EP1925899B1 - Echangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur - Google Patents

Echangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur Download PDF

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EP1925899B1
EP1925899B1 EP07120252A EP07120252A EP1925899B1 EP 1925899 B1 EP1925899 B1 EP 1925899B1 EP 07120252 A EP07120252 A EP 07120252A EP 07120252 A EP07120252 A EP 07120252A EP 1925899 B1 EP1925899 B1 EP 1925899B1
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EP
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exchanger
egr valve
rim
branch pipe
connecting means
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Francisco Lopez Lazaro
Abel Ruiz
Silvia Guillen Lambea
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Valeo Termico SA
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Valeo Termico SA
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0219—Arrangements for sealing end plates into casing or header box; Header box sub-elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F02M26/32—Liquid-cooled heat exchangers
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    • F02M26/25—Layout, e.g. schematics with coolers having bypasses
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for gas, in particular for the exhaust gases of an engine.
  • the invention is particularly applicable to exhaust gas recirculation exchangers (Exhaust Gas Recirculation Coolers or EGRC), exhaust gas exchangers for the exhaust line thermal regulation (ETR) , and charge air coolers or intercoolers (Charge Air Coolers or CAC).
  • EGRC exhaust Gas Recirculation Coolers
  • ETR exhaust line thermal regulation
  • CAC Charge Air Coolers
  • a well-established practice in the automotive field is to use a diesel engine exhaust gas recirculation system, known as EGR or "Exhaust Gas Recycling", to mix these gases with the engine. intake air since the presence of the exhaust gas in the mixture reduces the formation of nitrogen oxides (NOx).
  • EGR diesel engine exhaust gas recirculation system
  • NOx nitrogen oxides
  • the exhaust gases Before being mixed with the intake air, the exhaust gases can be cooled in a heat exchanger (EGRC or "Exhaust Gas Recycling Cooler”) installed in the loop of the EGR system, with the aim of improving the efficiency of the system.
  • EGRC Exhaust Gas Recycling Cooler
  • the system loop further includes a valve (EGR valve) regulating the passage of exhaust gases therethrough.
  • EGR valve regulating the passage of exhaust gases therethrough.
  • the heat exchanger itself can have several different configurations: it can, for example, include a tubular carcass inside which are arranged a series of tubes parallel for the passage of gases, the cooling fluid flowing in the carcass outside the tubes; in another embodiment, the exchanger consists of a series of parallel plates constituting the heat exchange surfaces, so that the exhaust gas and the cooling fluid circulate between two plates in alternating layers.
  • the carcass is joined to the lines of the recirculation line by connecting means which may take the form of a V-shaped connection or a peripheral flange or flange, depending on the design of the recirculation line where assembly of the exchanger.
  • peripheral rim may be assembled together with a gas reservoir, the gas reservoir then constituting an intermediate piece between the carcass and the rim.
  • the rim can also be assembled directly on the carcass. This design is often the case where the heat exchanger is attached directly to an EGR valve.
  • the most common design incorporates a bypass conduit carrying coolant fluid, flowing through the EGR exchanger, to the EGR valve. Since the EGR exchanger is assembled to the EGR circuit by a peripheral rim, it is therefore necessary to manufacture the bypass duct of the cooling fluid by incorporating it into said peripheral rim.
  • the peripheral flange integrating the bypass duct of the cooling fluid has a complex configuration whose manufacture generally requires a process of microfusion or sintering.
  • this type of process has the disadvantage of being expensive because of the complexity of the workpiece.
  • the patent DE 10359054 discloses a method of manufacturing a peripheral flange by stamping, the peripheral flange does not integrate any bypass duct.
  • the subject of the present invention is a heat exchanger for gases, in particular for the exhaust gases of an engine, making it possible to overcome the drawbacks of exchangers known in the art, said exchanger benefiting from reduced manufacturing costs and ensuring better integration.
  • bypass duct conveying the cooling fluid of the EGR exchanger to the EGR valve.
  • the gas heat exchanger in particular for the exhaust gases of an engine, object of the present invention, is of the type comprising a plurality of parallel ducts arranged inside a carcass, in which the gases circulate. to cool by exchange thermal with a cooling fluid; connecting means to a conduit of the gas recirculation line; and a bypass duct integrated with said connecting means and for circulating the cooling fluid to an EGR valve regulating the passage of gases through the exchanger; and is characterized in that said connecting means integrated in said bypass duct comprise at least two parts manufactured by stamping.
  • said at least two stamped parts connecting means are joined together by welding.
  • the coupling means integrated in said bypass duct comprise a first peripheral flange connected to the recirculation line and to the EGR valve, and a second rim comprising said stamped bypass duct, the two flanges being joined. between them.
  • the surface of the second flange completely or partially covers the surface of the first flange.
  • the second rim incorporates a tubular section of short length to assemble directly to the carcass.
  • an inlet of the bypass duct is formed in said tubular section and connected to a corresponding hole of the carcass.
  • the two flanges incorporate a cooling fluid inlet orifice from the bypass duct to the EGR valve, and a coolant outlet port from the EGR valve to the cooling circuit.
  • the coupling means also comprise a conduit for guiding the cooling fluid from the EGR valve to the cooling circuit.
  • the heat exchanger 1 is composed of a carcass 2 whose inside contains a bundle of parallel ducts (not shown) for the passage of the gases to be cooled.
  • a cooling fluid circulates in the carcass 2, outside the ducts.
  • the carcass 2 has a substantially rectangular section and is closed to one of its ends to receive the bundle of ducts which, in this case, is of the "U" type, in other words the inlet and the outlet of said ducts are situated on the same side at the free end of the carcass 2.
  • the exchanger 1 also incorporates connection means 3 to a conduit of the gas recirculation line (not shown), and a bypass duct 6 integrated with said connection means 3, for circulating the cooling fluid to an EGR valve (not shown) which regulates the passage of gases through the exchanger 1.
  • said coupling means 3 comprise two peripheral flanges 4,5 produced by stamping.
  • the first peripheral flange 4 is connected to the recirculation line and the EGR valve, and the second peripheral flange 5 comprises said branch duct 6 stamped, the two flanges 4,5 being joined together by welding.
  • the first flange 4 serves to connect the carcass 2 to the recirculation line and the EGR valve, ensuring adequate sealing. Its mechanical strength is ensured by its embossed design having a shape and a size adapted.
  • the second edge 5 makes it possible to create the walls of said bypass duct 6.
  • the surface of said second flange 5 can completely cover the surface of the first flange 4 (see FIG. Figures 1 and 2 ), or, in another embodiment, only a part thereof, so as to save the material (see figure 3 ).
  • the two stamped flanges 4.5 are made of stainless steel, or may be made of any other material that may reduce weight and manufacturing costs.
  • the second rim 5 also incorporates a tubular section 7 of short length to be assembled directly to the carcass 2, for example by welding.
  • the inlet orifice 8 of the bypass duct 6 is formed in said tubular section 7 and connected to a corresponding orifice 9 of the carcass 2.
  • the two flanges 4,5 likewise incorporate a coolant inlet 10 from the bypass duct 6 to the EGR valve, and an outlet 11 of the coolant from the EGR valve to the cooling circuit.
  • the coupling means 3 also comprise a conduit 12 for guiding the cooling fluid, through the outlet orifice 11, from the EGR valve to the cooling circuit (see FIG. figure 3 ).
  • the two peripheral rims 4,5 also incorporate orifices 13 intended to receive hardware elements making it possible to fix them to the duct of the gas recirculation line.
  • the coolant is returned to the cooling circuit through the outlet orifice 11 of the flanges 4,5, being guided by the corresponding conduit 12 of the cooling circuit.

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Description

  • La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur.
  • L'invention s'applique tout particulièrement aux échangeurs de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur (Exhaust Gas Recirculation Coolers ou EGRC), aux échangeurs de gaz d'échappement pour la régulation thermique de la ligne d'échappement (ETR), et aux refroidisseurs de l'air de suralimentation ou intercoolers (Charge Air Coolers ou CAC).
    • ARRIÈRE-PLAN DE L'INVENTION
  • Une pratique bien établie dans le domaine de l'automobile consiste à utiliser un système de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur diesel, connu sous le nom de EGR ou "Exhaust Gas Recycling", afin de mélanger ces gaz à l'air d'admission dans la mesure où la présence des gaz d'échappement dans le mélange permet de réduire la formation d'oxydes d'azote (NOx).
  • Avant d'être mélangés à l'air d'admission, les gaz d'échappement peuvent être refroidis dans un échangeur de chaleur (EGRC ou "Exhaust Gas Recycling Cooler") installé dans la boucle du système EGR, dans le but d'améliorer l'efficacité du système.
  • La boucle du système comprend en outre une soupape (soupape EGR) régulant le passage des gaz d'échappement à travers celui-ci.
  • L'échangeur de chaleur proprement dit peut présenter plusieurs configurations différentes : il peut, par exemple, comprendre une carcasse tubulaire à l'intérieur de laquelle sont disposés une série de tubes parallèles pour le passage des gaz, le fluide de refroidissement circulant dans la carcasse à l'extérieur des tubes ; dans une autre réalisation, l'échangeur se compose d'une série de plaques parallèles constituant les surfaces d'échange de chaleur, de manière à ce que les gaz d'échappement et le fluide de refroidissement circulent entre deux plaques, en couches alternées.
  • La carcasse est jointe aux conduits de la ligne de recirculation par des moyens de raccord qui peuvent prendre la forme d'un raccord en V ou d'un rebord périphérique ou bride, en fonction de la conception de la ligne de recirculation où s'effectue l'assemblage de l'échangeur.
  • Dans le cas d'un rebord périphérique de raccord ou bride, deux conceptions différentes sont possibles. Le rebord périphérique peut être assemblé conjointement avec un réservoir de gaz, le réservoir de gaz constituant alors une pièce intermédiaire entre la carcasse et le rebord. Le rebord peut également être assemblé directement sur la carcasse. Cette conception correspond souvent aux cas où l'échangeur est joint directement à une soupape EGR.
  • Dans certaines applications de circuits EGR, il est nécessaire de refroidir la soupape EGR. Dans ce cas, la conception la plus courante incorpore un conduit de dérivation acheminant le fluide de refroidissement, circulant à travers l'échangeur EGR, jusqu'à la soupape EGR. Comme l'échangeur EGR est assemblé au circuit EGR par un rebord périphérique, il est donc nécessaire de fabriquer le conduit de dérivation du fluide de refroidissement en l'incorporant audit rebord périphérique.
  • Le rebord périphérique intégrant le conduit de dérivation du fluide de refroidissement présente une configuration complexe dont la fabrication nécessite généralement un processus de microfusion ou de frittage. Or, ce type de processus présente l'inconvénient d'être onéreux du fait de la complexité de la pièce à usiner.
  • Le brevet DE 10359054 décrit un procédé de fabrication d'un rebord périphérique par estampage, ce rebord périphérique n'intégrant toutefois aucun conduit de dérivation.
  • La demande de brevet espagnol nº 200600875 , non encore publiée et de même titulaire que la présente invention, décrit un échangeur de chaleur dont le rebord périphérique est intégré en une seule pièce à une plaque de support des extrémités du faisceau de tubes ou un tronçon tubulaire jouant le rôle de réservoir de gaz, ladite pièce étant fabriquée par estampage à partir d'une tôle mince.
  • La demande de brevet international WO 03/09826 A1 décrit un échangeur thermique comportant un conduit de fluide de refroidissement intégré. La demande de brevet européen EP 1367252 A2 décrit un procédé de fabrication d'un réservoir d'entrée d'un échangeur de chaleur par estampage.
  • On ne connaît toutefois aucun échangeur qui incorpore un rebord périphérique fabriqué par estampage et qui intègre en outre un conduit de dérivation permettant d'acheminer le fluide de refroidissement jusqu'à la soupape EGR.
    • DESCRIPTION DE L'INVENTION
  • La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, permettant de remédier aux inconvénients des échangeurs connus dans la technique, ledit échangeur bénéficiant de coûts de fabrication réduits et assurant une meilleure intégration du conduit de dérivation acheminant le fluide de refroidissement de l'échangeur EGR à la soupape EGR.
  • L'échangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, objet de la présente invention, est du type comprenant une pluralité de conduits parallèles disposés à l'intérieur d'une carcasse, dans lesquels circulent les gaz à refroidir par échange thermique avec un fluide de refroidissement ; des moyens de raccord à un conduit de la ligne de recirculation des gaz ; et un conduit de dérivation intégré auxdits moyens de raccord et destiné à faire circuler le fluide de refroidissement jusqu'à une soupape EGR régulant le passage des gaz à travers l'échangeur ; et est caractérisé en ce que lesdits moyens de raccord intégrés audit conduit de dérivation comprennent au moins deux pièces fabriquées par estampage.
  • De cette manière, il est possible de réduire le poids desdits moyens de raccord et d'en diminuer sensiblement les coûts de fabrication par rapport aux moyens de raccord de l'état de la technique fabriqués par microfusion ou frittage.
  • De préférence, lesdites au moins deux pièces estampées des moyens de raccord sont jointes entre elles par soudure.
  • Selon une réalisation de la présente invention, les moyens de raccord intégrés audit conduit de dérivation comprennent un premier rebord périphérique raccordé à la ligne de recirculation et à la soupape EGR, et un deuxième rebord comprenant ledit conduit de dérivation estampé, les deux rebords étant joints entre eux.
  • Facultativement, la surface du deuxième rebord recouvre complètement ou partiellement la surface du premier rebord.
  • Avantageusement, le deuxième rebord incorpore un tronçon tubulaire de faible longueur permettant de l'assembler directement à la carcasse.
  • De préférence, un orifice d'entrée du conduit de dérivation est ménagé dans ledit tronçon tubulaire et raccordé à un orifice correspondant de la carcasse.
  • Avantageusement, les deux rebords incorporent un orifice d'entrée de fluide de refroidissement depuis le conduit de dérivation jusqu'à la soupape EGR, et un orifice de sortie du fluide de refroidissement depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement.
  • De préférence, les moyens de raccord comprennent également un conduit de guidage du fluide de refroidissement depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • Dans le but de faciliter la description de ce qui a été exposé précédemment, on joint des dessins dans lesquels est représenté, sous forme schématique et uniquement à titre d'exemple non limitatif, un cas pratique de réalisation de l'échangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, de l'invention. Dans ces dessins :
    • la figure 1 est une vue en perspective et éclatée des deux rebords périphériques ;
    • la figure 2 est une vue en perspective des deux rebords joints et de la carcasse avant son assemblage à l'ensemble des deux rebords ; et
    • la figure 3 est une vue en perspective des deux rebords et de la carcasse montés, le deuxième rebord présentant un demi-profil selon une autre réalisation.
    DESCRIPTION D'UNE RÉALISATION PRÉFÉRÉE
  • En référence aux figures 1 et 2, l'échangeur de chaleur 1 est composé d'une carcasse 2 dont l'intérieur contient un faisceau de conduits parallèles (non représentés), destinés au passage des gaz à refroidir. Un fluide de refroidissement circule dans la carcasse 2, à l'extérieur des conduits.
  • Dans cet exemple, la carcasse 2 possède une section sensiblement rectangulaire et est fermée à une de ses extrémités pour recevoir le faisceau de conduits qui, dans ce cas, est du type en "U", autrement dit l'entrée et la sortie desdits conduits sont situées du même côté à l'extrémité libre de la carcasse 2.
  • L'échangeur 1 incorpore également des moyens de raccord 3 à un conduit de la ligne de recirculation des gaz (non représenté), et un conduit de dérivation 6 intégré auxdits moyens de raccord 3, destiné à faire circuler le fluide de refroidissement jusqu'à une soupape EGR (non représentée) qui régule le passage des gaz à travers l'échangeur 1.
  • Selon une réalisation de l'invention, comme l'illustrent les figures 1 et 2, lesdits moyens de raccord 3 comprennent deux rebords périphériques 4,5 fabriqués par estampage. Le premier rebord périphérique 4 est raccordé à la ligne de recirculation et à la soupape EGR, et le deuxième rebord périphérique 5 comprend ledit conduit de dérivation 6 estampé, les deux rebords 4,5 étant joints entre eux par soudure.
  • Le premier rebord 4 a pour fonction de raccorder la carcasse 2 à la ligne de recirculation et à la soupape EGR, en assurant une étanchéité adéquate. Sa résistance mécanique est assurée par sa conception estampée présentant une forme et une grosseur adaptées.
  • Une fois soudé au premier rebord 4, le deuxième rebord 5 permet de créer les parois dudit conduit de dérivation 6. La surface dudit deuxième rebord 5 peut recouvrir complètement la surface du premier rebord 4 (voir figures 1 et 2), ou, selon une autre réalisation, uniquement une partie de celle-ci, de façon à économiser le matériau (voir figure 3).
  • Les deux rebords 4,5 estampés sont fabriqués en acier inoxydable, ou peuvent être fabriqués en un autre matériau quelconque susceptible d'en réduire le poids et les coûts de fabrication.
  • Le deuxième rebord 5 incorpore par ailleurs un tronçon tubulaire 7 de faible longueur permettant de l'assembler directement à la carcasse 2, par exemple par soudure.
  • L'orifice d'entrée 8 du conduit de dérivation 6 est ménagé dans ledit tronçon tubulaire 7 et raccordé à un orifice correspondant 9 de la carcasse 2.
  • Les deux rebords 4,5 incorporent de la même manière un orifice d'entrée 10 de fluide de refroidissement depuis le conduit de dérivation 6 jusqu'à la soupape EGR, et un orifice de sortie 11 du fluide de refroidissement depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement.
  • Les moyens de raccord 3 comprennent également un conduit 12 de guidage du fluide de refroidissement, à travers l'orifice de sortie 11, depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement (voir figure 3).
  • Les deux rebords périphériques 4,5 incorporent en outre des orifices 13 destinés à recevoir des éléments de visserie permettant de les fixer au conduit de la ligne de recirculation des gaz.
  • La dérivation vers la soupape EGR s'effectue de la manière suivante:
    • En premier lieu, le fluide de refroidissement circulant dans la carcasse 2 de l'échangeur 1 passe à travers l'orifice 9 en pénétrant dans le conduit de dérivation 6 intégré aux deux rebords 4,5 qui le guide jusqu'à la soupape EGR.
  • Une fois qu'il a traversé la soupape EGR, le fluide de refroidissement est renvoyé au circuit de refroidissement à travers l'orifice de sortie 11 des rebords 4,5, en étant guidé par le conduit correspondant 12 du circuit de refroidissement.

Claims (8)

  1. Échangeur (1) de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur, comprenant une pluralité de conduits parallèles disposés à l'intérieur d'une carcasse (2), dans lesquels circulent les gaz à refroidir par échange thermique avec un fluide de refroidissement ; des moyens de raccord (3) à un conduit de la ligne de recirculation des gaz ; et un conduit de dérivation (6) intégré auxdits moyens de raccord (3) et destiné à faire circuler le fluide de refroidissement jusqu'à une soupape EGR régulant le passage des gaz à travers l'échangeur ; caractérisé en ce que lesdits moyens de raccord (3) intégrés audit conduit de dérivation (6) comprennent au moins deux pièces (4,5) fabriquées par estampage.
  2. Échangeur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites au moins deux pièces estampées (4,5) des moyens de raccord (3) sont jointes entre elles par soudure.
  3. Échangeur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de raccord (3) intégrés audit conduit de dérivation (6) comprennent un premier rebord périphérique (4) raccordé à la ligne de recirculation et à la soupape EGR, et un deuxième rebord (5) comprenant ledit conduit de dérivation (6) estampé, les deux rebords (4,5) étant joints entre eux.
  4. Échangeur (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface du deuxième rebord (5) recouvre complètement ou partiellement la surface du premier rebord (4).
  5. Échangeur (1) selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le deuxième rebord (5) incorpore un tronçon tubulaire (7) de faible longueur permettant de l'assembler directement à la carcasse (2).
  6. Échangeur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un orifice d'entrée (8) du conduit de dérivation (6) est ménagé dans ledit tronçon tubulaire (7) et raccordé à un orifice correspondant (9) de la carcasse (2).
  7. Échangeur (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les deux rebords (4,5) incorporent un orifice d'entrée (10) de fluide de refroidissement depuis le conduit de dérivation (6) jusqu'à la soupape EGR, et un orifice de sortie (11) du fluide de refroidissement depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement.
  8. Échangeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de raccord (3) comprennent également un conduit (12) de guidage du fluide de refroidissement depuis la soupape EGR jusqu'au circuit de refroidissement.
EP07120252A 2006-11-17 2007-11-08 Echangeur de chaleur pour gaz, notamment pour les gaz d'échappement d'un moteur Active EP1925899B1 (fr)

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