ES2267771T3 - Instalacion de gases de escape para motores de combustion. - Google Patents
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Abstract
Instalación de escape para motores de combustión interna, en particular en vehículos automóviles, con un dispositivo de depuración de los gases de escape y un dispositivo de control de la temperatura, dispuesto en el recorrido de los gases de escape entre el motor de combustión interna y el dispositivo de depuración de los gases de escape, con un intercambiador de calor (16'') realizado en forma de un refrigerador por radiación, que está formado con un cárter exterior (40, 42) con tolvas de entrada y de salida (36'', 38'') y con al menos una chapa de radiación (28'') situada en el interior y que radia hacia el cárter, caracterizada porque la al menos una chapa de radiación (28'') en el intercambiador de calor (16'') es mantenida en el cárter (40, 42) únicamente por mediación de puntos de conexión (44, 46) dispuestos a distancia unos de otros, y aislada permanentemente por una capa de aire.
Description
Instalación de gases de escape para motores de
combustión interna.
La invención se refiere a una instalación de
escape para motores de combustión interna, en particular en
vehículos automóviles, de acuerdo con la parte introductiva de la
reivindicación 1.
En el documento DE 197 42 762 C1 que define el
genérico, se conoce una instalación de escape para motores de
combustión interna, en particular en vehículos automóviles, con un
dispositivo de depuración de los gases de escape y un dispositivo
de control de la temperatura, dispuesto en el recorrido de los gases
de escape entre el motor de combustión interna y el dispositivo de
depuración de los gases de escape, con un intercambiador de calor,
que está realizado en forma de un refrigerador por radiación con un
cárter exterior con tolvas de entrada y de salida y con al menos
una chapa de radiación situada en el interior y que radia hacia el
cárter. Concretamente, las chapas de radiación especificadas como
elementos de refrigeración están dispuestas aquí en un recorrido
exterior del conducto del gas de escape y están en contacto,
mediante una conducción de calor en toda su longitud, con la pared
exterior del recorrido exterior del conducto del gas de escape.
Aletas de refrigeración están previstas en sus lados exteriores
para la disipación del calor desprendido sobre la pared exterior.
Tales chapas de refrigeración son igualmente conocidas en el
documento US 3,605,389.
Por otra parte, el objeto de la presente
invención es crear una instalación de escape para motores de
combustión interna, en particular en vehículos automóviles, con un
dispositivo de control de la temperatura que comprende
intercambiadores de calor, que permite una disipación del calor del
intercambiador de calor incluso mejor y más
efectiva.
efectiva.
Este objeto se resuelve de acuerdo con las
características de la reivindicación 1.
De acuerdo con la reivindicación 1, la al menos
una chapa de radiación en el intercambiador de calor es mantenida
en el cárter únicamente por mediación de puntos de conexión
esencialmente, dispuestos a distancia unos de los otros, y aislada
permanentemente por una capa de aire.
Gracias a tal montaje de acuerdo con la
invención, en este caso, la disipación de calor se efectúa
principalmente por radiación de calor y no por conducción de calor,
de forma que, por medio de la chapa de radiación situada en el
interior, la energía térmica puede ser desprendida principalmente en
forma de una radiación electromagnética sobre el cárter que
envuelve a la chapa de radiación. En esta ocasión, la conducción de
calor disipado es proporcional a la superficie y a la cuarta
potencia de la temperatura (ley de Stefan Boltzmann), lo que
significa que, con tal refrigerador por radiación, a una
temperatura creciente de los gases de escape, puede ser desprendida
cada vez más energía térmica sobre el cárter y a partir de este
último hacia el ambiente. Resulta un efecto de refrigeración
fuertemente creciente a temperaturas elevadas.
La otra ventaja de tal construcción consiste en
que en primer lugar, en razón de la pequeña capacidad térmica del
intercambiador de calor, que está fabricado preferentemente a partir
de chapas de paredes delgadas, el catalizador o el adsorbente
situado aguas abajo es recalentado rápidamente a su temperatura de
activación de por ejemplo 250º, por lo cual el refrigerador térmico
ejerce un efecto de refrigeración relativamente pequeño. Durante
una temperatura creciente de los gases de escape y del
intercambiador térmico, las chapas de radiación son fuertemente
recalentadas y desprenden cada vez más energía térmica sobre el
cárter y, a partir de este último, sobre el ambiente. De acuerdo
con la fórmula de cálculo de la cantidad térmica desprendida, la
temperatura pasa entonces a la potencia cuarta en el cálculo.
Resulta de ello un efecto de refrigeración fuertemente creciente a
temperaturas elevadas, gracias al cual es posible que el dispositivo
de depuración de los gases de escape situado aguas abajo, por
ejemplo un catalizador DeNO_{x}, o un catalizador de tres vías,
llegue rápidamente a la temperatura de activación y en su caso a
mantenerla en un dominio de temperatura deseado sin
sobrecalentarse.
De una manera ventajosa para la fabricación y la
construcción, el cárter del intercambiador de calor puede estar
fabricado a partir de al menos dos piezas preformadas de chapa o de
al menos dos semi-envueltas, por ejemplo por
embutición. En producción, al menos una chapa de radiación puede ser
mantenida simplemente entre bridas de ensamblaje, que están
formadas sobre las semi-envueltas del cárter.
Por razones de resistencia y con el fin de
disminuir dado el caso, las emisiones sonoras que aparecen
eventualmente, el cárter puede estar dispuesto en forma de tubos
dispuestos unos al lado de los otros que pueden estar fabricados y
unidos juntos en producción de manera ventajosa, igualmente en forma
de semi-envueltas. Los tubos pueden entonces formar
bien sea directamente el cárter exterior, o bien es posible prever
además un cárter de superficie lisa, que envuelva a los tubos y que
no entre principalmente en contacto conductor de calor con los
tubos. La última realización presenta la ventaja, en caso de una
utilización en vehículos automóviles, de una pequeña resistencia al
aire en caso de flujo laminar.
Preferentemente, el dispositivo de control de
temperatura no puede estar formado, para el dispositivo de
tratamiento de los gases de escape o, según el caso, el catalizador
situado delante, más que por el intercambiador de calor o, según el
caso, su efecto de autorregulación.
Lo que significa que la válvula regulable
descrita precedentemente así como un conducto de derivación no tiene
ya razón de ser.
Varios ejemplos de realización de la invención
son explicados con más detalle en lo que sigue. El plano esquemático
muestra en la
Fig. 1 parcialmente una instalación de escape
para un motor de combustión interna en un vehículo automóvil, con
un intercambiador de calor como dispositivo de control de la
temperatura y un dispositivo de depuración de los gases de escape
unido en serie con un catalizador DeNO_{x};
Fig. 2 una vista desde arriba del
intercambiador de calor de acuerdo con la fig. 1;
Fig. 3 un corte transversal a lo largo de la
línea III-III de la fig. 2 a través del
intercambiador de calor;
Fig. 4 una representación gráfica del
intercambiador de calor de acuerdo con la fig. 1 a 3 con la
representación del flujo térmico que concierne a la temperatura de
gas de escape repartido en porcentajes de convección y en
porcentajes de radiación;
Fig. 5 una vista en planta sobre un
intercambiador de calor modificado, cuyo cárter exterior está
formado por varios tubos montados en serie unos al lado de los
otros;
Fig. 6 un corte trasversal a lo largo de la
línea VI-VI de la fig. 5;
Fig. 7 a 10 realización de las zonas de conexión
entre las semi-envueltas del lado del cárter y la
chapa de radiación a una escala respectivamente ampliada;
Fig. 11 una chapa de protección que debe ser
fijada en el lado inferior del intercambiador de calor; y
Fig. 12 un corte XII-XII a
través de la chapa de protección de acuerdo con la fig. 11.
La fig. 1 muestra esquemáticamente un motor de
combustión interna 10 para un vehículo automóvil con una instalación
de escape con un colector de escape 12, con un tubo primario de los
gases de escape 14, con un catalizador primario de tres vías
intercalado 18, con un intercambiador de calor 16 como dispositivo
de control de la temperatura, así como un dispositivo de depuración
de los gases de escape, montado aguas abajo por medio de un
conducto 17, con un adsorbente DeNO_{x} 20.
La instalación de escape restante está unida al
adsorbente 20 por medio de un conducto 22, por ejemplo con un
silenciador principal y un tubo de escape final.
El intercambiador de calor 16 (véanse las fig. 2
y 3) presenta un cárter 24, 26 para la conducción de los gases de
escape, que está compuesto por dos semi-envueltas
24, 26 embutidas en chapa de acero. Las
semi-envueltas 24, 26 están provista de bridas de
ensamblaje circulares 24a, 26a, entre las cuales una chapa de
radiación 28 que divide al cárter en el sentido del flujo de los
gases de escape es mantenida por ejemplo por medio de soldaduras
eléctricas por resistencia (soldeo con moleta).
Tolvas de entrada o de salida 24b, 26b,
respectivamente mitades, son formadas sobre las
semi-envueltas 24, 26, por mediación de las cuales
el intercambiador de calor 16 está conectado a los conductos de gas
de escape 14, 17 correspondientes.
El cárter 24, 26 del intercambiador de calor 16,
visto en corte transversal, es principalmente de forma rectangular
y de superficie lisa (fig. 3). Además, la chapa de radiación 28,
igualmente fabricada de chapa de acero, está dispuesta
transversalmente con relación al sentido de flujo de los gases de
escape y en forma de zigzag para el aumento de su superficie de
radiación. Sobre la chapa de radiación 28, dado el caso podría estar
prevista una chapa de soporte 30, colocada poco más o menos
centralmente, con el fin de disminuir las vibraciones. Abstracción
hecha de los ensamblajes por soldadura y eventualmente de la chapa
de soporte 30, la chapa de radiación 28 está aislada por una capa
de aire con relación al cárter 24, 26, de entrada visible.
En razón de las chapas de acero de paredes
relativamente delgadas, el intercambiador de calor descrito 16
presenta una pequeña capacidad térmica, es decir que los gases de
escape calientes son en primer lugar un poco refrigerados y que se
permite así un recalentamiento rápido del dispositivo de depuración
de los gases de escape 20 situado aguas abajo.
A este efecto, la representación gráfica de la
fig. 4 muestra el flujo térmico Q del intercambiador de calor 16
para la temperatura de los gases de escape T. Se puede ver que,
además de la refrigeración convencional que crece aproximadamente
de manera lineal (línea 32), la refrigeración por radiación (curva
34) es en un principio pequeña. Esto favorece el recalentamiento
rápido del dispositivo de depuración de los gases de escape 20.
\newpage
Con una temperatura creciente T de los gases de
escape y una esperanza de vida del motor de combustión, la chapa de
radiación 28 y el cárter 24, 26 del intercambiador térmico 16
continúan siendo calentados, por lo que la refrigeración por
radiación aumenta de manera sobre proporcional. Esto se deduce ya de
la ecuación usual
Q =
\varepsilon\ x\ \sigma\ x\ A\ x\
T^{4}.
Sin entrar en los detalles de la ecuación, es
posible deducir que la temperatura T pasa a la potencia cuarta.
Estando la chapa de radiación 28 acoplada térmicamente a las
semi-envueltas 24, 26 con un porcentaje de radiación
creciente, la superficie del intercambiador de calor 16 puesta a
disposición para la emisión de calor por convención de la corriente
de los gases de escape es aumentada globalmente.
Esta refrigeración creciente de los gases de
escape provoca el efecto de auto-regulación de la
temperatura de los gases de escape con una pequeña emisión de calor
en caso de arranque en frío del motor de combustión interna y de
una capacidad de refrigeración elevada en caso de temperaturas
elevadas de los gases de escape, de forma que en su caso un
conducción de derivación y una válvula de parada que controle a esta
última no son ya necesarias y el intercambiador de calor 16 sirve
sólo de dispositivo de control de la temperatura.
El intercambiador de calor modificado 16' de
acuerdo con las fig. 5 y 6 presenta un cárter de varias partes,
igualmente formado por chapas de acero, que está compuesto por la
tolva de entrada 36', la tolva de salida 38' y dos
semi-envueltas intermediarias 40, 42.
Las semi-envueltas 40, 42 están
formadas por varios tramos de tubos semicirculares 40a ó 42a, que
están dispuestos paralelamente unos al lado de otros y que forman
una unidad de construcción gracias a las bridas de ensamblaje 40b ó
42b para cada semi-coquilla 40 ó 42.
Las semi-envueltas 40, 42 ó,
según el caso, sus bridas de conexión 40b, 42b situadas en el
exterior, están unidas juntas, por ejemplo por soldeo con moleta,
siendo estancas al gas; igualmente, la tolva de entrada 36' y la
tolva de salida 38' están soldadas siendo estancas al gas, con los
lados frontales de las semi-envueltas 40, 42, de
forma que se crea un cárter estanco al gas con tubos 40a, 42a que
conducen el gas en el ejemplo de realización 5 en la zona entre la
tolva de entrada 36' y la tolva de salida 38'.
Una chapa de radiación 28' está dispuesta entre
las semi-envueltas 40, 42, la cual, vista en corte
transversal (véase la fig. 6) tiene respectivamente una forma plana
en la zona de las bridas de ensamblaje 40b, 42b y una forma en
zigzag en la zona de los tubos 40a, 42a, con el fin de que tenga una
radiación eficaz de energía térmica en los tubos 40a, 42a.
En las zonas de ensamblaje exteriores, la chapa
de radiación 28' está soldada únicamente en los puntos de conexión
locales 44 (véanse la fig. 5 y la fig. 10) con las bridas de
conexión 40b, 42b por medio de abrazaderas 28a formadas de manera
apropiada. En las otras zonas laterales, es colocada de nuevo para
la formación de un cojín de aire y está provista de una parte
biselada 28b, que aumenta su propia rigidez en el sentido de flujo
de los gases de escape.
Además, la chapa de radiación 28' está unida,
siendo calorífuga, en varios puntos de conexión 46 a las bridas de
conexión 40b, 42b -situadas en el interior- de las
semi-envueltas 40, 42.
De acuerdo con la fig. 7, los puntos de conexión
locales 46 están formados de forma que las piezas que sobresalen
48, 50 circulares o de forma oblonga están ancladas en las bridas de
conexión 40b, 42b, que los huecos correspondientes 52 penetran en
la chapa de radiación 28' y están unidos juntos solidariamente, por
ejemplo por soldeo o por soldadura fuerte. A este efecto, una de
las piezas que sobresalen 48 está provista de un agujero 54, a
través del cual pueden ser efectuados el soldeo o la soldadura
fuerte. Los huecos 52 en la chapa de radiación 28' son de tal
tamaño, que entre los huecos 52 y las partes que sobresalen 48, 50,
quedan cojines de aires. Ocurre lo mismo entre las bridas de
conexión 40b, 42b y la chapa de radiación 28'.
Puntos de conexión 46 son estructurados en la
fig. 8, en los cuales están formadas cavidades 56, 58 de las bridas
de conexión 40b, 42b y en los cuales son guiados tampones 62 en
forma de champiñón formados a partir de un hilo metálico o de una
malla metálica. En esta ocasión, los tampones 62 son introducidos en
los huecos 60 de la chapa de radiación 28'. Por otra parte, en las
otras zonas, la chapa de radiación 28' está aislada por cojines de
aire s contra las bridas de conexión 40b, 42b. Como consecuencia, la
chapa de radiación 28' es mantenida por los puntos de conexión 46
estando aislada contra las vibraciones y siendo calorífuga.
Finalmente, en la fig. 9, los puntos de conexión
46 están formados mediante remaches 64, cuyos remaches penetran en
los agujeros correspondientes 66, 68 en las bridas de conexión 40b,
42b.
Separadores 70 constituidos igualmente por una
malla metálica están dispuestos entre las bridas de conexión 40b y
42b, siendo los citados separadores mantenidos por medio de una
ranura anular 72 en los huecos correspondientes 74 de la chapa de
radiación 28'. En esta ocasión, el tamaño de los huecos 72 está
elegido de tal forma que exista un movimiento relativo entre los
separadores 70 y la chapa de radiación 28', por ejemplo para la
compensación de las tensiones térmicas. Por otra parte, existen
cojines de aire entre las bridas de conexión 40b, y 42b y la chapa
de radiación 28'.
Los puntos de conexión 44, 46 descritos y
representados en las fig. 7 a 10 pueden ser utilizados como
alternativa o en combinación. Dado el caso, el intercambiador de
calor 16' de acuerdo con las fig. 5 y 6 puede igualmente ser
construido en la zona de los conductos de tubos 42, 44 con una
envoltura exterior en la superficie lisa como pieza suplementaria
del cárter.
Además, una chapa de protección 80 contra los
choques del agua puede ser dispuesta en el lado inferior del
intercambiador de calor 16 ó 16' (véanse las fig. 11 y 12). Esta
última está constituida por una placa de base 82 con aberturas 84,
a partir de las cuales están formadas lamas 86, por ejemplo por
estampación. Las lamas 86, vistas en el sentido de conducción del
vehículo automóvil, están orientadas inclinadas hacia atrás, de
forma que devuelven entre otras el agua proyectada (véase la flecha
88), pero no impiden sin embargo la radiación de la energía térmica
del intercambiador de calor 16.
La chapa de protección 80 puede estar unida al
intercambiador de calor por sus zonas laterales y/o por medio de
los puntos de conexión 44, 46 descritos.
Además, el intercambiador de calor descrito 16
es de construcción y de fabricación simple, tiene un funcionamiento
robusto y es insensible a la suciedad en el sistema de los gases de
escape. Está claro que es preciso utilizar chapas que proporcionen
buenos valores en la emisión 8, en particular para la chapa de
protección 28, pero igualmente para las chapas que envuelven al
cárter.
Además, la chapa de radiación 28, o
eventualmente varias chapas de radiación, pueden tener un
revestimiento catalítico activo, como un catalizador de tres vías o
preferentemente con un adsorbente DeNO_{x} 20.
De esta manera, el efecto de depósito NO_{x}
del adsorbente 20 puede ser incluso aumentado, además, por ejemplo,
puede ser mejorada la desulfuración del adsorbente 20 en caso de
temperaturas relativamente elevadas (por ejemplo 700ºC), debido al
hecho de la reacción exotérmica química, para las medidas
introducidas (conducto de aire secundario), puede ser ya
transpuesta en parte en el intercambiador de calor 16 (peligro de
sobrecalentamiento inferior).
Claims (16)
1. Instalación de escape para motores de
combustión interna, en particular en vehículos automóviles, con un
dispositivo de depuración de los gases de escape y un dispositivo de
control de la temperatura, dispuesto en el recorrido de los gases
de escape entre el motor de combustión interna y el dispositivo de
depuración de los gases de escape, con un intercambiador de calor
(16') realizado en forma de un refrigerador por radiación, que está
formado con un cárter exterior (40, 42) con tolvas de entrada y de
salida (36', 38') y con al menos una chapa de radiación (28')
situada en el interior y que radia hacia el cárter,
caracterizada porque la al menos una
chapa de radiación (28') en el intercambiador de calor (16') es
mantenida en el cárter (40, 42) únicamente por mediación de puntos
de conexión (44, 46) dispuestos a distancia unos de otros, y
aislada permanentemente por una capa de aire.
2. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el cárter está formado
por semi-envueltas (40, 42) unidas entre sí siendo
estancas al gas, entre las cuales está dispuesta al menos una chapa
de radiación (28').
3. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque están previstos
tubos (40, 42) en el interior del cárter como conductos de gas y
están dispuestas chapas de radiación (28') en el interior de los
tubos (40, 42).
4. Sistema de escape de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cárter está
formado por varios tubos (40, 42) montados en serie unos contra los
otros.
5. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizado porque los tubos están
realizados en forma de semi-envueltas (40, 42) con
bridas de unión intermediarias (40b, 42b).
6. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 5, caracterizado porque la chapa de radiación
(28') está dispuesta entre las semi-envueltas (40,
42) sensiblemente aislada por una capa de aire.
7. Sistema de escape de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos
una chapa de radiación (28') presenta una configuración que aumenta
su superficie de radiación.
8. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 7, caracterizado porque está formada al menos
una chapa de radiación (28'), transversalmente al sentido de flujo
de los gases de escape, en forma ondulada o en zigzag.
9. Sistema de escape de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la al
menos una chapa de radiación (28') es mantenida entre las bridas de
unión y las bridas laterales del cárter (40, 42).
10. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizado porque las conexiones (46) de
la al menos una chapa de radiación (28') actúan con el cárter
(16'), al menos parcialmente, como guías deslizantes.
11. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque las guías deslizantes
están formadas por tampones (60) y/o separadores (70) dispuestos en
los puntos de conexión (46), que son guiados en cavidades (56, 58)
correspondientes de las bridas de unión (40b, 42b) y que atraviesan
los huecos (60, 74) de la chapa de radiación (28').
12. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 10, caracterizado porque las guías deslizantes
están formadas por cavidades (52) en forma de agujeros
longitudinales en la chapa de radiación (28'), gracias a las cuales
partes sobresalientes (48, 50) solidarias del cárter están unidas
unas a otras.
13. Sistema de escape de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la al
menos una chapa de radiación (28') y/o la superficie interna del
cárter (36', 38', 40, 42) tienen un revestimiento catalítico
activo.
14. Sistema de escape de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una chapa
de protección (80), con aberturas que dejan pasar los rayos (84),
está dispuesta al menos en la cara inferior del intercambiador de
calor (16').
15. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 14, caracterizado porque la chapa de radiación
(80) está equipada con lamas (86) que sobresalen hacia abajo y que
interceptan el agua proyectada.
16. Sistema de escape de acuerdo con la
reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque las lamas (86)
están formadas a partir de las aberturas (84) y están orientadas
extendiéndose inclinadas hacia abajo con relación a la dirección de
circulación del vehículo automóvil.
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