BRPI1002462A2

BRPI1002462A2 - refrigerador de gás de exaustão

Info

Publication number: BRPI1002462A2
Application number: BRPI1002462-0A
Authority: BR
Inventors: Luis Carlos Cattani; Paul Gottemoller; Peter Popadiuc; Robert L Rowells; Bashar Y Melhem; Marin R Zielke
Original assignee: Int Engine Intellectual Prop
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-05-15
Also published as: US20110023840A1; EP2280159A1; JP2011033034A; CN101988425A

Abstract

REFRIGERADOR DE GáS DE EXAUSTãO. A presente invenção refere-se a um método de refrigeração de gás de exaustão (F) de um motor em um refrigerador de sistema EGR (10) para recirculação no motor que inclui as etapas de transportar o gás de exaustão do motor para um conjunto de núcleo (22) disposto dentro de um único conjunto de alojamento (20), e dividir o conjunto de alojamento em pelo menos um primeiro volume de refrigerante (42) do refrigerador de sistema EGR (10) e um segundo volume de refrigerante (44) do refrigerador de sistema EGR (10). O conjunto de núcleo (22) se estende pelo menos parcialmente para dentro do primeiro volume de refrigerante (42) e do segundo volume de refrigerante (44). O método inclui ainda as etapas de introduzir um primeiro fluido refrigerante (CF1) no primeiro volume de refrigerante (42), e introduzir um segundo fluido refrigerante (CF2) no segundo volume de refrigerante (44). O gás de exaustão (F) é transportado a partir do conjunto de núcleo (22) para o motor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REFRIGE- RADOR DE GÁS DE EXAUSTÃO".

ANTECEDENTES

A presente invenção refere-se, de modo geral, a sistemas de recirculação de gás de exaustão (EGR) em veículos. Em termos mais espe- cíficos, as modalidades descritas no presente documento se referem aos refrigeradores utilizados nos sistemas EGR em veículos.

A recirculação de gás de exaustão (EGR) é usada para reduzir as emissões de oxido de nitrogênio (NOx) em ambos os motores à gasolina e a diesel. O NOx é basicamente formado quando uma mistura de nitrogênio e oxigênio é submetida a altas temperaturas. Os sistemas EGR recirculam uma porção de um gás de exaustão do motor de volta para os cilindros do motor. A mistura de um ar de entrada fresco com o gás de exaustão recircu- lado dilui a mistura, o que faz baixar a temperatura de chama e reduz a quantidade de oxigênio em excesso. O gás de exaustão também aumenta a capacidade térmica específica da mistura, o que faz baixar a temperatura de combustão de pico. Uma vez que o NOx é mais facilmente formado a altas temperaturas, o sistema EGR limita a geração de NOx ao manter as tempe- raturas baixas.

A maior parte dos sistemas EGR inclui um ou mais refrigerado- res de sistema EGR montados no motor ou em comunicação fluida entre uma tubulação de exaustão e uma tubulação de admissão de um motor. Al- guns motores, especialmente os motores de ignição por compressão ou a diesel, usam o refrigerador de sistema EGR para resfriar a porção do gás de exaustão que é recirculado. O gás de exaustão refrigerado tem um teor me- nor de calor latente e pode ajudar a abaixar ainda mais as temperaturas de combustão. Em geral, os motores que usam o sistema EGR para reduzir suas emissões de NOx podem alcançar emissões mais baixas ao resfriar tanto quanto possível o gás de exaustão recirculado.

Alguns sistemas EGR têm dois refrigeradores de sistema EGR, conhecidos como refrigeradores duplos de sistema EGR. Os dois refrigera- dores de sistema EGR têm alojamentos separados que são montados em série em uma disposição espaçada. O primeiro refrigerador de sistema EGR reduz a temperatura do gás de exaustão, e o segundo refrigerador de siste- ma EGR diminui ainda mais a temperatura do gás de exaustão. Entre os dois refrigeradores de sistema EGR1 existem tipicamente difusores em forma de funil nas entradas e saídas dos refrigeradores de sistema EGR de modo a direcionar o gás de exaustão do primeiro refrigerador de sistema EGR para o segundo refrigerador de sistema EGR.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um método de refrigeração do gás de exaustão de um motor em um refrigerador de sistema EGR para recirculação para o motor inclui as e- tapas de transportar o gás de exaustão do motor para um conjunto de núcleo disposto dentro de um único conjunto de alojamento, e que divide o conjunto de alojamento em pelo menos um primeiro volume de refrigerante e em um segundo volume de refrigerante. O conjunto de núcleo se estende pelo me- nos parcialmente para dentro do primeiro volume de refrigerante e do se- gundo volume de refrigerante. O método inclui ainda as etapas de introduzir um primeiro fluido refrigerante no primeiro volume de refrigerante, e introdu- zir um segundo fluido refrigerante no segundo volume de refrigerante. O gás de exaustão é transportado do conjunto de núcleo para o motor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma vista em seção esquemática de um refrigerador de sistema EGR de dois estágios tendo um único conjunto de alojamento.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A seguir, com referência à figura 1, um refrigerador de sistema EGR é indicado, de modo geral, com o numerai de referência 10 e é configu- rado para ser incorporado em um sistema EGR (não mostrado) na tubulação de exaustão (não mostrada) ou em comunicação fluida entre a tubulação de exaustão e uma tubulação de admissão (não mostrada) de um motor (não mostrado). O refrigerador de sistema EGR 10 recebe um fluxo de gases de exaustão F, por exemplo, a partir da tubulação de exaustão, em uma entrada 12 do refrigerador de sistema EGR e na direção indicada na figura 1. Os ga- ses de exaustão fluem através do refrigerador de sistema EGR 10 para uma saída 14.

Entre a entrada 12 e a saída 14, os gases de exaustão são res- friados no refrigerador de sistema EGR 10 por meio de um fluido refrigerante CF, por exemplo, um refrigerante de motor, como será apresentado em mais detalhes a seguir. Os gases de exaustão podem ser resfriados de aproxima- damente 593°C (1100 graus Fahrenheit) a cerca de 149°C (300 graus Fa- hrenheit), embora outras temperaturas sejam contempladas. No refrigerador de sistema EGR 10, os gases de exaustão são resfriados em dois estágios, um primeiro estágio ou estágio de temperatura mais alta, e um segundo es- tágio ou estágio de temperatura mais baixa. Na direção do fluxo de gás de exaustão F, os gases de exaustão são primeiramente resfriados no estágio de temperatura mais alta seguido do estágio de temperatura mais baixa.

Um primeiro radiador ou radiador de alta temperatura 16 do re- frigerador de sistema EGR 10 forma o primeiro estágio, e fica a montante de um segundo radiador ou radiador de baixa temperatura 18 do refrigerador de sistema EGR 10 que forma o segundo estágio. É possível que mais radiado- res possam ser incorporados ao refrigerador de sistema EGR 10. O primeiro radiador ou radiador de alta temperatura 16 e o segundo radiador ou radia- dor de baixa temperatura 18 ficam alojados em um único conjunto de aloja- mento 20. O posicionamento de ambos o primeiro radiador ou o radiador de alta temperatura 16 e o segundo radiador ou o radiador de baixa temperatu- ra 18 no mesmo conjunto de alojamento 20 reduz as restrições potenciais de fluxo do gás de exaustão F, em comparação com a configuração dupla do refrigerador de sistema EGR convencional, na qual alojamentos de refrige- rador individuais são providos em série. Além disso, o conjunto de alojamen- to único 20 pode ser mais leve e menos oneroso que a provisão de dois ou mais alojamentos de refrigerador individuais.

O refrigerador de sistema EGR 10 tem um conjunto de núcleo 22 que se estende para dentro de ambos o primeiro radiador ou o radiador de alta temperatura 16 e o segundo radiador ou o radiador de baixa temperatu- ra 18. O fluxo de gás de exaustão F fica dentro do conjunto de núcleo 22, que se estende, de modo geral, a partir da entrada 12 para a saída 14. De maneira alternativa, o conjunto de núcleo 22 pode se estender substancial- mente ao longo da distância entre a entrada 12 e a saída 14.

O conjunto de núcleo 22 é, de modo geral, alongado e tem um formato retangular em seção transversal, no entanto, outras formas são i- gualmente possíveis. O conjunto de núcleo 22 inclui uma pluralidade de con- juntos de tubos e aletas 24 que proveem a comunicação fluida do fluxo de gás de exaustão F por todo o conjunto de núcleo 22. Os conjuntos de tubos e aletas 24 podem ser feitos de aço inoxidável, ou de qualquer outro material altamente resistente à corrosão. É possível que os conjuntos de tubos e ale- tas 24 tenham uma disposição espaçada de modo a permitir que o fluido refrigerante CF flua nos espaços entre os conjuntos de tubos e aletas 24.

O conjunto de alojamento 20 é, de modo geral, alongado e re- tangular em seção transversal, e tem um primeiro e um segundo elementos laterais 26, 28 que ficam, de modo geral, paralelos ao conjunto de núcleo 22.

Um terceiro e um quarto elementos laterais (não mostrados) são, de modo geral, similares aos primeiro e segundo elementos laterais 26, 28, mas são de modo geral dispostos no sentido perpendicular aos primeiro e segundo elementos laterais de modo a propiciar o formato de modo geral retangular do conjunto de alojamento 20.

As tampas de extremidade 30, 32 ficam, de modo geral, perpen- diculares ao conjunto de núcleo 22. De modo a formar o conjunto de aloja- mento 20, os elementos laterais 26, 28 são fixados às tampas de extremida- de 30, 32 com prendedores 34. Uma primeira vedação 36 é provida na fixa- ção da tampa de extremidade 30 aos elementos laterais 26, 28, e uma se- gunda vedação 38 é provida na fixação da tampa de extremidade 32 aos elementos laterais 26, 28. É possível que o conjunto de alojamento 20 tenha uma configuração diferente da normalmente retangular.

Um colar 40 é disposto de modo geral transversal ao conjunto de núcleo 22, e separa o primeiro radiador ou radiador de alta temperatura 16 do segundo radiador ou radiador de baixa temperatura 18. O colar 40 pode ser soldado com solda forte ou de outra forma hermeticamente fixado ao conjunto de núcleo 22, e vedado no conjunto de alojamento 20 de modo a formar um primeiro volume de fluido refrigerante 42 e um segundo volume de fluido refrigerante 44. Uma primeira entrada de radiador 46 ao primeiro volume de fluido refrigerante 42 é disposta em um primeiro elemento lateral 26, e uma primeira saída de radiador 48 é disposta em um segundo elemen- to lateral 28. Uma segunda entrada de radiador 50 do segundo volume de refrigerante 44 é disposta em um primeiro elemento lateral 26, e uma segun- da saída de radiador 52 é disposta em um segundo elemento lateral 28. O fluido refrigerante CF pode ainda ter um fluxo paralelo ou uma disposição em contracorrente.

O colar 40 é montado dentro do conjunto de alojamento 20 com uma montagem de vedação 54, que é fixada aos elementos laterais 26, 28. A montagem de vedação 54 inclui uma vedação 56, por exemplo, um anel em O, e elementos de montagem 58 fixados a uma superfície interior dos elementos laterais 26, 28. A vedação 56 se localiza entre o elemento de montagem 58 e o colar 40. O colar 40 pode ter uma porção de extensão 41 que encaixa o elemento de montagem 58. Nesta configuração, o núcleo 22 não contata os elementos laterais 26, 28 do conjunto de alojamento 20, mas tem uma configuração "flutuante". De maneira alternativa, o colar 40 pode ser soldado com solda forte na superfície interior do conjunto de alojamento 20.

O gás de exaustão F flui através da entrada 12 do conjunto de núcleo 22, que é uma abertura situada na tampa de extremidade 30. Um difusor de entrada 60 pode ser fixado à entrada 12 do conjunto de núcleo 22. O difusor de entrada 60 pode ser situado na parte externa, na parte interna ou parcialmente na parte interna / externa do conjunto de alojamento 20. O difusor de entrada 60 pode ter uma entrada de difusor 62 que recebe o fluxo de gás de exaustão F. O gás de exaustão F flui através da entrada de difu- sor 62, através do difusor de entrada 60, através da entrada 12 e através do conjunto de núcleo 22. Um difusor de saída 64 se conecta de forma fluida ao conjunto de núcleo 22 à saída 14.

A tampa de extremidade 32 pode ter um conjunto de duas pe- ças, por exemplo, tendo um primeiro adaptador 66 e um segundo adaptador 68, que, entre os mesmos, recebe o difusor de saída 64. Os adaptadores 66, 68 mantêm o conjunto de núcleo 22 na configuração flutuante dentro do con- junto de alojamento 20. Uma vedação 70, por exemplo, um anel em O, veda o fluido refrigerante CF dentro do segundo volume de fluido refrigerante 44.

O fluido refrigerante CF1 flui através do primeiro radiador ou ra- diador de alta temperatura 16 entre o conjunto de alojamento 20 e o conjunto de núcleo 22, e no caso em que os conjuntos de tubos e aletas 24 têm uma relação espaçada, entre os conjuntos de tubos e aletas. O colar 40 veda o fluxo de fluido refrigerante CF dentro do primeiro radiador ou radiador de alta temperatura 16. Na primeira entrada de radiador 46 do primeiro radiador ou radiador de alta temperatura 16, o fluido refrigerante tem cerca de 104°C (220 graus Fahrenheit), no entanto outras temperaturas são igualmente con- templadas.

O fluido refrigerante CF2 flui através do segundo radiador ou radiador de baixa temperatura 18 entre o conjunto de alojamento 20 e o con- junto de núcleo 22, e no caso em que os conjuntos de tubos e aletas 24 têm uma relação espaçada, entre os conjuntos de tubos e aletas. O colar 40 ve- da o fluxo de fluido refrigerante CF dentro do segundo radiador ou radiador de baixa temperatura 18. Na segunda entrada de radiador 50 do segundo radiador ou radiador de baixa temperatura 18, o fluido refrigerante é de cerca de 43°C (110 graus Fahrenheit), no entanto outras temperaturas são igual- mente contempladas. O segundo fluido refrigerante CF2 tem uma temperatu- ra mais baixa que a do primeiro fluido refrigerante CF1.

É possível que o colar 40 seja soldado nos conjuntos de tubos e aletas 24, o difusor de saída é soldado nos conjuntos de tubos e aletas, e a tampa de extremidade 30 é soldada nos conjuntos de tubos e aletas de mo- do a formar um conjunto de núcleo 22. O conjunto de núcleo 22 é recebido pelos adaptadores 66, 68 da tampa de extremidade 32, uma vez que o con- junto de núcleo é montado e vedado dentro do conjunto de alojamento 20.

Os elementos laterais 26, 28 são fixados às tampas de extremidade 30, 32.

É possível que o refrigerador de sistema EGR 10, incluindo o conjunto de alojamento 20 e o conjunto de núcleo 22, seja feito de ligas re- sistentes à corrosão que ajudam a proteger o refrigerador de sistema EGR contra os gases de exaustão corrosivos.

Claims

1. Refrigerador de sistema EGR para um veículo, o refrigerador de sistema EGR compreendendo: - um único conjunto de alojamento tendo uma entrada e uma saída em comunicação fluida com uma tubulação de exaustão e uma tubula- ção de admissão de um motor; - a único conjunto de núcleo disposto dentro do conjunto de alo- jamento e tendo pelo menos um conjunto de tubos e aletas de modo a co- municar o gás de exaustão da entrada para a saída; - um colar disposto em volta do conjunto de núcleo e fixado ao conjunto de alojamento, de modo a formar um radiador de primeira tempera- tura com um primeiro volume de refrigerante e um radiador de segunda tem- peratura com um segundo volume de refrigerante, o conjunto de núcleo pelo menos parcialmente estendendo-se para o primeiro volume de refrigerante e o segundo volume de refrigerante; - uma primeira entrada de radiador e uma primeira saída de ra- diador no radiador de primeira temperatura para a comunicação do fluido refrigerante tendo uma primeira temperatura; e - uma segunda entrada de radiador e uma segunda saída de radiador para a comunicação de um fluido refrigerante com uma segunda temperatura mais baixa que a primeira temperatura.

2. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o conjunto de núcleo se estende substancialmente por todo o comprimento do conjunto de alojamento.

3. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o conjunto de alojamento é de modo geral alongado e retangular em seção transversal.

4. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, compreendendo ainda um difusor de entrada em comunicação fluida e a montante do conjunto de núcleo.

5. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, compreendendo ainda um difusor de saída em comunicação fluida e a jusante do conjunto de núcleo.

6. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o colar é fixado de maneira vedante ao conjunto de núcleo.

7. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o colar é solado no conjunto de núcleo.

8. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o colar é fixado de maneira vedante ao conjunto de alojamento.

9. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -1, no qual o conjunto de alojamento tem um primeiro e um segundo elemen- tos laterais que ficam, de modo geral, paralelos ao conjunto de núcleo.

10. Método de refrigeração de gás de exaustão de um motor em um refrigerador de sistema EGR para recirculação no motor, o método com- preendendo as etapas de: - transportar o gás de exaustão do motor para um conjunto de núcleo disposto dentro de um único conjunto de alojamento; - dividir o conjunto de alojamento em pelo menos um primeiro volume de refrigerante do refrigerador de sistema EGR e um segundo volu- me de refrigerante do refrigerador de sistema EGR, sendo que o conjunto de núcleo se estende pelo menos parcialmente para o primeiro volume de refri- gerante e para o segundo volume de refrigerante; - introduzir um primeiro fluido refrigerante no primeiro volume de refrigerante; - introduzir um segundo fluido refrigerante no segundo volume de refrigerante; e - transportar o gás de exaustão do conjunto de núcleo para o motor.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, compreendendo ainda a etapa de introduzir o primeiro fluido refrigerante a uma primeira tem- peratura, e introduzir o segundo fluido refrigerante a uma segunda tempera- tura, em que a primeira temperatura é maior que a segunda temperatura.

12. Método, de acordo com a reivindicação 10, compreendendo ainda a etapa de transportar o gás de exaustão através de uma pluralidade de conjuntos de tubos e aletas no conjunto de núcleo.

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, compreendendo ainda a etapa de vedar o primeiro volume de refrigerante contra o segundo volume de refrigerante.

14. Refrigerador de sistema EGR para um veículo, o refrigerador de sistema EGR compreendendo: - um conjunto de alojamento tendo pelo menos um elemento lateral, uma primeira tampa de extremidade tendo uma entrada, e uma se- gunda tampa de extremidade tendo uma saída, em que a entrada e a saída se encontram em comunicação fluida com uma tubulação de exaustão e uma tubulação de admissão de um motor; - um conjunto de núcleo que se estende substancialmente por todo o comprimento do conjunto de alojamento e disposto dentro do conjunto de alojamento, o conjunto de núcleo tendo pelo menos um conjunto de tubos e aletas que se estende substancialmente a partir da entrada para a saída; - um colar disposto de maneira vedante em torno do conjunto de núcleo e fixado de maneira vedante ao alojamento de modo a formar um primeiro volume de refrigerante e um segundo volume de refrigerante; - uma primeira entrada de radiador e uma primeira saída de ra- diador dispostas no pelo menos um elemento lateral e em comunicação flui- da com o primeiro volume de refrigerante de modo a comunicar o fluido refri- gerante tendo uma primeira temperatura; e - uma segunda entrada de radiador e uma segunda saída de radiador dispostas no pelo menos um elemento lateral e em comunicação fluida com o segundo volume de refrigerante de modo a comunicar o fluido refrigerante tendo uma segunda temperatura.

15. Refrigeradorde sistema EGR, de acordo com a reivindicação -14, no qual o conjunto de núcleo não contata o pelo menos um elemento lateral do conjunto de alojamento.

16. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação -14, no qual o conjunto de alojamento é de modo geral alongado e retangular em seção transversal.

17. Refrigerador de sistema EGR1 de acordo com a reivindicação 14, compreendendo ainda um difusor de entrada em comunicação fluida e a montante do conjunto de núcleo.

18. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação 14, no qual o colar é soldado com solda forte no conjunto de núcleo.

19. Refrigerador de sistema EGR, de acordo com a reivindicação 14, no qual a primeira temperatura do fluido refrigerante é maior que a se- gunda temperatura do fluido refrigerante.

20. Refrigerador de sistema EGR1 de acordo com a reivindicação 14, no qual o colar é fixado a uma superfície interna do conjunto de aloja- mento com uma montagem de vedação tendo um elemento de montagem fixado a pelo menos um elemento lateral, e uma vedação localizada entre o elemento de montagem e uma porção de extensão do colar.