ITBO20090786A1 - Dispositivo miscelatore monofarfalla per un sistema egr di bassa pressione di un motore a combustione interna - Google Patents

Description

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO MISCELATORE MONOFARFALLA PER UN SISTEMA EGR DI BASSA PRESSIONE DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo miscelatore per un sistema EGR di bassa pressione di un motore a combustione interna.

ARTE ANTERIORE

Nei moderni motori a combustione interna è spesso presente un sistema EGR (Exhaust Gas Recircolation) che alimenta parte dei gas di scarico prodotti dalla combustione nel condotto di aspirazione in modo da miscelare i gas di scarico con l’aria fresca allo scopo di uniformare la temperatura in ciascuna camera di combustione e quindi ridurre le sostanze inquinanti presenti nei gas di scarico che vengono rilasciati nell’atmosfera.

Un sistema EGR comprende un condotto EGR, il quale collega il condotto di scarico al condotto di aspirazione, ed un dispositivo miscelatore che è disposto in corrispondenza della intersezione tra il condotto di EGR ed il condotto di aspirazione ed ha la funzione di regolare la miscelazione dei gas di scarico provenienti dal condotto di scarico con l’aria fresca presente nel condotto di aspirazione. Tipicamente, il dispositivo miscelatore comprende una valvola a farfalla, la quale è disposta in corrispondenza del condotto EGR, è azionata da un motore elettrico ed ha la funzione di variare la sezione del condotto EGR per variare la portata dei gas di scarico che vengono immessi nel condotto di aspirazione.

La sopra descritta struttura del dispositivo miscelatore ha il vantaggio di essere economica e nel contempo permette di regolare in modo abbastanza preciso la portata dei gas di scarico che vengono immessi nel condotto di aspirazione; tuttavia, la sopra descritta struttura del dispositivo miscelatore non permette di regolare in modo preciso la portata dei gas di scarico che vengono immessi nel condotto di aspirazione in tutte le condizioni operative ed in particolare quando si vuole immettere nel condotto di aspirazione una portata dei gas di scarico particolarmente elevata.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo miscelatore per un sistema EGR di bassa pressione di un motore a combustione interna, il quale dispositivo miscelatore sia privo degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica implementazione.

Secondo la presente invenzione viene fornito un dispositivo miscelatore per un sistema EGR di bassa pressione di un motore a combustione interna secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 è una vista schematica di un motore a combustione interna sovralimentato provvisto di un sistema EGR che utilizza un dispositivo miscelatore realizzato in accordo con la presente invenzione;

• le figure 2, 3 e 4 sono tre vista in sezione del dispositivo miscelatore della figura 1 che mostrano tre diverse posizioni assunte dall’otturatore di una valvola di regolazione;

• la figura 5 è un grafico che illustra l’evoluzione della sezione di passaggio dei condotti di ingresso del dispositivo miscelatore della figura 1 al variare della posizione assunta dall’otturatore della valvola di regolazione; e

• la figura 6 è una vista prospettica esplosa del dispositivo miscelatore della figura 1.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna sovralimentato mediante un sistema 2 di sovralimentazione a turbocompressore.

Il motore 1 a combustione interna comprende quattro cilindri 3, ciascuno dei quali è collegato ad un collettore 4 di aspirazione tramite almeno una rispettiva valvola di aspirazione (non illustrata) e ad un collettore 5 di scarico tramite almeno una rispettiva valvola di scarico (non illustrata). Il collettore 4 di aspirazione riceve aria fresca (cioè aria proveniente dall’ambiente esterno) attraverso un condotto 6 di aspirazione, il quale è provvisto di un filtro 7 aria ed è regolato da una valvola 8 a farfalla. Lungo il condotto 6 di aspirazione è disposto un intercooler 9 avente la funzione di raffreddare l’aria aspirata. Al collettore 5 di scarico è collegato un condotto 10 di scarico che alimenta i gas di scarico prodotti dalla combustione ad un sistema di scarico, il quale emette i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera e comprende normalmente almeno un catalizzatore 11 ed almeno un silenziatore (non illustrato) disposto a valle del catalizzatore 11.

Il sistema 2 di sovralimentazione del motore 1 a combustione interna comprende un turbocompressore 12 provvisto di una turbina 13, che è disposta lungo il condotto 10 di scarico per ruotare ad alta velocità sotto l’azione dei gas di scarico espulsi dai cilindri 3, ed un compressore 14, il quale è disposto lungo il condotto 6 di aspirazione ed è collegato meccanicamente alla turbina 13 per venire trascinato in rotazione dalla turbina 13 stessa così da aumentare la pressione dell’aria alimentata nel condotto 6 di alimentazione.

Lungo il condotto 10 di scarico è previsto un condotto 15 di bypass, il quale è collegato in parallelo alla turbina 13 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle della turbina 13 stessa; lungo il condotto 15 di bypass è disposta una valvola 16 wastegate, la quale è atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 15 di bypass ed è controllata da un attuatore 17 pneumatico. Lungo il condotto 6 di aspirazione è previsto un condotto 18 di bypass, il quale è collegato in parallelo al compressore 14 in modo da presentare le proprie estremità collegate a monte e a valle del compressore 14 stesso; lungo il condotto 18 di bypass è disposta una valvola 19 Poff, la quale è atta a regolare la portata dei gas di scarico che fluiscono attraverso il condotto 18 di bypass ed è pilotata da un attuatore 20 elettrico.

Il motore 1 a combustione interna comprende un sistema EGR 21 di bassa pressione, il quale ricircola una parte dei gas di scarico presenti nel condotto 10 di scarico reimmettendo tali gas di scarico nel condotto 6 di aspirazione. Il sistema EGR 21 comprende un condotto EGR 22, il quale collega il condotto 10 di scarico al condotto 6 di aspirazione, ed un dispositivo 23 miscelatore a tre vie che è disposto in corrispondenza della intersezione tra il condotto 10 di scarico ed il condotto 6 di aspirazione ed ha la funzione di regolare la miscelazione dei gas di scarico provenienti dal condotto 10 di scarico con l’aria fresca presente nel condotto 6 di aspirazione. Secondo una preferita forma di attuazione, lungo il condotto EGR 22 è disposto uno scambiatore 24 di calore per raffreddare i gas di scarico provenienti dal condotto 10 di scarico.

Il sistema EGR 21 è di bassa pressione, cioè il condotto EGR 22 si origina dal condotto 10 di scarico a valle del catalizzatore 11 in modo da prelevare i gas di scarico che sono già stati trattati dal catalizzatore 11 stesso e che presentano una pressione solo leggermente superiore alla pressione atmosferica; in questo modo, i gas di scarico ricircolati dal condotto EGR 22 sono più “puliti”, cioè presentano una minore quantità di sostanze inquinanti. Tale configurazione è anche denominata “Long-Route” EGR, in quanto il condotto EGR 22 deve essere più lungo del normale per arrivare a valle del catalizzatore 11.

Il dispositivo 23 miscelatore a tre vie collega il condotto 6 di aspirazione con il condotto EGR 22. Secondo quanto meglio illustrato nella figura 2, il dispositivo 23 miscelatore comprende un condotto 25 di ingresso che viene collegato in serie al condotto EGR 22, un condotto 26 di ingresso che viene collegato in serie ad un condotto proveniente dal filtro 7 aria, ed un condotto 27 di uscita che viene collegato in serie al condotto 6 di aspirazione. Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 2, Come illustrato nella figura 2, il condotto 27 di uscita è allineato e coassiale con il condotto 26 di ingresso mentre il condotto 25 di ingresso forma un angolo retto sia con il condotto 27 di uscita, sia con il condotto 26 di ingresso.

In corrispondenza di una confluenza tra i condotti 25 e 26 di ingresso è disposta una unica valvola 28 di regolazione che varia la sezione di entrambi i condotti 25 e 26 di ingresso stessi. La valvola 28 di regolazione comprende una camera 29 di regolazione, la quale presenta una sezione circolare ed una forma cilindrica e si sviluppa attorno ad un asse 30 centrale che è perpendicolare ad entrambi i condotti 25 e 26 di ingresso; alla camera 29 di regolazione confluiscono entrambi i condotti 25 e 26 di ingresso e dalla camera 29 di regolazione si origina il condotto 27 di uscita.

All’interno della camera 29 di regolazione è disposto un otturatore 31, il quale ha la forma di un settore cilindrico (con un ampiezza di un angolo ottuso compreso tra 110° e 145°) ed è montato girevole per ruotare attorno all’asse 30 centrale tra due posizioni limite illustrate nelle figure 2 e 4. In particolare, l’otturatore 31 ruota attorno all’asse 30 centrale tra una posizione limite di minimo EGR (illustrata nella figura 2), in cui l’otturatore 31 chiude completamente il condotto 25 di ingresso e lascia completamente aperto il condotto 26 di ingresso, ed una posizione limite di massimo EGR (illustrata nella figura 4), in cui l’otturatore 31 chiude completamente il condotto 26 di ingresso e lascia completamente aperto il condotto 25 di ingresso. Tra le due posizioni limite illustrate nelle figure 2 e 4 vi è una serie di posizioni intermedie (del tipo di quella illustrata nella figura 3), in cui il condotto 25 di ingresso è parzialmente aperto ed il condotto 26 di ingresso è completamente o solo parzialmente aperto.

Quando sopra descritto è illustrato nella figura 5, in cui in funzione della posizione 㬐 angolare dell’otturatore 31 attorno all’asse 30 centrale (riportata in ascissa) viene mostrato con linea continua il grado di apertura/chiusura del condotto 25 di ingresso e con linea punteggiata il grado di apertura/chiusura del condotto 26 di ingresso. Nella figura 5 è evidente che nella posizione di minimo EGR (illustrata nell’estremo sinistro del grafico) il condotto 25 di ingresso è completamente chiuso ed il condotto 26 di ingresso è completamente aperto e che nella posizione di massimo EGR (illustrata nell’estremo destro del grafico) il condotto 25 di ingresso è completamente aperto ed il condotto 26 di ingresso è completamente chiuso. Inoltre, spostandosi dalla posizione di minimo EGR verso la posizione di massimo EGR il condotto 25 di ingresso si apre mentre il condotto 26 di ingresso rimane per un certo intervallo completamente aperto fino al raggiungimento di una posizione predeterminata di parziale apertura del condotto 25 di ingresso; solo a partire da tale posizione predeterminata di parziale apertura del condotto 25 di ingresso il condotto 26 di ingresso si chiude mentre il condotto 25 di ingresso continua ad aprirsi. E’ importante osservare che per semplicità nella figura 5 le leggi di variazione del grado di apertura dei condotti 25 e 26 di ingresso sono state considerate lineari anche se in realtà tali legge hanno un andamento almeno parzialmente sinusoidale.

Con una semplice modifica alla forma dell’otturatore 31 è possibile modificare in modo anche sostanziale le caratteristiche della miscelazione dei gas di scarico presenti nel condotto 25 di ingresso con l’aria fresca presente nel condotto 26 di ingresso. In altre parole, le leggi di variazione del grado di apertura dei condotti 25 e 26 di ingresso illustrate nella figura 5 sono solo un esempio di attuazione non limitativo; variando la forma dell’otturatore 31 (in particolare l’ampiezza angolare dell’otturatore 31) è possibile modificare le leggi di variazione del grado di apertura dei condotti 25 e 26 di ingresso.

Come illustrato nella figura 6, la valvola 28 di regolazione comprende un dispositivo 32 attuatore che regola la posizione angolare dell’otturatore 31 attorno all’asse 30 centrale. In particolare, il dispositivo 32 attuatore comprende un motore 33 elettrico ed una trasmissione 34 ad ingranaggi che trasmette il moto da un albero del motore 33 elettrico all’otturatore 31 della valvola 28 di regolazione. La trasmissione 34 ad ingranaggi comprende una ruota 35 dentata iniziale solidale all’albero del motore 33 elettrico, una ruota 36 dentata finale solidale all’otturatore 31, ed una ruota 37 dentata intermedia e folle interposta tra la ruota 35 dentata iniziale solidale all’albero del motore 33 elettrico e la ruota 36 dentata finale solidale all’otturatore 31. La ruota 37 dentata intermedia presenta una prima corona di denti di piccolo diametro che è accoppiata alla ruota 35 dentata iniziale ed una seconda corona di denti di grande diametro che è accoppiata alla ruota 36 dentata finale. Complessivamente, la trasmissione 34 ad ingranaggi presenta un rapporto di trasmissione che demoltiplica la velocità di rotazione dell’albero del motore 33 elettrico (cioè l’albero del motore 33 elettrico ruota più velocemente dell’otturatore 31).

Secondo una possibile forma di attuazione non illustrata, il dispositivo 32 attuatore comprende anche una molla di ritorno che tende a spingere l’otturatore 31 della valvola 28 di regolazione verso la posizione limite di minimo EGR (in cui la il condotto 26 di ingresso è completamente aperto ed il condotto 25 di ingresso è completamente chiuso) quindi in completa assenza di gas di scarico ricircolati nel condotto 6 di aspirazione. In caso di malfunzionamento del motore 33 elettrico, la molla di ritorno garantisce che l’otturatore 31 venga spostato e mantenuto nella posizione neutra priva di gas di scarico ricircolati nel condotto 6 di aspirazione.

Secondo quanto illustrato nella figura 6, il dispositivo 32 attuatore comprende una scatola 38 che è disposta sopra alla camera 29 di regolazione e costituisce una copertura superiore della camera 29 di regolazione stessa. All’interno della scatola 38 sono alloggiati il motore 33 elettrico e la trasmissione 34 ad ingranaggi. La scatola 38 è provvista di un coperchio 39 rimovibile che è dotato di una guarnizione anulare per garantire una adeguata tenuta. Inoltre, la scatola 38 presenta un alloggiamento 40 cilindrico che si estende perpendicolarmente ad una parete di fondo della scatola 38 di fianco alla camera 29 di regolazione ed alloggia al proprio interno il motore 33 elettrico.

Secondo una preferita forma di attuazione, la scatola 38 forma un unico corpo indivisibile con la camera 29 di regolazione e con i condotti 25, 26 e 27.

Il sopra descritto dispositivo 23 miscelatore presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il sopra descritto dispositivo 23 miscelatore è di semplice ed economica realizzazione, in quanto presenta una unica valvola 28 di regolazione che permette di parzializzare in modo differenziato entrambi i condotti 25 e 26 di ingresso.

Inoltre, grazie al fatto che la valvola 28 di regolazione parzializza in modo differenziato entrambi i condotti 25 e 26 di ingresso, è possibile regolare sempre in modo ottimale la miscelazione dell’aria fresca presente nel condotto 26 di ingresso con i gas di scarico presenti nel condotto 25 di ingresso. In particolare, nella posizione limite di massimo EGR (o in prossimità di tale posizione) il condotto 26 di ingresso è completamente chiuso o quasi completamente chiuso e quindi è possibile immettere nel condotto 6 di aspirazione una portata dei gas di scarico particolarmente elevata e sempre regolabile con estrema precisione.

Infine, nel sopra descritto dispositivo 23 miscelatore risulta semplice modificare le caratteristiche della miscelazione dei gas di scarico presenti nel condotto EGR 22 con l’aria fresca presente nel condotto 6 di aspirazione modificando la forma dell’otturatore 31 (otturatore 31 che presenta un costo di sostituzione molto contenuto).

Claims (10)

1) Dispositivo (23) miscelatore per un sistema EGR (21) di bassa pressione di un motore (1) a combustione interna; il dispositivo (23) miscelatore comprende: un primo condotto (25) di ingresso che è collegabile ad un condotto EGR (22); un secondo condotto (26) di ingresso che è collegabile ad una aspirazione di aria fresca dall’esterno; ed un condotto (27) di uscita collegabile ad un condotto (6) di aspirazione; ed il dispositivo (23) miscelatore è caratterizzato dal fatto di comprendere una valvola (28) di regolazione, la quale è disposta in corrispondenza di una confluenza tra i condotti (25, 26) di ingresso e comprende un unico otturatore (31) che varia la sezione di entrambi i condotti (25, 26) di ingresso.

2) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 1, in cui la valvola (28) di regolazione comprende una camera (29) di regolazione, la quale alloggia al proprio interno l’otturatore (31) e presenta una sezione circolare ed una forma cilindrica e si sviluppa attorno ad un asse (30) centrale; alla camera (29) di regolazione confluiscono entrambi i condotti (25, 26) di ingresso e dalla camera (29) di regolazione si origina il condotto (27) di uscita.

3) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 2, in cui l’otturatore (31) ha la forma di un settore cilindrico ed è montato girevole per ruotare attorno all’asse (30) centrale.

4) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 3, in cui l’otturatore (31) ruota attorno all’asse (30) centrale tra una posizione limite di minimo EGR, in cui l’otturatore (31) chiude completamente il primo condotto (25) di ingresso e lascia completamente aperto il secondo condotto (26) di ingresso, ed una posizione limite di massimo EGR, in cui l’otturatore (31) chiude completamente il secondo condotto (26) di ingresso e lascia completamente aperto il primo condotto (25) di ingresso.

5) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 4, in cui tra le due posizioni limite l’otturatore (31) assume una serie di posizione intermedie in cui il primo condotto (25) di ingresso è parzialmente aperto ed il secondo condotto (26) di ingresso è completamente o solo parzialmente aperto.

6) Dispositivo (23) miscelatore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui la valvola (28) di regolazione comprende un dispositivo (32) attuatore che regola la posizione angolare dell’otturatore (31) attorno ad un asse (30) centrale e comprende: un motore (33) elettrico, ed una trasmissione (34) ad ingranaggi che trasmette il moto da un albero del motore (33) elettrico all’otturatore (31) della valvola (28) di regolazione.

7) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 6, in cui la trasmissione (34) ad ingranaggi comprende: una ruota (35) dentata iniziale solidale all’albero del motore (33) elettrico; una ruota (36) dentata finale solidale all’otturatore (31); ed una ruota (37) dentata intermedia e folle interposta tra la ruota (35) dentata iniziale solidale all’albero del motore (33) elettrico e la ruota (36) dentata finale solidale all’otturatore (31).

8) Dispositivo (23) miscelatore secondo la rivendicazione 7, in cui la ruota (37) dentata intermedia presenta una prima corona di denti di piccolo diametro che è accoppiata alla ruota (35) dentata iniziale ed una seconda corona di denti di grande diametro che è accoppiata alla ruota (36) dentata finale.

9) Sistema EGR (21) di un motore (1) a combustione interna comprendente un dispositivo (23) miscelatore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8.

10) Sistema EGR (21) secondo la rivendicazione 9 e comprendente un condotto EGR (22) che si origina a partire da un condotto (10) di scarico a valle di un dispositivo di riduzione delle sostanze inquinanti.