ES2307109T3 - Dispositivo para mezclar gases de escape y ser reciclados en el aire adimision de un motor y procedimiento para reciclar los gases de escape. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de mezcla que comprende: un conducto (1) a través del cual puede fluir una corriente de gas; al menos dos canales laterales (3, 3'') que desembocan en una pared de dicho conducto a través de las respectivas aberturas (4, 4''); en el que dichos canales están adaptados para introducir un flujo de gas perpendicularmente, en relación con dicho conducto, dentro de la sección de introducción (2) y sustancial perpendicularmente a la pared del conducto en el punto de introducción, caracterizado porque 1 mm < a/nD < 10 mm, donde D es el diámetro interior equivalente del conducto, a la suma de las áreas y n el número de dichas aberturas.
Description
Dispositivo para mezclar gases de escape y ser
reciclados en el aire de admisión de un motor y procedimiento para
reciclar los gases de escape.
La presente invención se refiere a un
dispositivo para mezclar los gases de escape reciclados dentro de un
motor de combustión interna, más concretamente dentro de un motor de
encendido por compresión, por ejemplo un motor diesel de un vehículo
industrial.
El reciclaje de los gases de escape, o EGR, es
una práctica habitual en el campo de los motores de combustión
interna. En este sistema una función de los gases de escape
procedentes del motor son reciclados corriente arriba de dicho
motor hasta el sistema de admisión de aire y reintroducidos en las
cámaras de combustión con el aire de admisión. Esto da como
resultado una temperatura de combustión menor, lo que conduce a una
formación de óxidos de nitrógeno reducida, uno de los principales
contaminantes en las emisiones de los motores de combustión
interna.
Los gases de escape son generalmente reciclados
por medio de una tubería específica que recoge los gases de escape
corriente abajo del motor, por ejemplo desde el colector de los
gases de escape, y a continuación reintroduce los gases en el
colector de admisión; la tubería puede incorporar una pluralidad de
dispositivos, como por ejemplo un compresor de reciclaje, para
superar cualquier diferencia entre las presiones de admisión y
escape, una válvula de control, un sistema de refrigeración, para
reducir la temperatura de los gases reciclados.
La introducción directa en el colector de
admisión no es una solución satisfactoria, en cuanto no garantiza
una mezcla satisfactoria de los gases de escape con el aire de
admisión. Como resultado de ello, la mezcla gaseosa que entra en los
distintos cilindros no contiene siempre el mismo porcentaje de
gases reciclados. Esto reduce la eficacia del sistema de reciclaje
por lo que se refiere a su capacidad para limitar la formación de
contaminantes perjudiciales, conduce a un deterioro del rendimiento
de la combustión y, dado que la relación del aire de admisión - gas
reciclado no es la misma en todos los cilindros, los cilindros
presentan diferentes niveles de desgaste y corrosión debido a las
concentraciones diferentes de los elementos corrosivos, los cuales
siempre estarán presentes en los humos de los gases de escape, que
se suministran a los cilindros.
Estos fenómenos, que pueden a duras penas
advertirse cuando son recicladas pequeñas cantidades de gas,
resultan más importantes cuando, a la vista también de la necesidad
de ajustarse a unos estándares de emisiones más estrictos, se
requieren unas tasas de reciclaje de los gases de escape más altas
(por ejemplo, en motores diesel para vehículos industriales, donde
la tasa de reciclaje de gases de escape puede ascender hasta el
50%). En ese caso, es evidente que las mezclas de suministro con
niveles diferentes de aire de admisión y de gases reciclados hasta
los distintos cilindros puede constituir un serio problema.
El documento DE 35 11 094 divulga un dispositivo
para introducir un gas dentro de un canal de admisión de un motor
Otto. El gas es introducido tangencialmente dentro de la corriente
de aire de admisión y el dispositivo está adaptado para ser aplicado
al carburador de dicho motor y su construcción es bastante
compleja.
El documento JP 08 319901 divulga un dispositivo
de reciclaje de escape. El paso de admisión, en correspondencia con
el punto de introducción del gas de escape, se caracteriza por una
ampliación de su tamaño, de forma que un elemento puede desplazarse
con el fin de aumentar o restringir el paso, para variar el efecto
Venturi. El dispositivo es muy voluminoso y tiene una estructura
compleja.
El documento JP 2001 304 050 divulga otro
dispositivo para la mezcla de gases de escape reciclados para el
aire de admisión de un motor de combustión interna.
Se necesita por tanto un sistema que pueda
potenciar la mezcla de los gases reciclados y el aire alimentado al
motor, impidiendo al tiempo el empleo de un complejo equipamiento
costoso y que ocupe un espacio excesivo, y asegure un fácil
mantenimiento y una constante eficiencia durante su
funcionamiento.
Los problemas anteriormente descritos se han
resuelto ahora con un dispositivo de mezcla de acuerdo con la
reivindicación adjunta 1.
De acuerdo con un aspecto de la invención, las
aberturas de los canales existentes en la pared del conducto están
dispuestos en un plano perpendicular al eje longitudinal del
conducto. Dichas aberturas están preferentemente dispuestas de
manera uniforme a lo largo del perímetro de la sección sobre dicho
plano; si hay dos canales, pueden estar dispuestos con las relativas
aberturas de distancia de separación máxima a lo largo de dicho
perímetro. En ese caso los gases son preferentemente introducidos en
direcciones opuestas.
Dicho conducto preferentemente incorpora un
acodamiento corriente arriba de las aberturas de los canales. El
dispositivo puede también incorporar un asiento apropiado para
albergar una válvula de control, por ejemplo una válvula de
mariposa, corriente arriba de dichas aberturas y, si existe, de
dicho acodamiento.
La presente invención se refiere también a un
procedimiento para reciclar los gases de escape de un motor, por
medio del dispositivo anteriormente mencionado.
La presente invención se refiere en particular a
lo expuesto en las reivindicaciones adjuntas.
A continuación se ilustrará la presente
invención mediante una descripción detallada de las formas de
realización preferentes pero no exclusivas, proporcionadas
únicamente a modo de ejemplo, con la ayuda de los dibujos adjuntos,
de los cuales:
La figura 1 es una vista en perspectiva
esquemática de un dispositivo de acuerdo con la presente
invención;
la figura 2 muestra de forma esquemática otra
vista en perspectiva del dispositivo de la figura 1;
la figura 3 muestra de forma esquemática una
vista en perspectiva adicional del dispositivo de la figura 1.
El dispositivo de acuerdo con la presente
invención se describe ahora con referencia a los dibujos adjuntos a
aquél. Hay un conducto 1 a través del cual puede fluir el aire de
admisión hasta un motor de combustión interna en la dirección
indicada por la flecha A. En correspondencia con una sección
transversal 2 del conducto, preferentemente en un extremo, hay una
pluralidad de canales 3 y 3', por ejemplo dos, que terminan en el
conducto 1 a través de las aberturas 4 y 4' existentes en la pared
del conducto. De acuerdo con una forma de realización preferente de
la invención, los conductos son apropiados para introducir un flujo
gaseoso perpendicularmente, en relación con la corriente de gas que
fluye a través del conducto. Las respectivas aberturas están
preferentemente dispuestas de manera uniforme a lo largo del
perímetro de una sección transversal del conducto; en el caso
mostrado en el dibujo, en el cual hay dos aberturas, estas pueden
estar dispuestas en oposición una a la otra en relación con la
sección transversal del conducto.
La dirección de introducción es sustancialmente
perpendicular a la pared del conducto, y puede ser incidente con un
eje de simetría longitudinal del conducto, si este último tiene
uno.
Puede haber un orificio de entrada común 5 a
través del cual el gas reciclado sea introducido. Dicho orificio de
entrada comunica con los distintos canales 3, 3'. Los canales pueden
tener cualquier forma apropiada y conectar con una conducción de
reciclaje de gases de escape, preferentemente a través del orificio
de entrada 5. De acuerdo con un aspecto de la invención, los canales
y el orificio de entrada pueden ser fabricados de manera integral
con el dispositivo; pueden ser delimitados mediante unas paredes que
sean también integrales con el dispositivo, o pueden ser
parcialmente delimitados por otras estructuras, a las cuales deba
estar fijado el dispositivo. El dispositivo ilustrado en los
dibujos, por ejemplo, está fijado directamente al colector de
admisión de un motor, en correspondencia con una abertura apropiada
existente en el colector, y tiene una forma correspondiente a la
sección del conducto 1 en el extremo 2, por ejemplo por medio de
dispositivos de sujeción apropiados, por ejemplo, unos tornillos
situados a través de unos orificios 6. La estructura 7 actúa como
una brida para asegurar el dispositivo al colector y también alberga
los canales 3, 3' y el orificio de entrada 5. Esta y otras
soluciones constructivas pueden llevarse a la práctica de acuerdo
con requerimientos específicos. En la forma de realización ilustrada
en el dibujo, el dispositivo está sujeto por medio de una válvula
que está situada entre la estructura 7 y el colector de admisión,
con el fin de asegurar la hermeticidad mientras al mismo tiempo se
cierra el lado de los canales 3 y 3' que están orientados hacia el
extremo 2, y por tanto hacia el colector de admisión una vez que el
dispositivo y el colector han sido montados. Pueden utilizarse otros
medios apropiados en lugar de una válvula, por ejemplo una pasta
adhesiva.
De acuerdo con una forma de realización
preferente de la invención, las aberturas 4 y 4' se presentan en un
número entre 1 y 6, siendo dos un número particularmente
preferente.
El orificio de entrada 5 debe estar
preferentemente conectado a una tubería de reciclaje de gases, que
recoge los gases de escape, por ejemplo procedentes del colector de
escape del motor.
Las aberturas pueden tener cualquier forma
apropiada, por ejemplo pueden ser redondas, rectangulares,
rectangulares con todas o parte de las esquinas redondeadas.
En motores de vehículos es a menudo necesario,
debido a la falta de espacio a la vista de otras exigencias de
construcción, instalar un acodamiento en el conducto de suministro
de aire inmediatamente corriente arriba del colector de admisión
(por ejemplo entre el orificio de salida desde una unidad de
refrigeración del aire de admisión, situada después de una etapa de
compresión del aire de admisión, y el colector de admisión). Dicho
acodamiento puede formar parte integrante del dispositivo de acuerdo
con la presente invención, corriente arriba de la sección que
contiene las aberturas de los canales. Considerando (figura 3) un
eje longitudinal 9 del conducto 1 inmediatamente corriente abajo de
dicho acodamiento del conducto 1 (que puede estar en el área que
incluye las aberturas 4, 4') y un eje longitudinal 10 del conducto 1
inmediatamente corriente arriba de dicho acodamiento 8, el ángulo
\alpha entre dichos ejes preferentemente oscila entre 0 y 90º
(donde cero es el estado en el cual los dos ejes están alineados y
el tubo es recto).
El área de la sección transversal perpendicular
del conducto puede ser variable o constante preferentemente es
sustancialmente constante en la entera longitud del dispositivo. La
forma, que puede ventajosamente ser redonda o casi redonda, puede
ser también de otro tipo apropiado.
Si fuera necesario incluir el acodamiento de
acuerdo con lo anteriormente descrito, ya sea dicho acodamiento
parte integral del dispositivo o esté situado inmediatamente
corriente arriba de dicho dispositivo, el interior del acodamiento
puede tener preferentemente un cierto radio de curvatura y no debe
formar una esquina abrupta; se ha descubierto que ello asegura una
mezcla satisfactoria incluso en presencia de dicho acodamiento. Si D
es la media equivalente dentro del diámetro del conducto y R es el
radio de curvatura interior mínimo del conducto, que en la figura 3
es el radio de curvatura mínimo de la línea de puntos 11, (la cual
representa la sección longitudinal de la pared interior del conducto
en la parte interior del acodamiento), de acuerdo con un aspecto
preferente de la invención se cumple lo siguiente: DR/\alpha >
15 mm^{2}/º. Así mismo, si a es el área total de los orificios de
entrada de los gases de escape, obtenida a partir de la suma de
todas las áreas de las distintas aberturas 4, 4' de los canales 3,
3', y n es el número de dichas aberturas, preferentemente 1 mm
< a/nD < 10 mm, y más preferentemente 3 mm < a/nD < 6
mm.
Cuanto más alta sea la tasa de reciclaje de
gases de escape para reducir las emisiones contaminantes, más
importante es controlar la cantidad de aire que se está
suministrando al motor. Si se considera necesario, el dispositivo
puede incorporar un asiento para una válvula de control,
preferentemente una válvula de mariposa. Dicho asiento está
preferentemente situado corriente arriba de las aberturas a través
de las cuales son introducidos los gases de escape reciclados, más
preferentemente corriente arriba del acodamiento, si existe. La
integración del asiento de válvula en el dispositivo de acuerdo con
la presente invención puede ser ventajosa, tanto para reducir el
tamaño y complejidad del sistema, facilitando de esta forma su
montaje, como también para asegurar el correcto emplazamiento de la
válvula de control en relación con otras partes de que se compone
el dispositivo así como el ajuste a las especificaciones del
proyecto, con el fin de potenciar la mezcla. Los dibujos ilustran
un dispositivo con un asiento 12 del tipo indicado fabricado de
manera integral con el dispositivo; también ilustran una abertura 13
para una válvula de forma y tipo apropiados, y el medio 14 para
asegurar dicha válvula. Dicho asiento está preferentemente situado
en una sección recta del conducto, corriente arriba del acodamiento
8. Es, por supuesto, posible proporcionar un dispositivo que no
incorpore dicho asiento, si la válvula está ya incorporada en el
conducto de suministro de aire corriente arriba del dispositivo
concreto. Como una alternativa, el cuerpo de la válvula,
preferentemente del tipo mariposa, puede estar conectado al
dispositivo, por ejemplo por medio de una brida apropiada situada en
el extremo en el cual está situado el orificio de entrada 15 del
conducto 1, o de cualquier otra forma conocida.
Los centros de gravedad de las áreas de las
aberturas de los conductos están preferentemente en el mismo plano
perpendicular al eje del conducto 1, y dispuestos de manera uniforme
a lo largo del perímetro del conducto.
Si existe el acodamiento, hay también
preferentemente una parte de conducto recta entre el extremo de
dicho acodamiento y las aberturas de los conductos. En ese caso, si
L es la longitud de una parte de conducto recta que se extiende
desde la sección terminal de dicho acodamiento hasta un plano
transversal sobre el cual discurren los centros de gravedad de las
áreas de dichas aberturas (el cual define una sección perpendicular
del conducto que también se llama la sección de mezcla), de acuerdo
con una forma de realización preferente de la invención, se cumple
lo siguiente: LD/\alpha > 5 mm^{2}/º, más preferentemente
> 10 mm^{2}/º. Con independencia de o, preferentemente, además
de lo establecido por las relaciones anteriormente expuestas, de
acuerdo con una forma de realización preferente de la invención:
nLDR/\alpha > 500 mm^{3}/º.
Si no existe el acodamiento, hay una parte de
conducto recta entre el asiento de la válvula, si existe, y la
sección de mezcla. La parte de conducto recta, por supuesto, puede
omitirse si el dispositivo, sin acodamiento o sin asiento de
válvula, debe conectarse a los conductos, corriente arriba del
conducto 1, con una parte de conducto recta, con lo que pueden
conseguirse los mismos resultados.
Si los centros de gravedad, como anteriormente
se expuso, no discurren sobre el mismo plano perpendicular, la
longitud L se calcula a partir del plano perpendicular que contiene
el centro de gravedad más alejado corriente arriba.
El dispositivo de acuerdo con la presente
invención puede ser instalado en todos los motores de combustión
interna con encendido de compresión o encendido controlado, por
ejemplo, motores diesel, pero también es apropiado para su
utilización en motores de gasolina u otros tipos de motores, en los
cuales una parte de los gases de escape es reciclada. El dispositivo
puede ventajosamente ser instalado sobre el conducto de admisión del
motor. En caso de un motor sobrecargado, puede ser instalado entre
el compresor y el colector de admisión, preferentemente corriente
abajo del sistema de refrigeración del aire de admisión, si existe.
El sistema de reciclaje conectado por medio del orificio de entrada
de los gases de escape hasta el dispositivo puede estar equipado con
válvulas de regulación del flujo de los gases reciclados,
compresores de flujo y/o sistemas de refrigeración de acuerdo con
los requerimientos específicos.
Claims (18)
1. Dispositivo de mezcla que comprende:
- un conducto (1) a través del cual puede fluir una corriente de gas;
- al menos dos canales laterales (3, 3') que desembocan en una pared de dicho conducto a través de las respectivas aberturas (4, 4');
- en el que dichos canales están adaptados para introducir un flujo de gas perpendicularmente, en relación con dicho conducto, dentro de la sección de introducción (2) y sustancial perpendicularmente a la pared del conducto en el punto de introducción, caracterizado porque 1 mm < a/nD < 10 mm, donde D es el diámetro interior equivalente del conducto, a la suma de las áreas y n el número de dichas aberturas.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
precedente caracterizado porque las aberturas de los canales
de la pared del conducto están dispuestas sobre un plano (2)
perpendicular al eje longitudinal (9) del conducto.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
2 caracterizado porque dichas aberturas (4, 4') están
dispuestas uniformemente a lo largo del perímetro de la sección
sobre dicho plano (2).
4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque el número
de dichos canales (3, 3') está comprendido entre dos y seis.
5. Dispositivo de acuerdo con las
reivindicaciones 3 y 4 caracterizado porque hay dos canales
(3, 3'), situados para que sus respectivas aberturas (4, 4') estén
alejadas a la máxima distancia posible unas de otras sobre dicho
perímetro.
6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque dicho
conducto tiene un acodamiento (8) corriente arriba de las aberturas
de los canales.
7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
6 caracterizado porque el ángulo (\alpha) entre el eje
longitudinal (9) del conducto (1) inmediatamente corriente abajo de
dicho acodamiento dentro de dicho conducto y un eje longitudinal
(10) del conducto (1) inmediatamente corriente arriba de dicho
acodamiento oscila entre 0 y 90º.
8. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado por comprender un
asiento (12) dispuesto para albergar una válvula de control
corriente situada arriba de dichas aberturas.
9. Dispositivo de acuerdo con las
reivindicaciones 6 o 7 caracterizado porque DR/\alpha >
15 mm^{2}/º donde D es el diámetro interior equivalente del
conducto (1), y R es el radio de curvatura interior mínimo del
conducto en correspondencia con dicho acodamiento (8).
10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
7 caracterizado por comprender una parte recta de dicho
conducto (1) inmediatamente corriente arriba de un plano (2)
perpendicular al eje (9) del conducto sobre el cual discurren los
centros de gravedad de las aberturas (4, 4') y porque LD/\alpha
> 5 mm^{2}/º donde L es la longitud de dicha parte recta.
11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque 3 mm <
a/nD < 6 mm, donde a es el área de cada abertura (4, 4') de los
canales (3, 3'), y n es el número de dichas aberturas.
12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
7 caracterizado por comprender una parte recta de dicho
conducto inmediatamente corriente arriba de un plano perpendicular
al eje del conducto sobre el cual discurren los centros de gravedad
de las aberturas y porque nLDR/a > 500 mm^{3}/º donde L es la
longitud de dicha sección recta.
13. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes caracterizado porque puede ser
instalado sobre la tubería de admisión de un motor de combustión
interna.
14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
13 caracterizado porque puede ser montado en el colector de
admisión de un motor de combustión interna.
15. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que dicho conducto tiene un eje
de simetría y los canales están dispuestos para introducir un flujo
de gas con una dirección incidente sobre dicho eje.
16. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
14, en el que está dispuesto para ser montado en dicho colector por
medio de unos medios de estanqueidad que delimitan también una cara
de dichos canales.
17. Dispositivo de acuerdo con las
reivindicaciones 13 o 14 adecuado para la introducción de una parte
de gases de escape dentro de una corriente de aire de admisión de
dicho motor.
18. Procedimiento para reciclar los gases de
escape de un motor, en el que una parte de los gases de escape
provinientes de dicho motor son captados, caracterizado por
comprender la división de dicha parte en al menos dos flujos, y la
introducción de dichos flujos en una corriente de aire suministrada
a dicho motor, transversalmente en relación con la dirección de
dicha corriente arriba, corriente arriba del colector de admisión de
dicho motor, caracterizado por ser puesto en práctica por
medio de un dispositivo de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17 y porque dichos flujos son introducidos a
través de dichos canales (3, 3') dentro de dichas corrientes de
aire que fluyen a través de dicho conducto (1).
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