ITMI20080450A1

ITMI20080450A1 - Valvola egr per il ricircolo dei gas di scarico al collettore di aspirazione di motori a combustione interna.

Info

Publication number: ITMI20080450A1
Application number: IT000450A
Authority: IT
Inventors: Orto Pierluigi Dell; Salvatore Iovino; Mario Marchetti
Original assignee: Dellorto Spa
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2009-09-18
Also published as: WO2009115975A2; WO2009115975A3; EP2268912A2

Description

“VALVOLA EGR PER IL RICIRCOLO DEI GAS DI SCARICO AL COLLETTORE DI ASPIRAZIONE DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA”

La presente invenzione si riferisce ad una valvola atta a controllare il ricircolo dei gas di scarico (cosiddetta valvola EGR) al collettore di aspirazione di motori a combustione interna; più in particolare, si tratta di una valvola che consente di deviare il ricircolo dei gas attraverso un by-pass o alternativamente attraverso un dispositivo di raffreddamento.

E’ noto da tempo il problema legato alla necessità di ridurre le emissioni delle sostanze inquinanti nei gas di scarico dei motori a combustione interna: per soddisfare le norme antinquinamento, che si fanno sempre più stringenti, sono stati sviluppati sistemi di ricircolo dei gas di scarico che, rinviando in camera di combustione (attraverso lo stesso collettore di aspirazione) l’aliquota desiderata di gas combusti, diluiscono la carica di aria fresca in entrata. Ciò porta un duplice vantaggio nella riduzione delle specie inquinanti emesse dal motore (in osservanza alle norme antinquinamento sempre più stringenti in tal settore): in primo luogo, sottraendo una parte della portata ai gas di scarico, si riduce la massa di incombusti immessi nell’atmosfera; in secondo luogo la diluizione della carica fresca comporta una riduzione sensibile della concentrazione di ossidi di azoto (NOx) allo scarico, e ciò sia per le più basse temperature raggiunte nel cilindro, sia per la minore presenza di ossigeno nella camera al momento della combustione.

Nei motori a combustione interna, questi sistemi prevedono un condotto di ricircolo dei gas combusti, che preleva questi gas allo scarico e li riporta verso l’ingresso della camera di combustione. Lungo tale condotto è predisposta una valvola, comandata elettricamente da una centralina elettronica; l’apertura della valvola viene controllata in modo da regolare la quantità di gas combusti che si desidera porre in ricircolo.

Una valvola di questo tipo è descritta ad esempio nel documento W0-2006/097884-A1 a nome della stessa Richiedente, al quale si fa riferimento per una migliore comprensione della funzione e delle caratteristiche costruttive delle valvole di questo tipo. Si tratta di una struttura con una valvola a fungo, che viene mossa assialmente, da una posizione di chiusura ad una posizione di apertura più o meno accentuata, sotto l’azionamento di un attuatore elettrico comandato da una centralina elettronica di controllo.

Lo sviluppo delle tecniche di ricircolo di gas di scarico ha, più recentemente, messo in evidenza l’esigenza di controllare non solo la quantità di gas di scarico fatta ricircolare, ma anche la sua temperatura. Per conseguenza sono stati messi a punto dei sistemi di ricircolazione relativamente più complessi, nei quali il gas di scarico, a monte od a valle della valvola EGR, viene fatto passare attraverso mezzi di regolazione della temperatura. Questa regolazione avviene facendo passare i gas di scarico attraverso un circuito specialmente atto a svolgere questa funzione, di cui è rappresentato uno schema nella fig.1 qui allegata: esso comprende un motore M con un collettore di aspirazione 1 ed un collettore di scarico 2, nonché una valvola EGR 3 che preleva una quantità dosata di gas di scarico dal collettore 2 e la rinvia verso il collettore di aspirazione 1. Sul percorso di rinvio – e in questo caso a valle della valvola EGR – è previsto un dispositivo di raffreddamento 4 ed un by-pass 5; mezzi di controllo (non rappresentati) determinano se detta quantità dosata di aria di scarico debba essere rinviata al collettore di aspirazione direttamente, attraverso il by-pass 5, oppure attraverso il dispositivo di raffreddamento 4.

Nei documenti DE-34.33.569, DE-101.33.182, EP-1.746.263, ed EP-1.468.184 sono descritte delle valvole atte ad effettuare questa funzione di deviazione dei gas di scarico verso un dispositivo di raffreddamento o rispettivamente verso un by-pass. Tutti questi dispositivi noti utilizzano un otturatore che è in grado di aprire completamente il passaggio dei gas verso il raffreddamento, chiudendo quello verso il by-pass, o viceversa, oppure anche di assumere una posizione intermedia per ripartire il flusso di gas di scarico verso entrambi i condotti del raffreddamento e del by-pass.

Come si comprende, in un tale sistema occorre prevedere due mezzi di controllo, e precisamente primi mezzi motori, che comandano il sistema di regolazione dell’apertura della valvola EGR 3 (regolazione della quantità di gas riciclato), e secondi mezzi motori, che comandano la deviazione del flusso di gas di scarico verso il dispositivo di raffreddamento 4 o rispettivamente verso il by-pass 5 (regolazione della temperatura del gas riciclato). Questa soluzione ha evidentemente lo svantaggio di risultare relativamente ingombrante e costosa.

Scopo della presente invenzione è pertanto di proporre un sistema che raggruppi in una singola unità costruttiva le due funzioni indicate sopra, utilizzando un unico attuatore di controllo. In realtà, una disposizione di questo tipo è già proposta nel documento EP-0.994.247, ove un unico otturatore può essere portato a chiudere sia una sede di valvola di un condotto verso un dispositivo di raffreddamento, sia una sede di valvola di un condotto verso un bypass, oppure a chiudere una di esse e ad aprire l’altra o viceversa. Scopo della presente invenzione è pertanto, più in particolare, di proporre un dispositivo che realizzi questa stessa funzione, ma con mezzi più semplici e meglio controllabili. Questo scopo, ed ulteriori vantaggi, vengono ottenuti da una valvola avente le caratteristiche descritte nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nei disegni allegati, nei quali:

fig. 1 è una vista schematica di un circuito per il ricircolo dei gas combusti secondo la tecnica nota, come descritto più sopra; fig. 2 è una sezione verticale, molto schematica, di un primo esempio di esecuzione di una valvola di ricircolo dei gas combusti secondo l’invenzione;

fig. 3 è una vista prospettica della stessa valvola di fig.1, che mostra in schema la trasmissione di moto per il comando della valvola;

figg. 4 e 5 sono viste analoghe a quella di fig. 2, con la valvola aperta verso il by-pass e rispettivamente con la valvola aperta verso il dispositivo di raffreddamento;

figg. 6 e 7 sono viste in sezione, del tutto simili a quelle delle figg. 2 e 4, di una variante di esecuzione con sensore di posizione; e

figg. 8, 9, 10 sono viste in sezione del tutto simili a quella di fig. 2, ma relative ad alcune ulteriori varianti di esecuzione della valvola di ricircolo secondo l’invenzione.

Come schematizzato più in dettaglio nelle fig. 2 e 3, il complesso di valvola di ricircolo secondo l'invenzione è formato da una parte inferiore 11 e da una parte superiore 12. Nella parte inferiore sono previste le sedi per due valvole 13 e 14 a fungo, ciascuna associata ad un rispettivo mezzo a molla 16; questo agisce per il tramite di un piattello 17, fissato alla estremità superiore dello stelo di ciascuna delle valvole 13, 14. L'azione delle molle 16 è tale da sospingere le valvole 13,14 verso l'alto (rispetto al disegno) a chiudere le rispettive sedi 13a, 14a.

Queste sedi 13a e 14a costituiscono due distinte aperture di entrata dei gas di scarico provenienti da un condotto di scarico del motore M, non rappresentato in queste figure bensì nelle figure 6 ad 8, ove è indicato con Gsc; l’apertura dell’una o dell’altra valvola 13 o 14 consente di convogliare detti gas di scarico verso l’una o rispettivamente l’altra di due uscite 13b (prevista sul fianco del corpo 11) e 14b (prevista sul retro del corpo 11), connesse a due rispettivi collettori (non rappresentati) verso il by-pass o rispettivamente verso il dispositivo di raffreddamento (pure non rappresentato).

Nella parte superiore 2 sono alloggiati gli organi di attuazione del complesso di valvola, e cioè un attuatore elettrico 19 (per esempio un motore DC od un motore passo-passo, di tipo noto, posto sotto il comando di una centralina elettronica di controllo), il quale, secondo la caratteristica fondamentale dell’invenzione, agisce sulle due valvole 13, 14 tramite un mezzo di azionamento comune.

Questo mezzo di azionamento è costituito – secondo una prima forma di esecuzione dell’invenzione, rappresentata nelle figure 2 a 5 – da un alberino 20, sul quale è calettato un bilanciere 21. L’alberino 20 è portato in rotazione, tramite la trasmissione ad ingranaggi 23, dall’attuatore 19, collegato elettricamente, tramite un connettore 18, a detta centralina elettronica di controllo (non illustrata, in quanto di per se del tutto nota). La centralina controlla con precisione l'angolo di rotazione dell’attuatore 19, e di conseguenza quello del bilanciere 21, in base ad un segnale di posizione dello stesso bilanciere, fornito da un sensore di posizione rotazionale 22 (fig. 3), per esempio un sensore ad effetto Hall. Questo sensore 22 è disposto in prossimità di una estremità dell’albero 20, alla quale è associato un elemento magnetico; la figura 3 fornisce solo una rappresentato molto schematica di questo sensore, che deve intendersi sostenuto in posizione fissa, per esempio fissato alla parete interna di un carter (non rappresentato).

Il funzionamento di questo complesso di valvola avviene nel modo seguente:

a) la posizione illustrata in fig. 2 corrisponde a quella di chiusura della valvola EGR, cioè quando non è richiesta alcuna ricircolazione dei gas di scarico. In questo caso, entrambe le valvole 13,14 sono sollevate e chiudono le rispettive sedi 13a, 14a; il bilanciere 21 si trova nella posizione orizzontale illustrata, nella quale i suoi due estremi si appoggiano senza pressione sulla sommità degli steli di valvola, ovvero dei piattelli 17, oppure hanno un breve gioco rispetto a questa sommità;

b) la posizione illustrata in fig. 4 corrisponde a quella di apertura della valvola 13, per la deviazione del flusso di ricircolo dei gas di scarico verso il by-pass; questa è la posizione che assicura che il sistema EGR invii in ricircolo i gas di scarico caldi, come prelevati dal collettore di scarico 2. Si rileva chiaramente dalla fig. 4 che il bilanciere 21 è in posizione tale che uno dei suoi bracci – e precisamente il braccio 21a di destra, rispetto al disegno – sospinge la valvola 13 in posizione di apertura, in contrasto all'azione della rispettiva molla 16; allo stesso tempo, il braccio 21b di sinistra rimane sollevato dal piattello 17 della valvola 14, per cui quest'ultima rimane chiusa. E' inteso che detto attuatore 19, o meglio la sua centralina elettronica di controllo, è in grado di muovere più o meno il braccio 21a, e di conseguenza aprire più o meno la valvola 13, a seconda della quantità di gas caldi che si intende inviare al motore M;

c) la posizione illustrata in fig. 5 corrisponde a quella di apertura della valvola 14, per la deviazione del flusso di ricircolo dei gas di scarico verso il dispositivo di raffreddamento; questa è la posizione che assicura che il sistema EGR invii in ricircolo i gas di scarico raffreddati. Anche qui, si rileva chiaramente dalla fig. 5 che il bilanciere 21 è in posizione tale che il suo braccio 21b (e precisamente il braccio di sinistra, rispetto al disegno) sospinge la valvola 14 in posizione di apertura, in contrasto all'azione della rispettiva molla 16; allo stesso tempo, il braccio 21a di destra è sollevato dal piattello 17 della valvola 13, per cui quest'ultima rimane chiusa. La centralina di controllo di detto attuatore 19 sarà in grado di muovere più o meno il braccio 21b, e di conseguenza aprire più o meno la valvola 14, a seconda della quantità di gas raffreddati che si intende inviare al motore M.

Le figure 6 e 7 rappresentano una variante di esecuzione in cui si fa impiego – invece che di un sensore rotazionale 22 – di un sensore di posizione lineare 30, che è in grado di fornire in ogni istante, in modo ovviamente molto più diretto, la esatta posizione di apertura o chiusura delle valvole 13 e 14, così come di ogni altra posizione intermedia; come detto anche più sopra, questa indicazione di posizione è essenziale affinché la centralina elettronica di controllo della valvola EGR possa svolgere correttamente la sua funzione.

Il sensore 30 è posto centralmente tra le due valvole 13, 14 e presenta un’astina 31, sulla quale insiste una molla (non rappresentata in figura in quanto interna allo stesso sensore); tale molla esercita una forza tale da determinare, in ogni condizione di funzionamento, il contatto tra l’astina 31 ed un blocchetto di riscontro 32. Quest’ultimo è guidato – sempre in posizione centrale tra le due valvole – da un alberino 33, a cui esso è solidale, ed è sospinto verso l’alto, rispetto al disegno, da una propria molla 34.

Entrambi i piattelli 17 alla sommità delle molle 16 presentano un’appendice in forma di un bordo allargato; contro le due appendici contrapposte si appoggia, dal basso, il blocchetto di riscontro 32, sotto la spinta della molla 34.

Nella posizione rappresentata nella fig. 6 entrambe le valvole 13 e 14 sono chiuse, sospinte verso l’alto dalle rispettive molle 16. Anche il blocchetto di riscontro 32 è sollevato, sotto la spinta della rispettiva molla 34, e si appoggia contro i bordi contrapposti di entrambi i piattelli 17. L’astina 31 è dunque interamente sollevata ed il sensore indica in questo caso una posizione di zero.

Nella posizione rappresentata in figura 7, solo la valvola 14 è chiusa, mentre la valvola 13 è aperta; nel suo movimento di discesa in posizione di apertura – comandato dal bilanciere 21 – il piattello 17 della valvola 13 si appoggia contro il bordo del blocchetto di riscontro 32 e lo trascina verso il basso, comprimendo la sua molla 34. L’astina 31 si muove a sua volta verso il basso, cosicché il sensore indica una posizione diversa da zero. E’ chiaro che, quanto più la valvola 13 viene aperta, tanto più l’astina 31 verrà trascinata verso il basso; il sensore 30 sarà quindi in grado di fornire in ogni momento una indicazione della posizione della valvola 13.

Non è stata rappresentata la posizione in cui la valvola 13 è chiusa e la valvola 14 è aperta, ma tale posizione è simmetrica e per un tecnico del ramo è perfettamente comprensibile come il blocchetto di riscontro 32 possa venire spinto verso il basso dal piattello 17 associato alla valvola 14, anziché da quello associato alla valvola 13.

Il sensore lineare 30 sarà comunque in grado di determinare l’ampiezza del movimento di apertura dell’una o l’altra delle valvole 13, 14, in base alla posizione del blocchetto di riscontro 32. AL tempo stesso, la determinazione di quale delle valvole sia in fase di apertura verrà fatta in base al verso di rotazione del motore elettrico, che viene imposto dalla centralina elettronica. In alltre parole, lo spostamento rilevato dal sensore sarà associato alla valvola che la centralina impone di aprire definendo il verso di rotazione del motore.

La fig. 8, come già menzionato, riguarda una ulteriore forma di esecuzione del complesso di valvola EGR secondo l'invenzione. La disposizione delle valvole 13 e 14, così come del bilanciere 21, è identica alla disposizione delle figure 2 e 4. La variante consiste principalmente nel fatto che il gruppo attuatore 25 è montato in testa alla parte 2 del complesso di valvola e che la sua uscita è in forma di un’asta 26, scorrevole assialmente.

Quest’asta 26 agisce direttamente su uno dei bracci del bilanciere 21, cioè sull’estremità del braccio 21b, sostanzialmente in corrispondenza del suo appoggio sulla valvola 13; un’azione di spinta comanda l'apertura della valvola 14 e rispettivamente un’azione di trazione comanda l'apertura della valvola 13.

Per evitare forzature nel movimento di azionamento del bilanciere 21, si può prevedere che l’asta 26 sia realizzata come leva articolata, oppure – come rappresentato in fig. 8 – in modo che il perno 27 di articolazione dell’asta 26 sul braccio 21b del bilanciere lavori con gioco in un foro ad asola 28.

La fig. 9 riguarda ancora un’altra variante di esecuzione del complesso di valvola EGR secondo l'invenzione. La disposizione delle valvole 13 e 14 è identica alla disposizione delle figure 2 e 4. La variante consiste nel fatto che l’attuatore 19 non comanda più un bilanciere 21, ma l'alberino 20 è montato coassiale all'albero motore dell’attuatore 19 e su di esso è calettata una coppia di camme 36 e 37; queste camme, una per ciascuna valvola a fungo 13, 14, sono angolarmente sfalsate in modo da comandare l'apertura delle valvole l'una in alternativa all'altra, come descritto sopra in relazione alle altre varianti di esecuzione.

Questa disposizione con albero a due camme potrebbe, almeno teoricamente, consentire quattro diverse posizioni delle due valvole e precisamente: entrambe le valvole chiuse, una valvola aperta verso il by-pass e l’altra chiusa verso il cooler, o viceversa, oppure entrambe le valvole almeno parzialmente aperte

Le configurazioni innovative illustrate sopra – che, si deve ribadire, sono rappresentate solo in modo estremamente schematico, e dunque senza che la disposizione delle parti ed il loro dimensionamento abbiano alcuna pretesa di corrispondenza con una reale forma di esecuzione esemplificativa – mostrano, nelle figure 1 a 9, dei complessi unitari a se stanti, che possono trovare applicazione nei sistemi di alimentazione di motori M a combustione interna con le modalità che il progettista ritenga più opportune. La figura 10 fornisce invece una indicazione della possibilità di realizzare la valvola EGR come parte di un complesso più ampio.

In particolare, la fig. 10 mostra la valvola EGR in una configurazione in cui il corpo inferiore 11 integra anche, per esempio, il sistema di raffreddamento, schematizzato dalle camere 40 in cui circola un fluido di raffreddamento dell’insieme di valvola. Lo stesso fluido circola inoltre, per esempio, nello stesso scambiatore di calore (non rappresentato) che serve al raffreddamento dei gas di scarico; questi gas entrano nel condotto Gsc attraverso la finestra 41, passano attraverso l’una o l’altra delle valvole 13 o 14 ed escono attraverso la finestra 13b verso il by-pass (non mostrato) o rispettivamente attraverso la finestra 14b verso lo scambiatore di calore per il raffreddamento.

La figura 10 mostra anche, molto schematicamente, che del complesso integrato qui rappresentato possono far parte altri componenti del motore M (non specificamente indicati).

Come risulta immediatamente comprensibile, il complesso di valvola secondo l’invenzione comporta almeno i seguenti vantaggi:

- in un unico componente strutturale si realizza la funzionalità di valvola EGR di valvola by-pass consentendo la riduzione degli ingombri, dei pesi e dei costi;

- l’impiego di un unico attuatore (motore elettrico) e di un unico azionamento per le due valvole consente una semplificazione sia nella struttura meccanica della valvola, sia nel sistema elettronico di controllo delle portate di gas di scarico;

- anche l’impiego di un unico sensore di posizione per le due valvole consente una semplificazione sia sul piano costruttivo che nel sistema di verifica della portata dei gas di scarico;

S’intende comunque che l’invenzione non deve considerarsi limitata alle particolari disposizioni illustrate sopra, che costituiscono soltanto forme di esecuzione preferite di essa, ma che diverse varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Complesso di valvola di ricircolo dei gas di scarico di un motore a combustione interna, comprendente mezzi di deviazione di una quantità regolata di gas di scarico, prelevata dal collettore di scarico del motore, ad un collettore di aspirazione del motore stesso, attraverso un by-pass o rispettivamente attraverso un dispositivo di raffreddamento, caratterizzato da ciò che detti mezzi di deviazione comprendono un’entrata di gas di scarico e due uscite, due distinte valvole di chiusura di dette due uscite, mezzi a molla associati a ciascuna di dette valvole per sospingerle verso la rispettiva posizione di chiusura ed un unico mezzo di azionamento per comandare alternativamente l’una o l’altra di dette valvole verso la posizione di apertura, detto mezzo di azionamento essendo posto sotto il controllo di un unico attuatore elettrico, comandato da una centralina elettronica di controllo, in associazione ad un unico sensore di posizione .
2) Complesso di valvola come in 1, caratterizzato da ciò che detto mezzo di azionamento è costituito da un bilanciere, calettato su di un albero girevole, disposto tra dette due valvole ed i cui due bracci agiscono sull’una e rispettivamente sull’altra di dette valvole, per sospingerle alternativamente in posizione di apertura, detto bilanciere essendo mosso da detto attuatore elettrico.
3) Complesso di valvola come in 2, caratterizzato da ciò che detto bilanciere è mosso tramite detto albero girevole, ad esso solidale, da una trasmissione di moto ad ingranaggi, connessa ad un elemento di uscita girevole di detto attuatore elettrico.
4) Complesso di valvola come in 2), caratterizzato da ciò che detto bilanciere è mosso tramite una leva articolata, ancorata direttamente a detto bilanciere ed azionata da un elemento di uscita rettilineo, scorrevole assialmente, di detto attuatore elettrico.
5) Complesso di valvola come in 4), caratterizzato da ciò che detto elemento di uscita rettilineo è in forma di asta, la cui estremità agisce direttamente su uno dei bracci del bilanciere per mezzo di una connessione a perno e foro ad asola.
6) Complesso di valvola come in 1), caratterizzato da ciò che detto mezzo di azionamento è costituito da un albero a due camme, trascinato in rotazione da detto attuatore elettrico, dette due camme essendo angolarmente sfalsate sul relativo albero ed agendo ciascuna direttamente su di una rispettiva valvola di chiusura.
7) Complesso di valvola come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che ad esso è associato un sensore della posizione di apertura di ciascuna delle valvole, atto ad inviare un segnale di posizione ad una centrale elettronica di controllo.
8) Complesso di valvola come in 7), caratterizzato da ciò che detto sensore di posizione è un sensore rotazionale, quale un sensore ad effetto Hall, posto in prossimità di un elemento magnetico solidale in rotazione con l’albero di uscita girevole di detto attuatore elettrico.
9) Complesso di valvola come in 7), caratterizzato da ciò che detto sensore di posizione è un sensore a movimento lineare, la cui asta di sensore è mossa direttamente dalla valvola di volta in volta azionata da detto attuatore elettrico.
10) Complesso di valvola come in 9), caratterizzato da ciò che detto sensore di posizione lineare è montato in una posizione centrale tra le due valvole, ed è mosso dall’una o rispettivamente dall’altra di due appendici contrapposte, portate dalle due valvole.
11) Complesso di valvola come in 10), caratterizzato da ciò che dette appendici contrapposte sono parte di due piattelli di fermo delle molle delle valvole.
12) Complesso di valvola come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che detto attuatore elettrico è un motore in corrente continua od un motore passo-passo.