la entrada hay que utilizar una pieza de fundición, que separa la entrada de la salida que lo encarece notablemente.

Sin embargo, si nos encontramos con la salida del colector de escape del que se toma el gas EGR en un extremo del intercambiador y la entrada al colector de admisión en el extremo contrario (a donde debemos llevar el gas tras hacerlo pasar por el intercambiador), nos encontramos en múltiples ocasiones con la necesidad de añadir un tubo exterior para llevar el gas refrigerado al punto de destino.

La necesidad de utilizar este tubo exterior complica los diseños, debido a la falta de espacio en la mayoría de los motores, y en muchas ocasiones hace inviable la utilización de este tipo de intercambiadores.

La industria del automóvil demanda mejoras de los sistemas EGR conocidos para atender diversas necesidades. Una de ella viene motivada por crecientes exigencias de las regulaciones administrativas sobre los límites admisibles de las emisiones de NOx. Otra necesidad a satisfacer es facilitar el montaje de los motores de los automóviles simplificando el diseño de sus componentes para mejorar su capacidad de integración.

Sumario de la invención

La presente invención tiene por objeto proporcionar como elemento integrante de un sistema EGR un intercambiador de calor para gases de escape recirculados de un motor de combustión interna que, como los intercambiadores conocidos, comprende una carcasa que alberga al menos una cámara de refrigeración de gas circulante por una pluralidad de tubos y unos cabezales en sus extremos acoplados al conducto de entrada de gas procedente del colector de escape y al conducto de salida de gas conectado al colector de admisión del motor, y que a diferencia de ellos tiene las siguientes características:

- está configurado como un intercambiador de calor de tres pasos, es decir, con tres zonas diferenciadas para la circulación de gas desde el conducto de entrada al conducto de salida.

- el conducto de entrada y el conducto de salida están situados en extremos opuestos del intercambiador.

El intercambiador puede incluir una válvula by-pass en cuyo caso una de esas tres zonas diferenciadas para la circulación de gas hace la función de un conducto de derivación o by-pass, que, en su caso, puede ser aislado mediante un doble tubo, lo que asegura eficiencias extremadamente reducidas cuando se realiza la función by-pass.

A su vez, el intercambiador puede incluir una sola cámara de refrigeración o dos cámaras de refrigeración a distinta de temperatura albergando la primera de ellas una de las zonas diferenciadas de paso de gas y la segunda de ellas las otras dos.

Entre las ventajas del intercambiador de tres pasos según la invención cabe señalar las siguientes:

- Una elevada eficiencia.

- Una pieza más compacta.

- Entrada y salida en extremos opuestos de la pieza, con lo que no se requieren tubos EGR por el exterior.

- Menor ensuciamiento y por tanto menor pérdida de eficiencia de la pieza.

- No es necesario utilizar una pieza de fundición en la entrada, pudiendo sustituir la por piezas estampadas, mucho más simples y menos costosas.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de una realización ilustrativa, y en ningún sentido limitativa, de su objeto en relación con los dibujos que se acompañan.

Descripción de las figuras

La Figura 1 muestra vistas en sección lateral y transversal de un intercambiador de calor para gases de escape según una primera realización de la presente invención.

Las Figuras 2a y 2b muestran vistas en sección lateral de un intercambiador de calor para gases de escape según una segunda realización de la presente invención, que incluye una válvula by-pass, con los gases circulando por los tubos refrigerados y con los gases pasando por el tubo by-pass, respectivamente.

La Figura 3 muestra una vista en sección transversal de un intercambiador de calor para gases de escape según una tercera, cuarta, quinta y sexta realizaciones de la presente invención.

Las Figuras 4a y 4b muestran vistas en sección lateral de un intercambiador de calor para gases de escape según la tercera realización de la presente invención, que incluye una válvula by-pass, con los gases circulando por los tubos refrigerados y con los gases pasando por el tubo by-pass, respectivamente.

La figura 5 muestra una vista en perspectiva de un intercambiador de calor para gases de escape según una sexta realización de la presente invención y la Figura 6 muestra una vista en perspectiva y en despiece ordenado del mismo.

Descripción...

1. Intercambiador de calor (11, 41) para un sistema EGR que comprende una carcasa (13, 43) que alberga al menos una cámara de refrigeración de gas circulante por una pluralidad de tubos y unos cabezales (15, 17; 45, 47) en sus extremos acoplados al conducto de entrada de gas procedente del colector de escape y al conducto de salida de gas conectado al colector de admisión del motor, caracterizado porque:

a) está configurado con tres zonas diferenciadas (21, 23, 25; 51, 53, 55) para la circulación de gas desde el conducto de entrada al conducto de salida;

b) el conducto de entrada y el conducto de salida están situados en extremos opuestos del intercambiador (11, 41).

2. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 1 caracterizado porque:

a) la carcasa (13) tiene sección circular y las tres zonas diferenciadas de circulación de gas (21, 23, 25) están dispuestas de manera concéntrica dentro de una cámara única de refrigeración;

b) el cabezal de entrada (15) incluye una pieza (27) que, por su lado externo, cierra el acceso del gas de entrada a la zona interior (25) y la zona intermedia (23), pero permite su paso a la zona exterior (21) y, por su lado interno, facilita la circulación del gas desde la zona intermedia (23) a la zona interior (25);

c) el cabezal de salida (17) incluye una cámara de distribución (29) del gas procedente de la zona exterior (21) hacia la zona intermedia (23).

3. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 2, caracterizado porque, al menos, en la zona exterior (21) y en la zona intermedia (23) los tubos de paso de gas están distribuidos en forma de corona.

4. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 1 caracterizado porque:

a) la carcasa (13) tiene sección circular y las tres zonas diferenciadas de circulación de gas (21, 23, 25) están dispuestas de manera concéntrica dentro de una cámara única de refrigeración, estando formada la zona interior (25) por un solo tubo;

b) el cabezal de entrada (15) incluye una pieza (31) con una válvula by-pass (35) para, por un lado, regular el acceso del gas de entrada bien a la zona exterior (21) o bien a la zona interior (25) y, por otro lado, facilitar la circulación del gas desde la zona intermedia (23) a la zona interior (25);

c) el cabezal de salida (17) incluye una cámara de distribución (29) del gas procedente de la zona exterior (21) hacia la zona intermedia (23);

d) la zona interior (25) se extiende a través del cabezal de salida (17) hacia el exterior del intercambiador en función de conducto de salida del gas.

5. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 4, caracterizado porque la válvula by-pass (35) dispone de un actuador proporcional (37) para poder distribuir el gas de entrada entre la zona exterior (21) y la zona interior (25).

6. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 5, caracterizado porque los medios de gobierno de la válvula by-pass (35) permiten controlar dicha distribución teniendo en cuenta la temperatura del gas de salida proporcionada por un sensor de temperatura.

7. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según la reivindicación 4, caracterizado porque en la zona exterior (21) y en la zona intermedia (23) los tubos de paso de gas están distribuidos en forma de corona.

8. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 1 caracterizado porque:

a) la carcasa (43) tiene sección circular, ocupando una de sus mitades la primera zona de circulación de gas (51) y ocupando la otra mitad la segunda zona (53) y la tercera zona (55) de circulación de gas, estando situada ésta última en un lateral próximo a la carcasa (43);

b) el cabezal de entrada (45) incluye una pieza (57) que, por su lado externo, cierra el acceso del gas de entrada a la segunda zona (53) y la tercera zona (55), pero permite su paso a la primera zona (51) y, por su lado interno, facilita la circulación del gas desde la segunda zona (53) a la tercera zona (55);

c) el cabezal de salida (47) incluye una cámara de distribución (69) del gas procedente de la primera zona (51) hacia la segunda zona (53).

9. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 1 caracterizado porque:

a) la carcasa (43) tiene sección circular, ocupando una de sus mitades la primera zona de circulación de gas (51) y ocupando la otra mitad la segunda zona (53) y la tercera zona (55) de circulación de gas, estando situada ésta última en un lateral próximo a la carcasa (13) y estando formada por un solo tubo;

b) el cabezal de entrada (45) incluye una pieza (57) para, por un lado, regular el acceso del gas de entrada bien a la primera zona (51) o bien a la tercera zona (55) mediante un válvula by-pass (68) y, para, por otro lado, facilitar la circulación del gas desde la segunda zona (53) a la tercera zona (55);

c) el cabezal de salida (47) incluye una cámara de distribución (69) del gas procedente de la primera zona (51) hacia la segunda zona (53).

d) la tercera zona (53) se extiende a través del cabezal de salida (47) hacia el exterior del intercambiador en función de conducto de salida del gas.

10. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 9, caracterizado porque la válvula by-pass (68) dispone de un actuador proporcional (77) para poder distribuir el gas de entrada entre la primera zona (51) y la tercera zona (55).

11. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de gobierno de la válvula by-pass (68) permiten controlar dicha distribución teniendo en cuenta la temperatura del gas de salida proporcionada por un sensor de temperatura.

12. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque incluye dos cámaras de refrigeración (61, 63) a diferente temperatura estando ubicada la primera zona de circulación de gas (51) dentro de la cámara de refrigeración con mayor capacidad de enfriamiento (61) y estando ubicada la segunda zona (53) y la tercera zona (55) de circulación de gas dentro de la cámara de refrigeración con menor capacidad de enfriamiento (63).

13. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 12, caracterizado porque las dos cámaras de refrigeración (61, 63) están delimitadas por una placa central (49) situada en el interior de la carcasa externa (43).

14. Intercambiador de calor (41) para un sistema EGR según la reivindicación 12, caracterizado porque las dos cámaras de refrigeración están estructuradas en semi-carcasas (71, 73) separadas.

15. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según cualquiera de las reivindicaciones 3, 7, 8 ó 9, caracterizado porque cada zona diferenciada de circulación de gas (21, 23, 25; 51, 53, 55) incluye un número diferente de tubos de paso de gas.

16. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según cualquiera de las reivindicaciones 3, 7, 8 ó 9, caracterizado porque al menos una de las zonas diferenciadas de circulación de gas (21, 23, 25; 51, 53, 55) incluye tubos de paso de gas de sección circular de diferente diámetro que los tubos de las otras zonas.

17. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según cualquiera de las reivindicaciones 3, 7, 8 ó 9, caracterizado porque al menos una de las zonas diferenciadas de circulación de gas (21, 23, 25; 51, 53, 55) incluye tubos de paso de gas de diferente grado de intercambio de calor que los tubos de las otras zonas.

18. Intercambiador de calor (11) para un sistema EGR según cualquiera de las reivindicaciones 3, 7, 8 ó 9, caracterizado porque al menos una de las zonas diferenciadas de circulación de gas (21, 23, 25; 51, 53, 55) incluye tubos de paso de gas de diferente sección transversal que los tubos de las otras zonas.