ES2321783B1 - HEAT EXCHANGER FOR GASES, ESPECIALLY OF EXHAUST GASES OF AN ENGINE. - Google Patents
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Abstract
Description
Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.Heat exchanger for gases, especially of the exhaust gases of an engine.
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. En particular, se refiere a intercambiadores de calor que incluyen un conducto by-pass externo integrado.The present invention relates to a heat exchanger for gases, especially gases from engine exhaust In particular, it refers to exchangers of heat including an external bypass duct integrated.
La invención se aplica especialmente a intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC); intercambiadores de gases de escape para la regulación térmica de la línea de escape de los motores gasolina de inyección directa (Exhaust Thermal Regulation o ETR); y refrigeradores del aire de sobrealimentación o intercoolers (Charge Air Coolers o CAC).The invention especially applies to Exhaust gas recirculation exchangers of an engine (Exhaust Gas Recirculation Coolers or EGRC); exchangers exhaust gases for thermal regulation of the exhaust line of Direct injection gasoline engines (Exhaust Thermal Regulation or ETR); and supercharger air coolers or intercoolers (Charge Air Coolers or CAC).
Una práctica bien establecida en el campo de la automoción consiste en proporcionar un sistema de recirculación de los gases de escape de un motor diesel, que se conoce como EGR o "Exhaust Gas Recycling", a fin de mezclar estos gases con el aire de admisión, puesto que la presencia de los gases de escape en la mezcla disminuye la producción de óxidos de nitrógeno (NOx).A well established practice in the field of automotive consists of providing a recirculation system of the exhaust gases of a diesel engine, which is known as EGR or "Exhaust Gas Recycling", in order to mix these gases with the intake air, since the presence of exhaust gases in The mixture decreases the production of nitrogen oxides (NOx).
Antes de ser mezclados con el aire de admisión, los gases de escape pueden ser enfriados en un intercambiador de calor (EGRC o "Exhaust Gas Recycling Cooler") instalado en el bucle del sistema EGR, al objeto de mejorar la eficiencia del sistema.Before being mixed with the intake air, Exhaust gases can be cooled in a heat exchanger heat (EGRC or "Exhaust Gas Recycling Cooler") installed in the EGR system loop, in order to improve the efficiency of the system.
En el bucle del sistema existe además una válvula (válvula EGR) que controla el paso de gases de escape a través del mismo.In the system loop there is also a valve (EGR valve) that controls the passage of exhaust gases to through it.
El intercambiador de calor propiamente dicho puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir en una carcasa tubular en cuyo interior se disponen una serie de tubos paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos; en otra realización, el intercambiador consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas.The heat exchanger itself it can have different configurations: for example, it can consist in a tubular housing inside which a series of parallel tubes for the passage of gases, circulating the refrigerant through the housing, externally to the tubes; in other embodiment, the exchanger consists of a series of plates parallel that constitute the heat exchange surfaces, so that the exhaust gases and the refrigerant circulate between two plates, in alternating layers.
Por otra parte, los intercambiadores de calor comprenden por lo menos un depósito y/o una brida o conexión independiente, mediante la cual está conectado a la línea de recirculación de los gases de escape. Generalmente, dichos intercambiadores comprenden un depósito de entrada y un depósito de salida, estando dichos depósitos acoplados respectivamente a los conductos de entrada y salida de la línea de recirculación mediante sendas conexiones independientes.Moreover, heat exchangers They comprise at least one tank and / or a flange or connection independent, by means of which it is connected to the line of recirculation of exhaust gases. Generally said exchangers comprise an entry tank and a deposit of output, said deposits being coupled respectively to the inlet and outlet ducts of the recirculation line through separate connections.
En algunos casos, los sistemas EGR refrigerados presentan el inconveniente de que los gases de escape circulan por el intercambiador en cualquier condición de funcionamiento del motor a partir del momento en que se abre la válvula EGR: los gases son enfriados tanto cuando el motor está funcionando en régimen estable y su temperatura es elevada, como durante un arranque en frío, cuando la temperatura de los gases es muy inferior.In some cases, refrigerated EGR systems they have the disadvantage that the exhaust gases circulate through the exchanger in any engine operating condition from the moment the EGR valve opens: the gases are cooled both when the engine is running steady and its temperature is high, as during a cold start, when the temperature of the gases is much lower.
Este enfriamiento de los gases cuando su temperatura no es elevada representa un inconveniente desde el punto de vista medioambiental, puesto que incrementa el nivel de emisiones de CO y de hidrocarburos y además conlleva generación de ruido.This gas cooling when your temperature is not high represents an inconvenience from the point of environmental view, since it increases the level of CO and hydrocarbon emissions and also involves generation of noise.
Para solucionar este problema, se utiliza al menos un conducto en derivación, integrado en el intercambiador, adecuado para hacer circular los gases de escape sin que sufran un enfriamiento sustancial. El conducto en derivación, que se puede denominar simplemente "by-pass", permite minimizar el enfriamiento de los gases de escape en algunas situaciones de funcionamiento del motor, por ejemplo arranque en frío, en que su temperatura no es elevada y su enfriamiento sería perjudicial para la emisión de contaminantes.To solve this problem, it is used at minus a bypass duct, integrated into the exchanger, suitable for circulating the exhaust gases without suffering a substantial cooling The bypass duct, which can be simply called "by-pass", allows minimize the cooling of exhaust gases in some engine operating situations, for example starting in cold, in which its temperature is not high and its cooling would be harmful for the emission of pollutants.
El sistema puede comprender una válvula de regulación o by-pass que selecciona el recorrido de los gases de escape a través del intercambiador o a través del conducto en derivación. Dicha válvula de regulación puede estar situada a la entrada o bien a la salida del intercambiador.The system may comprise a valve regulation or by-pass that selects the path of the exhaust gases through the exchanger or through the bypass duct. Said regulating valve may be located at the entrance or exit of the exchanger.
Dicho conducto by-pass puede estar integrado de manera interna o externa. Un by-pass interno está situado dentro de la carcasa del intercambiador y está rodeado por el refrigerante. Las pérdidas de potencia durante el modo by-pass son mayores que para un by-pass externo.Said bypass pass can be integrated internally or externally. A internal bypass is located inside the housing of the exchanger and is surrounded by the refrigerant. The losses power during bypass mode are greater than for an external bypass.
Debido a los fuertes requisitos del mercado de automóviles en referencia a la potencia máxima disipada en el modo by-pass, para la nueva generación de motores, el by-pass externo es la mejor solución para minimizar las pérdidas de potencia de los gases de escape.Due to the strong market requirements of cars in reference to the maximum power dissipated in the mode by-pass, for the new generation of engines, the external bypass is the best solution to minimize the power losses of the exhaust gases.
En la actualidad, todos los conductos by-pass externos conocidos en el mercado son de sección circular manteniendo el mismo diámetro en toda su longitud. Adicionalmente, dichos conductos by-pass pueden incluir una zona con ondas para absorber las dilataciones térmicas.Currently, all ducts external by-pass known in the market are of circular section maintaining the same diameter throughout its length. Additionally, said by-pass ducts can include an area with waves to absorb the dilations thermal.
Es sabido que el conducto de sección circular es la mejor opción para minimizar las pérdidas de calor durante el modo by-pass.It is known that the circular section duct is the best option to minimize heat losses during bypass mode
En la mayor parte de las configuraciones, el conducto by-pass en intercambiadores EGR implica un volumen importante en el entorno motor. Una de las principales restricciones del diseño del conducto by-pass son las zonas con ondas externas del conducto, destinadas a evitar el choque térmico, lo cual implica un importante volumen adicional.In most configurations, the by-pass conduit in EGR exchangers implies a significant volume in the motor environment. One of the main design restrictions of the by-pass duct are areas with external duct waves, designed to prevent thermal shock, which implies an important additional volume.
Un conducto plano de sección ovalada es la mejor solución en referencia al empaquetamiento, pero en la actualidad no es factible realizar zonas con ondas en un conducto plano. Por tanto, no existen conductos by-pass externos planos ya que el choque térmico no estaría solucionado.A flat duct with an oval section is the best solution in reference to packaging, but currently not It is feasible to make areas with waves in a flat duct. By therefore, there are no flat external by-pass ducts since the thermal shock would not be solved.
El objetivo del intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando un conducto by-pass externo con un diseño constructivo sencillo que permite optimizar el volumen de empaquetamiento del intercambiador.The purpose of the heat exchanger for gases, especially the exhaust gases of an engine of the present invention is to solve the drawbacks of exchangers known in the art, providing a external by-pass duct with a constructive design simple to optimize the packing volume of the exchanger
El intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente invención, es del tipo que comprende un circuito destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración y un conducto by-pass externo, adecuado para hacer circular los gases sin que sufran un enfriamiento sustancial, y se caracteriza por el hecho de que la sección transversal del al menos un extremo del conducto by-pass disminuye progresivamente en al menos una dirección radial según un eje Y o Z, a lo largo de un eje axial X, optimizándose así el volumen de empaquetamiento del intercambiador.The heat exchanger for gases, in special exhaust gas of an engine, object of the present invention, is of the type comprising a circuit intended for the gas circulation with heat exchange with a fluid cooling and an external by-pass duct, suitable for circulating gases without suffering a substantial cooling, and is characterized by the fact that the cross section of the at least one end of the duct by-pass decreases progressively by at least one radial direction along a Y or Z axis, along an axial axis X, optimizing the packing volume of the exchanger
El intercambiador de la presente invención presenta las siguientes ventajas:The exchanger of the present invention It has the following advantages:
- Se reducen los costes de fabricación ya que en lugar de utilizar un conducto de sección ovalada en toda su longitud, cuya fabricación es más compleja, se parte de un conducto de sección circular cuyos extremos serán aplanados para obtener una reducción del volumen de empaquetamiento del intercambiador. Asimismo, se evita el choque térmico ya que el conducto en su tramo de sección circular puede incluir una zona con ondas para absorber las dilataciones térmicas, mientras que en un conducto de sección ovalada convencional no es factible realizar dichas zonas con ondas.- Manufacturing costs are reduced since in instead of using an oval section duct throughout its length, whose manufacture is more complex, is part of a conduit of circular section whose ends will be flattened to obtain a exchanger packing volume reduction. Likewise, thermal shock is avoided since the duct in its section circular section may include an area with waves to absorb thermal expansion while in a section duct Conventional oval is not feasible to perform these areas with waves.
- Se obtiene una optimización del empaquetamiento del intercambiador al facilitar la integración de otros componentes del motor, ya que el volumen de los depósitos de entrada y salida de gas se reducen, así como la carcasa de la válvula by-pass.- You get an optimization of exchanger packing by facilitating the integration of other engine components, since the volume of deposits gas inlet and outlet are reduced, as well as the housing of the bypass valve
- La reducción de volumen de los componentes del intercambiador tiene un importante impacto en el peso del sistema que se reduce significativamente.- Volume reduction of the components of the exchanger has an important impact on the weight of the system It is significantly reduced.
- Se reducen los costes de fabricación de la válvula by-pass, ya que también se reduce el volumen de la carcasa del intercambiador.- The manufacturing costs of the by-pass valve, since the volume is also reduced of the exchanger housing.
Ventajosamente, la sección transversal del al menos un extremo del conducto by-pass disminuye progresivamente en la dirección radial según el eje Z, a lo largo del eje axial X, aumentando a su vez dicha sección transversal según el eje radial Y, de modo que se mantiene sensiblemente la misma sección transversal de paso de gases en la totalidad del conducto by-pass.Advantageously, the cross section of the al minus one end of the by-pass duct decreases progressively in the radial direction along the Z axis, along of the axial axis X, in turn increasing said cross section along the radial axis Y, so that the same cross section of gas passage in the entire bypass duct.
Preferentemente, la sección transversal del al menos un extremo del conducto by-pass pasa progresivamente desde una sección sensiblemente circular a una sección sensiblemente ovalada.Preferably, the cross section of the al minus one end of the by-pass duct passes progressively from a substantially circular section to a noticeably oval section.
Según una realización de la presente invención, el al menos un extremo del conducto by-pass está centrado con respecto al eje axial X de dicho conducto.According to an embodiment of the present invention, the at least one end of the by-pass duct is centered with respect to the axial axis X of said conduit.
Según otra realización de la presente invención, el al menos un extremo del conducto by-pass está descentrado con respecto al eje axial X de dicho conducto.According to another embodiment of the present invention, the at least one end of the by-pass duct is offset with respect to the axial axis X of said conduit.
Ventajosamente, el intercambiador comprende una válvula de regulación para la selección del circuito a través del cual fluyen los gases.Advantageously, the exchanger comprises a regulating valve for the selection of the circuit through the which gases flow
Preferentemente, el intercambiador comprende un depósito unido a la entrada o a la salida de una carcasa del intercambiador, y una conexión para la unión del depósito a la línea de recirculación de gases de escape.Preferably, the exchanger comprises a tank attached to the entrance or exit of a housing of the exchanger, and a connection for joining the tank to the line recirculating exhaust.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representan dos casos prácticos de realizaciones del intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor de la invención, en los cuales:In order to facilitate the description of how much It has been exposed above are attached some drawings in which, schematically and only by way of non-limiting example, they represent two practical cases of realizations of the exchanger of heat for gases, especially the exhaust gases of an engine of the invention, in which:
la figura 1 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor provisto de un conducto by-pass externo de acuerdo con la invención;Figure 1 is a perspective view of a heat exchanger provided with a conduit external bypass according to the invention;
la figura 2 es una vista en sección longitudinal esquematizada del intercambiador, con el conducto by-pass externo según una primera realización de la invención;Figure 2 is a longitudinal section view schematized of the exchanger, with the duct external bypass according to a first embodiment of the invention;
la figura 3 es una vista en perspectiva del conducto by-pass según la primera realización;Figure 3 is a perspective view of the by-pass duct according to the first embodiment;
la figura 4 es una vista en alzado del conducto by-pass de la figura 3;Figure 4 is an elevation view of the duct bypass of figure 3;
la figura 5 es una vista en perfil del conducto by-pass de la figura 3; yFigure 5 is a profile view of the duct bypass of figure 3; Y
la figura 6 es una vista en sección longitudinal esquematizada del intercambiador, con el conducto by-pass externo según una segunda realización de la invención.Figure 6 is a longitudinal section view schematized of the exchanger, with the duct external bypass according to a second embodiment of the invention.
Una primera realización de la invención se muestra en las figuras 1 a 5.A first embodiment of the invention is shown in figures 1 to 5.
Haciendo referencia a la figura 1, el intercambiador de calor 1 de tipo EGR comprende dos circuitos independientes: un circuito destinado al paso de los gases a enfriar (haz de tubos paralelos o placas apiladas) alojado en una carcasa 2, y un conducto by-pass 3 externo a dicha carcasa 2 del intercambiador.Referring to figure 1, the heat exchanger 1 of type EGR comprises two circuits independent: a circuit intended for the passage of gases to cool (parallel tube bundle or stacked plates) housed in a housing 2, and a by-pass conduit 3 external to said exchanger housing 2.
En un primer caso, el intercambiador 1 puede comprender una pluralidad de tubos paralelos para el paso de los gases a enfriar, circulando el refrigerante dentro de la carcasa 2 exteriormente a dichos tubos; o bien en un segundo caso, el intercambiador 1 puede comprender una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas.In a first case, the exchanger 1 can comprise a plurality of parallel tubes for the passage of gases to cool, circulating the refrigerant inside the housing 2 externally to said tubes; or in a second case, the exchanger 1 may comprise a series of parallel plates that they constitute the heat exchange surfaces, so that Exhaust gases and refrigerant circulate between two plates, in alternating layers.
Dicho conducto by-pass 3 incluye una zona central con ondas 4 para absorber las dilataciones térmicas.Said bypass pass 3 includes a central area with waves 4 to absorb the dilations thermal.
El intercambiador 1 también comprende una válvula de regulación (no representada) que regula el camino que recorrerá el flujo de gases a través del intercambiador 1, es decir, o bien a través del haz de tubos o las correspondientes placas, o bien preferentemente a través del conducto by-pass 3, dependiendo de la temperatura de los gases de escape.The exchanger 1 also comprises a regulating valve (not shown) that regulates the path that will travel the flow of gases through exchanger 1, that is, either through the tube bundle or the corresponding plates, or either preferably through the by-pass duct 3, depending on the temperature of the exhaust gases.
Los gases a enfriar entran en el intercambiador 1 desde un conducto de alimentación 5 y a través de un depósito de entrada 6, el cual está acoplado a la carcasa 2 del intercambiador 1. Tanto si los gases pasan por el haz de tubos o las correspondientes placas, o bien si pasan por el conducto by-pass 3, éstos salen por una salida acoplada a una abrazadera 7 situada en el otro extremo del intercambiador 1, que los conducirá hacia el colector de admisión.The gases to cool enter the exchanger 1 from a feed duct 5 and through a reservoir of input 6, which is coupled to the casing 2 of the exchanger 1. Whether the gases pass through the tube bundle or the corresponding plates, or if they pass through the duct by-pass 3, these exit through an output coupled to a clamp 7 located at the other end of the exchanger 1, which will lead them to the intake manifold.
Por otra parte, el fluido refrigerante circula dentro de la carcasa 2, ya sea exteriormente a los tubos o entre las correspondientes placas apiladas tal como se ha mencionado, entre una entrada de fluido 8 y una salida 9.On the other hand, the cooling fluid circulates inside the housing 2, either externally to the tubes or between the corresponding stacked plates as mentioned, between a fluid inlet 8 and an outlet 9.
Tal como puede apreciarse en las figuras 2 a 5, la sección transversal de al menos un extremo 10 del conducto by-pass 3 disminuye progresivamente en la dirección radial según el eje Z, a lo largo del eje axial X, aumentando a su vez dicha sección transversal según el eje radial Y, de modo que se mantiene sensiblemente la misma sección transversal de paso de gases en la totalidad del conducto by-pass 3.As can be seen in Figures 2 to 5, the cross section of at least one end 10 of the conduit bypass 3 progressively decreases in the direction radial along the Z axis, along the axial axis X, increasing to its said cross section along the radial axis Y, so that maintains substantially the same cross section of passage of gases in the entire bypass duct 3.
De este modo, debido a que el al menos un extremo 10 del conducto by-pass 3 presenta una menor altura según el eje z, se consigue reducir el empaquetamiento del intercambiador, y a su vez se evita el choque térmico al incluir dicho conducto by-pass 3 una zona con ondas 4 en su tramo de sección circular.Thus, because the at least one end 10 of the by-pass duct 3 has a smaller height along the z axis, it is possible to reduce the packing of the heat exchanger, and in turn prevents thermal shock by including said by-pass conduit 3 an area with waves 4 in its section of circular section.
Haciendo referencia a las figuras 3 a 5, la sección transversal del al menos un extremo 10 del conducto by-pass 3 pasa progresivamente desde una sección sensiblemente circular a una sección sensiblemente ovalada.Referring to figures 3 to 5, the cross section of at least one end 10 of the duct bypass 3 progressively passes from a section substantially circular to a substantially oval section.
En esta primera realización, el al menos un extremo 10 del conducto by-pass 3 está centrado con respecto al eje axial X de dicho conducto 3.In this first embodiment, the at least one end 10 of the by-pass duct 3 is centered with with respect to the axial axis X of said conduit 3.
Una segunda realización de la invención se muestra en la figura 6. El intercambiador 1a comprende los mismos elementos según las referencias 2 a 9 de la primera realización. La diferencia se encuentra en que el al menos un extremo 10a del conducto by-pass 3 está descentrado con respecto al eje axial X de dicho conducto 3.A second embodiment of the invention will be shown in figure 6. The exchanger 1a comprises the same elements according to references 2 to 9 of the first embodiment. The difference is that the at least one end 10a of the by-pass duct 3 is offset with respect to axial axis X of said conduit 3.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20090610 Kind code of ref document: A1 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2321783B1 Country of ref document: ES |