EP2443329A1 - Dispositif de melange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'echappement recircules - Google Patents

Dispositif de melange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'echappement recircules

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EP2443329A1
EP2443329A1 EP10724770A EP10724770A EP2443329A1 EP 2443329 A1 EP2443329 A1 EP 2443329A1 EP 10724770 A EP10724770 A EP 10724770A EP 10724770 A EP10724770 A EP 10724770A EP 2443329 A1 EP2443329 A1 EP 2443329A1
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EP
European Patent Office
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gas
flow
housing
gases
cooled
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10724770A
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German (de)
English (en)
Inventor
Carlos Martins
Bertrand Gessier
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Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Filing date
Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of heat exchangers and more particularly to heat exchangers used in the automotive field.
  • a motor vehicle engine has a combustion chamber, generally formed by a plurality of cylinders, in which a mixture of oxidant and fuel is burned to generate the engine work.
  • the oxidant comprises air, which can be compressed or not, depending on whether the engine comprises a turbocharger or not.
  • the gases admitted into the combustion chamber are called intake gases.
  • a heat exchanger comprises a heat exchange beam formed by a plurality of exchange elements stacked between two end plates (bottom plate and top plate).
  • the spaces between the beam exchange elements form channels for driving a flow of gas to be cooled, here intake gases.
  • the beam exchange elements are hollow and conduct a coolant, intended to exchange heat with the flow of gas to be cooled circulating in the fluid conduit channels and thus cool.
  • recirculated exhaust gases In order to reduce the pollutant emissions, it is known to introduce into the flow of intake gas so-called "recirculated" exhaust gases. This is exhaust gas taken downstream of the combustion chamber to be rerouted (recirculated) to the intake gas flow, upstream of the chamber combustion, where they are mixed with the intake gases for admission into the combustion chamber.
  • the recirculated exhaust gas is introduced via one or more points of introduction in a gas intake pipe extending between the intake gas cooler and the engine, so that the recirculated exhaust gas mix with the gases from the cooler.
  • the mixing between the recirculated exhaust gas and the intake gas is generally not uniformly performed when the gases are admitted into the engine, which degrades the combustion performance.
  • a current trend is to bring the engine heat exchanger as close as possible to compact, resulting in a decrease in the length of the gas intake channel and consequently a reduction in the number of potential introduction points and the length gas mixing pipeline, which accentuates the problem noted above.
  • the heat exchange module comprises, in its upstream part 10, a heat exchange bundle 11, and in its downstream part 30, pipes output 6 arranged to connect respectively to the cylinders of the engine.
  • an inlet gas flow G is introduced by an upstream face of the exchange module to be cooled by the heat exchange bundle 11, the cooled flow then being distributed in the outlet pipes of the exchange module to be admitted into the engine cylinders to which the pipes 6 are respectively connected.
  • Each outlet duct 6 of the heat exchange module in which circulates the cooled intake gas flow G, comprises an injection port 7 of a recirculated exhaust gas stream H, which is injected by a injection pipe 5 connected to the outlet pipe 6 of the exchange module at said injection port 7, as shown in Figure 2.
  • the intake gas flow G and the flow of recirculated exhaust gas H are mixed in the outlet ducts 6 of the module before their admission into the engine cylinders.
  • the distance between the injection zone of the recirculated exhaust gas H and the combustion zone is not sufficient to allow a homogeneous mixture of gases, which degrades the engine performance.
  • the introduction of the recirculated exhaust gas flow H is carried out independently in each outlet pipe 6; the concentration of recirculated exhaust gas H can vary significantly between the outlet pipes, which is detrimental to the operation of the engine, the engine cylinders admitting mixtures of different concentrations.
  • the mixing device formed by the heat exchange module and the injection pipes 5 attached to it, has a large volume.
  • the invention relates to a device for mixing an intake gas stream and a recirculated exhaust gas stream for admission to the cylinder head of a cylinder. motor vehicle engine, the device comprising:
  • a heat exchanger comprising a gas cooling heat exchange bundle (G), the heat exchange bundle comprising an inlet face of the gases to be cooled and an outlet face of the cooled gases;
  • a manifold for distributing gases in the cylinder head, said manifold being connected to the heat exchanger and supplied with gas by it, means for injecting the recirculated exhaust gas stream of the engine
  • At least one gas guide housing in the gas mixing device characterized in that the injection means open on the guide housing at the outlet face of the heat exchange bundle.
  • the recirculated exhaust gas stream (H) is injected directly at the outlet of the heat exchange bundle, which advantageously makes it possible to mix the recirculated exhaust gas stream (H) with the cooled intake gas stream (G) before the mixture enters the distribution manifold.
  • the mixture of the two streams is homogenized, which ensures a good combustion efficiency in the engine.
  • the injection is done on the gas guiding casing, it is therefore at the periphery of the gas flow, which causes turbulence in the flow and participates in its homogenization.
  • the mixing device allows the two gas flows to be homogeneously mixed despite the proximity of the heat exchanger to the engine cylinder head. In other words, it allows the establishment of a compact device without this compactness opposes its effectiveness.
  • the exhaust gases are evenly distributed between the engine cylinders which therefore receive gas mixtures of identical concentrations.
  • the heat exchange bundle extends in a cooling gas flow direction X (G), the injection means being arranged to inject the recirculated exhaust gas stream (H) perpendicularly to the direction X circulation of cooled gases (G).
  • the flow of recirculated exhaust gas (H) shear the flow of cooled gas (G), promoting the formation of turbulence in the confluence zone of the two gas flows and thus improving the homogenization of the mixture .
  • the heat exchanger comprises an exchanger casing and the collector comprises a collector casing, the injection means being arranged at an interface zone between the guiding casing in the mixing device. gas and the gas distribution manifold, preferably between the heat exchanger housing and the collector housing.
  • the injection means are arranged at the interface between the heat exchanger and the distribution manifold, which limits the overall size of the mixing device.
  • the injection means are arranged at the interface, it is not necessary to modify the structure of an existing distribution manifold and heat exchanger to allow the injection of the gas flow. recirculated exhaust by the addition of injection means.
  • the injection means are in the form of a pipe, preferably generally cylindrical.
  • the latter is formed of two half-shells of complementary shapes, advantageously respectively formed on the heat exchanger housing and the collector housing, each half-shell being integral with the housing on which it is formed.
  • the distribution manifold to the heat exchanger to form the injection means, the injection pipe being formed by complementarity of shapes of the half-shells belonging to the commutator and exchanger housings.
  • a first half-shell has a planar shape and the second half-shell has a generally cylindrical shape of substantially U-section relative to the axis in which it extends, the branches of the U being of different lengths , the first half-shell bearing on a wall corresponding to the longest leg of the U and providing a longitudinal opening between the first half-shell and a wall corresponding to the branch of the shortest U.
  • the gas guiding casing has, transversely to the direction X of gas circulation (G), a polygonal section, preferably rectangular, at the exit face of the beam of heat exchange, the injection means opening on at least one side of the polygon whose section of the housing has the shape, preferably over a length of the rectangle.
  • G gas circulation
  • the injection means opening on at least one side of the rectangle whose section of the housing has the shape, the flow of recirculated gas forms a curtain in the guide housing, extending transversely to the direction X of circulation gases (G), which the flow of intake gas is forced through.
  • the intake gas flow mixes with the recirculated gas flow along the surface of the recirculated gas curtain which promotes the homogenization of the mixture.
  • the injection means open on at least two sides of the rectangle whose section of the housing has the shape, preferably on three sides.
  • the concentration of recirculated exhaust gas (H) is greater near the orifices through which they open into the guide housing.
  • An injection of exhaust gas recirculated on several sides, that is to say in a peripheral manner, makes it possible to standardize the injection of the flow of recirculated gas (H) into the cooled gas flow (G) and thus promote the homogenization of the mixture.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a device for gas mixture in an engine cylinder according to the prior art
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the device of Figure 1, the section being formed in the direction of flow of gas in the device;
  • FIG. 3 shows a perspective view of the gas mixing device in a motor cylinder head according to the invention, the device being seen substantially from above;
  • FIG. 4 shows a longitudinal sectional view of the device of Figure 3 without its inlet manifold, the section being formed in the direction of flow of gas in the device;
  • FIG. 5 represents a perspective view of the device of FIG. 3, the device being seen substantially from the side and
  • FIG. 6 shows a perspective view of another embodiment of a gas mixing device according to the invention.
  • a device 1 for mixing a gas flow in the cylinder head of a motor vehicle engine comprises a heat exchanger 10 comprising a heat exchange bundle 11 arranged for exchange heat with a first gas flow (G), here gases intake device comprising air, circulating in the heat exchange bundle 11.
  • G first gas flow
  • upstream and downstream are defined with respect to the flow direction of the intake gas flow (G) in the mixing device 1, the inlet gases (G) flowing from the downstream in the device 1 in a direction X of gas flow shown in Figures 3 and 4.
  • the inlet gases (G) are introduced into the heat exchanger 10 via an inlet manifold 40, mounted upstream of the heat exchanger 10, and discharged through an outlet manifold, also called a distribution manifold. , mounted downstream of the heat exchanger 10 and intended to be connected to the engine cylinder head.
  • the distribution manifold 30 is mounted on the cylinder head of the engine.
  • the distribution manifold 30 allows a distributed inlet, in the cylinder head, of the cooled gas flow (G) coming from the heat exchanger 10.
  • the mixing device 1 further comprises injection means 20 for a stream of recirculated exhaust gas from the engine (H), known to those skilled in the art under its abbreviation “EGR” corresponding to “Exhaust Gas recirculation ".
  • the injection means 20 are formed at the interface between the heat exchanger 10 and the outlet manifold 30 so as to inject the recirculated exhaust gas stream (H) into the intake gas flow (G ) at the interface between the distribution manifold 30 and the heat exchanger 10.
  • the heat exchanger 10 includes an exchanger housing 12 enclosing the heat exchange bundle 11 having a plurality of stacked exchange elements.
  • the spaces between the exchange elements of the beam 11 form channels for driving the flow of gas to be cooled (G), here the intake gases.
  • the exchange elements of the beam 11 are hollow and conduct a heat transfer fluid (F) for exchanging heat with the flow of gas to be cooled (G) flowing from upstream to downstream in the fluid conduit channels.
  • the heat exchange bundle 11 is in the form of a parallelepiped extending along its length in the direction X of gas flow and comprising an upstream inlet face Se through which the inlet gases are introduced to cool (G) and a downstream outlet face Ss through which the cooled intake gases (G) are discharged, as shown in FIG.
  • the exchanger housing 12 in which the heat exchange bundle is housed
  • the length of the heat exchange bundle 11 is substantially equal to that of the casing 12 in which the bundle 11 is housed.
  • the heat exchange bundle 11 is thus flush on both sides of the casing
  • the exit and entry faces of the beam 11 and the exchanger casing 12 then being substantially merged.
  • the terms "upper”, “lower”, “left” and “right” are defined with respect to the orientation of the mixing device 1 shown in perspective in FIG. 3 and in accordance with the orthogonal coordinate system of axes ( X, Y, Z), the X axis being oriented from upstream to downstream and corresponding to the direction X of gas flow, the Y axis being oriented from left to right and Z axis being oriented from bottom to top, that is to say from the lower part of the device to its upper part.
  • the heat exchanger housing 12 has four sides (or walls): an upper side, a lower side, a left side and a right side; only the upper and left sides are visible in Figure 3.
  • the heat transfer fluid (F) is introduced into the heat exchange bundle 11 via an inlet pipe 15 formed on the lower side of the heat exchanger casing 12, each beam exchange element 11 being fluidly connected to the said inlet pipe 15.
  • the coolant (F) is discharged through an outlet pipe 16 formed on the same side of the heat exchanger housing 12 as shown in FIG. 3.
  • the heat exchange bundle 11 has a substantially rectangular transverse cooling surface.
  • the cooled intake gas flow (G) is of rectangular section transversely to the direction X of gas circulation.
  • the inlet manifold 40 serves to guide and distribute the flow of gas to be cooled (G) over the total surface of the input face Se of the heat exchange bundle 11.
  • the inlet manifold 40 is in the form of a substantially flared casing from upstream to downstream whose downstream end is connected to the upstream end of the exchanger housing 12.
  • the collector input 40 has an exit face opening on the face input of the heat exchanger 10, and an inlet port through which the intake gases to be cooled (G) are introduced into the inlet manifold 40.
  • the inlet manifold 40 is shaped in such a way that the direction of the flow of gas to be cooled (G) entering the heat exchange bundle 11 is coincident with the direction X along which the exchange bundle extends. 11.
  • the inlet manifold 40 is bent at 90 ° so that the direction of flow of the gas flow (G) entering through the orifice of inlet of the inlet manifold 40, here perpendicular to the direction X of circulation of the gases in the bundle 11, is modified so that the flow of gas (G) finally entering the heat exchange bundle 11 is flows in the direction X of flow of the gases in the beam 11; in other words, the flow of gas is rectified in the inlet manifold 40.
  • the orientation of the inlet port of the inlet manifold 40 may vary, the important thing being that the flow of air to be cooled (G) enters the beam 11 in the right direction X gas flow.
  • the distribution manifold 30, mounted downstream of the heat exchanger 10, comprises an upstream part with an upstream face, on which opens the outlet face Ss of the heat exchange bundle 11, and a downstream part intended to be attached to the cylinder head of the engine.
  • the downstream portion of the distribution manifold 30 here comprises eight outlet channels arranged to open respectively into four engine intake cylinders (two per cylinder), only the upper channels 33, 34, 35, 36 being visible in FIGS. 5.
  • the distribution manifold 30 comprises a manifold housing 32 guiding the gases introduced from the upstream face of the manifold 30 to the cylinder head of the engine.
  • the collector housing 32 is substantially flared from upstream to downstream and has an open upstream face of rectangular cross section transverse to the direction X of gas flow.
  • the injection means 20 are designed to inject a stream of recirculated exhaust gas (H) into the cooled gas flow.
  • the gas mixture (G, H) admitted into the engine cylinders is homogeneous and the Engine combustion performance is improved.
  • the mixing device 1 comprises in this case two gas guiding casings in the device 1, namely the exchanger housing 12 and the distribution manifold 32.
  • these two housings form in fact generally a gas guiding casing
  • a single gas guiding casing could be provided, serving both as a gas guiding casing in the exchanger and as a gas guiding casing in the collector.
  • the injection means 20 open onto the guide casing at the outlet face of the heat exchange bundle 11.
  • the injection means 20 formed externally to the guide housing, inject a flow of recirculated exhaust gas (H) into the flow of cooled intake gas (G) flowing in said guide housing.
  • H recirculated exhaust gas
  • G cooled intake gas
  • this confluence zone is located at the upstream end of the distribution manifold 30 which allows the gases to continue to mix during their circulation in the distribution manifold 30 and this, over its entire length and not , as was the case in the mixing device according to the prior art shown in Figures 1 and 2, only over part of its length.
  • advantage is taken of the modular aspect of the mixing device 1 by forming the injection means 20 between the heat exchanger housing 12 and the collector housing 32.
  • injection 20 are formed at the interface between the collector 30 and the heat exchanger 10 to limit the overall size of the mixing device 1 while allowing a homogeneous mixture.
  • the invention applies to any type of guide housing, its shape, its material or its small size.
  • the gas guide housing may be composed of several elements (or modules) or a single element, the guide housing is then monobloc (as already envisaged above).
  • the invention also applies to a one-piece gas guiding casing in which the injection means 20 open out at the exit face of the heat exchange bundle 11.
  • the injection means 20 are in this case in the form of a generally cylindrical pipe 21, extending transversely to the direction X of circulation of the gases and comprising a slot longitudinally opening between the exchanger housing 12 and the collector housing 32 for injecting the recirculated exhaust gas stream (H) into the cooled gas stream (G).
  • the longitudinal slot 24 of the cylindrical pipe 21 thus extends in a plane transverse to the direction X of gas flow, designated plane of the interface.
  • the injected exhaust gases (H) cut off the flow of cooled gases (G), which generates turbulence at the outlet of the heat exchange bundle 11, favoring the homogenization of the mixture .
  • the longitudinal slot 24 of the injection pipe 21 is formed so as to inject the exhaust gases (H) perpendicular to the direction X of circulation of the cooled intake gases (G) coming from the exchange beam This advantageously makes it possible to promote the shearing of the cooled gas flow (G) by the flow of exhaust gas (H).
  • the opening of the longitudinal slot 24 of the injection pipe 21 is arranged so as to allow an injection of the exhaust gases (H) at high speed between the housings 12 and 32, thus allowing the flow of exhaust gas (G) to pass right through the flow of cooled intake gas (H).
  • the opening of the longitudinal slot 24 of the injection pipe 21 is arranged so as to allow the flow of exhaust gas (H) to reach the opposite side of the guide housing to the side of the casing in which In other words, the flow of exhaust gas (H) forms a curtain of gas transverse to the direction of flow of the inlet gas (G) in the guide housing.
  • an opening width of between 3 mm and 7 mm, preferably equal to 5 mm provides a compromise between a sufficient injection speed and a limitation of the risk of fouling.
  • the width of the opening is determined in this range depending on the nature of the exhaust gas (H). More exhaust gases (H) include heavy particles - the exhaust gases are said to be "charged” - plus the width of the opening is important to limit the risk of fouling.
  • the slot 24 of the injection pipe 21 opens on a single side of the guide housing to inject the flow of recirculated gas (H) in the cooled gas flow (G).
  • the speed of the recirculated gas flow (H) decreases as it passes through the cooled gas flow (G) due to the turbulence formed in the confluence zone of the two gases.
  • the speed of the recirculated gas flow (H) can be zero when the gas flow (H) reaches the side of the housing opposite the gas injection side (H). In other words, the speed of the recirculated gas flow (H) is higher near the injection slot 24.
  • the recirculated gas flow has a high speed on one side and a speed substantially. zero on its other three sides.
  • the two gas flows are not homogeneously mixed at the periphery of the inlet gas (but can be mixed in the collector).
  • the injection slot 24 is made in the form of a plurality of injection slots adjacent to one another.
  • the slot 24 of the injection pipe 21 opens on three sides of the guiding casing. which advantageously allows to inject recirculated gas at high speed on three sides of the housing, that is to say substantially over its entire periphery.
  • the injection pipe 21 comprises a left lateral pipe portion 21g, an upper pipe portion 2 Ih and a right lateral pipe portion 2 Id.
  • the flow of cooled intake gas (G), of rectangular section, is thus sheared by flow of exhaust gas (H) opening "peripherally" along three sides of the guide housing. Thanks to this circumferential arrangement of the injection pipe 21 on the guiding casing, the exhaust gases (H) are injected with a high injection speed at the periphery of the intake gas flow (G), favoring homogenization of the mixture. As the speed of the recirculated gas flow (H) is higher near an injection slot 24, the presence of three injection slots formed at the periphery of the guide housing makes it possible to have an injection speed. substantially equal to the periphery of the intake gas flow.
  • injection pipe 21 could also extend on one side, two, three or four sides of the rectangle whose outlet face Ss of the heat exchange bundle 11 has the shape, the sides being of consecutive preference.
  • the injection pipe 21 comprises an inlet port 25 for the recirculated exhaust gas (H) in the injection pipe 21.
  • the cylindrical pipe 21 is formed of two complementary half-shells 22, 23 respectively formed on the heat exchanger housing 12 and the collector housing 32, each half-shell being integral with the housing on which it is formed. The size of the device 1 is thus greatly reduced.
  • the complementary half-shells 22, 23 are reported by welding / brazing on the heat exchanger housing 12 and the collector housing 32.
  • the mounting method of the mixing device does not require additional steps in comparison with the mounting of a conventional mixing device devoid of injection means of an exhaust gas flow (BOY WUT).
  • the connection of the heat exchanger housing 12 with the collector housing 32 makes it possible to form, by complementary shapes of the half-shells 22, 23, the gas injection pipe 21, without additional mounting step.
  • the first half-shell 23, formed at the upstream end of the casing 32 of the distribution manifold 30, has a planar shape and extends in a plane transverse to the X direction of circulation of the intake gas flow in the heat exchange bundle 11.
  • the half-shell 23, which forms the downstream part of this pipe 21, is extends on three sides of the collector housing 32.
  • the upstream end of the casing 32 comprises a left lateral edge, an upper edge and a right lateral edge on which the first half is formed.
  • shell 23, said downstream half-shell 23, the latter extending substantially in the interface plane between the collector 30 and the exchanger 20, outside the gas circulation zone in the manifold 30.
  • the second half-shell 22, said upstream half-shell 22, which forms the upstream part of the pipe 21, extends on three sides of the heat exchanger casing 12.
  • the downstream end of the casing 12 comprises an edge left lateral, an upper edge and a right lateral edge on which is formed the second half-shell 22, the latter extending externally to the gas circulation zone in the heat exchanger 10.
  • the upstream half-shell 22, formed at the downstream end of the casing of the exchanger 12, has a generally cylindrical shape of substantially U-shaped section open on the downstream side so as to correspond, by complementarity of shapes, with the first half shell 23 formed on the collector housing 32.
  • the branches of the U whose upstream half-shell 22 has the shape, are of different lengths.
  • the wall corresponding to the longest leg U of the second half-shell 22 comes into contact with the flat surface of the first half. shell 23 along the left lateral side, the upper side and the right lateral side, the lower edge of the heat exchanger housing 12 coming into contact with the lower edge of the collector housing 32 to ensure a tight contact at the interface between the distribution manifold 30 and the heat exchanger 10.
  • the two half-shells 22, 23 cooperate by complementary shapes to form the injection pipe 21 which extends on three sides of the guide housing.
  • the longitudinal injection slot 24 is formed during assembly, without the need for additional assembly steps.
  • the distribution manifold 30 and the heat exchanger 10 are secured to one another, preferably by welding or brazing.
  • the inlet manifold 40 is secured to the heat exchanger 10, the upstream end of the exchanger 10 being welded to the downstream end of the inlet manifold 40.
  • the injection means 20 comprise a plurality of diffusion orifices opening on at least one side of the guide casing, preferably in the same plane transverse to the flow direction X of the flow of flow. intake gas in the guide housing.
  • This plurality of diffusion orifices form a peripheral ring portion on the guide casing and advantageously makes it possible to divide the recirculated gas flow (H) into a plurality of elementary flows.
  • Each elementary flow of recirculated gas mixes with the flow of intake gas in a basic zone of mixing. In other words, there is a discrete mixing of the recirculated gas flow with the intake flow. This advantageously allows to promote the homogenization of the recirculated exhaust gas mixture with the intake gas flow.
  • the diameter of the diffusion orifices is adapted so as to promote an injection of the recirculated exhaust gas at high speed in the intake gas flow while limiting the risk of fouling of said orifices.
  • the orifices may also be adapted to inject the flow of recirculated gas perpendicularly to the direction X of the intake gas flow in the guide housing.
  • a flow of intake gas to be cooled (G) is introduced through the inlet orifice of the inlet manifold 40 and flows upstream and downstream in the beam heat exchange 11, in the direction X of gas flow, to be cooled.
  • the cooled intake gas stream (G) is sheared by the recirculated exhaust gas stream (H) injected perpendicularly to the direction of flow of the cooled gases.
  • the turbulence generated by the shear in the gas confluence zone (H, G) promotes the mixing of the gas flows to form a homogeneous gas flow ducted downstream in the engine cylinders via the distribution manifold 30.
  • the device according to the invention makes it possible to obtain a homogeneous mixture of the gases admitted into the cylinder head of the engine despite the proximity of the heat exchanger with respect to the cylinder head. In other words, it allows to combine compactness, efficiency and performance. In addition, the device can be mounted simply and quickly.
  • a second embodiment of a mixing device according to the invention is described with reference to FIG. 6.
  • the references used to describe the elements of the device, of identical structure or function, equivalent or similar to those of the elements of the device of FIG. Figure 3 are the same, to simplify the description. Moreover, the entire description of the embodiment of Figure 3 is not repeated, this description applies to the elements of Figure 6 when there are no incompatibilities. Only notable differences, structural and functional, are described.
  • the mixing device comprises injection means 20 in the form of a pipe 21 extending only on one side of the guide casing (in this case the upper side), the interface between the collector housing 32 and the heat exchanger housing 12, so as to inject the recirculated exhaust gas stream (H) at the outlet face of the heat exchange bundle 11.
  • the injection means 20 are also formed of two complementary half-shells 22, 23 respectively belonging to the heat exchanger housing 12 and the collector housing 32.
  • the first upstream half-shell 23 monobloc with the heat exchanger housing 12, has, transversely to the axis along which extends the pipe 21, a U-shaped section whose branches are turned downstream.
  • the second downstream half-shell 22, integral with the collector housing 32 has, transversely to the axis along which the pipe extends, a U-shaped section whose branches are facing upstream.
  • the branches of the U are of different lengths, the upper branches of the U, the furthest from the circulation zone of the inlet gases (G) in the device, being more long as their lower branches.
  • the walls corresponding to the upper branches of the U come into sealed contact at their ends, the walls corresponding to the lower branches of the U forming a longitudinal slot for injection into the pipe injection 21.
  • the half-shells 22, 23 could have different shapes to form the injection pipe 21. It has been described in the previous embodiments an injection pipe 21 formed of two half-shells 22, 23. It goes without saying that the injection pipe 21 could be formed independently of the guiding casing. It could for example be in the form of a cylindrical pipe 21, attached to one side of the guide housing, a longitudinal injection slot having been previously machined in the cylindrical pipe 21.
  • the injection pipe 21 comprises two injection ports 25 ', 25 "intended to allow the simultaneous or alternating introduction of two recirculated exhaust gas streams (H', H") of different or identical natures.
  • the recirculated exhaust gas streams can be cooled or not, at high pressure or low pressure.
  • An injection of recirculated exhaust gases of different natures makes it possible to modify the nature of the oxidant in the engine cylinders and thus to modify the performance of the engine during its operation at low load or high load.
  • the first inlet orifice 25 'and the second inlet orifice 25 "open into the upstream half-shell of the injection pipe 23 at the same confluence zone.
  • the two streams mix in the confluence zone of the upstream half-shell 23 of the injection pipe 21.
  • the recirculating exhaust gas streams H ', H "of different natures are first mixed in the injection pipe 21, then the mixture of recirculated gases H', H" is mixed with the flow of gas.
  • an intake pipe 21 with two inlet ports could also be adapted to the first embodiment of the invention.
  • the injection means 20 may comprise more than two inlet ports for injecting a flow of exhaust gas cooled or not, at high or low pressure.

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Abstract

Un dispositif de mélange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'échappement recirculés en vue de leur admission dans la culasse d'un moteur thermique de véhicule automobile, le dispositif comportant un échangeur de chaleur (10) comportant un faisceau d'échange de chaleur (11) de refroidissement de gaz (G), le faisceau d'échange de chaleur (11) comprenant une face d'entrée des gaz à refroidir et une face de sortie des gaz refroidis, un collecteur (30) de répartition des gaz dans la culasse, des moyens (20) d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés du moteur (H) dans le flux de gaz (G) refroidi par le faisceau d'échange de chaleur (11), et au moins un carter de guidage des gaz dans le dispositif de mélange des gaz, dispositif caractérisé en ce que les moyens d'injection (20) débouchent sur le carter de guidage au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur (11).

Description

Dispositif de mélange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'échappement recirculés
L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur et plus particulièrement les échangeurs de chaleur utilisés dans le domaine automobile.
Un moteur thermique de véhicule automobile comporte une chambre de combustion, généralement formée par une pluralité de cylindres, dans laquelle un mélange de comburant et de carburant est brûlé pour générer le travail du moteur. Le comburant comporte de l'air, qui peut être comprimé ou non, selon que le moteur comporte un turbocompresseur ou non. Les gaz admis dans la chambre de combustion sont dénommés gaz d'admission.
Ces gaz d'admission doivent être refroidis avant d'être introduits dans la chambre de combustion; cette fonction est remplie par un échangeur de chaleur, qui est un refroidis seur.
De manière classique, un échangeur de chaleur comporte un faisceau d'échange de chaleur formé par une pluralité d'éléments d'échange empilés entre deux plaques d'extrémités (plaque de fond et plaque de dessus). Les espaces entre les éléments d'échange du faisceau forment des canaux de conduite d'un flux de gaz à refroidir, ici des gaz d'admission. Les éléments d'échange du faisceau sont creux et conduisent un fluide caloporteur, destiné à échanger de la chaleur avec le flux de gaz à refroidir circulant dans les canaux de conduite de fluide et ainsi le refroidir.
Afin de réduire les émissions polluantes, il est connu d'introduire dans le flux de gaz d'admission des gaz d'échappement dit "recirculés". Il s'agit de gaz d'échappement prélevés en aval de la chambre de combustion pour être réacheminés (recirculés) vers le flux de gaz d'admission, en amont de la chambre de combustion, où ils sont mélangés aux gaz d'admission en vue de leur admission dans la chambre de combustion. Traditionnellement, les gaz d'échappement recirculés sont introduits via un ou plusieurs points d'introduction ménagés dans une canalisation d'admission des gaz s'étendant entre le refroidisseur des gaz d'admission et le moteur, afin que les gaz d'échappement recirculés se mélangent avec les gaz provenant du refroidisseur. Malheureusement, le mélange entre les gaz d'échappement recirculés et les gaz d'admission n'est généralement pas réalisé de manière homogène lorsque les gaz sont admis dans le moteur, ce qui dégrade les performances de la combustion.
Une tendance actuelle vise à rapprocher au maximum l'échangeur de chaleur du moteur pour gagner en compacité, entraînant une diminution de la longueur du canal d'admission des gaz et par conséquent une diminution du nombre de points d'introduction potentiels et de la longueur de canalisation de mélange des gaz, ce qui accentue le problème relevé ci-dessus.
Il est connu par la demande de brevet publiée sous le numéro WO2008/116568 un module d'échange de chaleur destiné à être monté sur les cylindres d'un moteur à combustion interne. En référence aux figures 1 et 2 représentant le module de la demande WO2008/116568, le module d'échange de chaleur comprend, dans sa partie amont 10, un faisceau d'échange de chaleur 11, et dans sa partie aval 30, des canalisations de sortie 6 agencées pour se connecter respectivement aux cylindres du moteur.
Au cours de son fonctionnement, un flux de gaz d'admission G est introduit par une face amont du module d'échange pour être refroidi par le faisceau d'échange de chaleur 11, le flux refroidi étant ensuite réparti dans les canalisations de sortie du module d'échange pour être admis dans les cylindres du moteur auxquels les canalisations 6 sont respectivement connectées. Chaque canalisation de sortie 6 du module d'échange de chaleur, dans laquelle circule le flux de gaz d'admission refroidi G, comprend un orifice d'injection 7 d'un flux de gaz d'échappement recirculés H, qui est injecté par une canalisation d'injection 5 connectée à la canalisation de sortie 6 du module d'échange au niveau dudit orifice d'injection 7, comme représenté sur la figure 2. Autrement dit, une fois que l'air d'admission ait déjà été divisé dans chaque canalisation de sortie. Ainsi, le flux de gaz d'admission G et le flux de gaz d'échappement recirculés H se mélangent dans les canalisations de sortie 6 du module avant leur admission dans les cylindres du moteur. En pratique, la distance entre la zone d'injection des gaz d'échappement recirculés H et la zone de combustion n'est pas suffisante pour permettre un mélange homogène des gaz, ce qui dégrade les performances du moteur. En outre, dans l'art antérieur, l'introduction du flux de gaz d'échappement recirculés H est réalisée de manière indépendante dans chaque canalisation de sortie 6 ; la concentration de gaz d'échappement recirculés H peut varier de manière importante entre les canalisations de sortie, ce qui est préjudiciable au fonctionnement du moteur, les cylindres du moteur admettant des mélanges de concentrations différentes.
Par ailleurs, le dispositif de mélange, formé par le module d'échange de chaleur et les canalisations d'injection 5 rapportées sur lui, présente un volume important. En outre, il est nécessaire de modifier de façon importante la structure des modules d'échange existants pour y ajouter des canalisations 5 d'injection de gaz d'échappement recirculés.
Afin d'éliminer au moins certains de ces inconvénients, l'invention concerne un dispositif de mélange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'échappement recirculés en vue de leur admission dans la culasse d'un moteur thermique de véhicule automobile, le dispositif comportant :
- un échangeur de chaleur comportant un faisceau d'échange de chaleur de refroidissement de gaz (G), le faisceau d'échange de chaleur comprenant une face d'entrée des gaz à refroidir et une face de sortie des gaz refroidis ;
- un collecteur de répartition des gaz dans la culasse, ledit collecteur étant relié à l'échangeur de chaleur et alimenté en gaz (G) par lui, - des moyens d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés du moteur
(H) dans le flux de gaz (G) refroidi par le faisceau d'échange de chaleur, et
- au moins un carter de guidage des gaz dans le dispositif de mélange de gaz, dispositif caractérisé en ce que les moyens d'injection débouchent sur le carter de guidage au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur.
Grâce à l'invention, le flux de gaz d'échappement recirculés (H) est injecté directement à la sortie du faisceau d'échange de chaleur, ce qui permet avantageusement de mélanger le flux de gaz d'échappement recirculés (H) avec le flux de gaz d'admission refroidis (G) avant que le mélange ne pénètre dans le collecteur de répartition. Ainsi, au cours de la circulation du mélange dans le collecteur de répartition et jusqu'à la culasse du moteur, le mélange des deux flux s'homogénéise, ce qui garantit un bon rendement de la combustion dans le moteur. L'injection se faisant sur le carter de guidage des gaz, elle se fait donc en périphérie du flux de gaz, ce qui entraîne des turbulences dans ce flux et participe à son homogénéisation.
Le dispositif de mélange selon l'invention permet de mélanger de manière homogène les deux flux de gaz malgré la proximité de l'échangeur de chaleur par rapport à la culasse du moteur. Autrement dit, il autorise la mise en place d'un dispositif compact sans que cette compacité s'oppose à son efficacité. En outre, grâce à l'invention, les gaz d'échappement sont répartis de manière homogène entre les cylindres du moteur qui reçoivent donc des mélanges de gaz de concentrations identiques. De préférence, le faisceau d'échange de chaleur s'étend selon une direction X de circulation des gaz refroidis (G), les moyens d'injection étant agencés pour injecter le flux de gaz d'échappement recirculés (H) perpendiculairement à la direction X de circulation des gaz refroidis (G). Ainsi, le flux de gaz d'échappement recirculés (H) vient cisailler le flux de gaz refroidis (G), favorisant la formation de turbulences dans la zone de confluence des deux flux de gaz et améliorant, par conséquent, l'homogénéisation du mélange.
De préférence, l'échangeur de chaleur comprend un carter d'échangeur et le collecteur comprend un carter de collecteur, les moyens d'injection étant agencés au niveau d'une zone d'interface entre le carter de guidage dans le dispositif de mélange des gaz et le collecteur de répartition des gaz, de préférence entre le carter d'échangeur et le carter de collecteur. Ainsi, les moyens d'injection sont agencés à l'interface entre l'échangeur de chaleur et le collecteur de répartition, ce qui permet de limiter l'encombrement global du dispositif de mélange. En outre, comme les moyens d'injection sont agencés à l'interface, il n'est pas nécessaire de modifier la structure d'un collecteur de répartition et d'un échangeur de chaleur existants pour permettre l'injection du flux de gaz d'échappement recirculés par l'adjonction de moyens d'injection.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, les moyens d'injection se présentent sous la forme d'une canalisation, de préférence globalement cylindrique. De préférence, cette dernière est formée de deux demi-coquilles de formes complémentaires, avantageusement respectivement formées sur le carter d'échangeur et le carter de collecteur, chaque demi-coquille étant monobloc avec le carter sur lequel elle est formée.
Ainsi, il suffit de relier le collecteur de répartition à l'échangeur de chaleur pour former les moyens d'injection, la canalisation d'injection étant formée par complémentarité de formes des demi-coquilles appartenant aux carters de collecteur et d'échangeur.
De préférence encore, une première demi-coquille possède une forme plane et la deuxième demi-coquille possède une forme globalement cylindrique de section sensiblement en U par rapport à l'axe selon lequel elle s'étend, les branches du U étant de longueurs différentes, la première demi-coquille venant en appui sur une paroi correspondant à la branche du U la plus longue et ménageant une ouverture longitudinale entre la première demi-coquille et une paroi correspondant à la branche du U la plus courte.
Selon une autre forme de réalisation de l'invention, le carter de guidage des gaz présente, transversalement à la direction X de circulation des gaz (G), une section polygonale, de préférence rectangulaire, au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur, les moyens d'injection débouchant sur au moins un côté du polygone dont la section du carter a la forme, de préférence sur une longueur du rectangle. Cela permet avantageusement au flux de gaz recirculés d'être injecté dans le carter de guidage de manière périphérique au flux de gaz d'admission. En outre, comme les moyens d'injection débouchent sur au moins un côté du rectangle dont la section du carter a la forme, le flux de gaz recirculés forme un rideau dans le carter de guidage, s 'étendant transversalement à la direction X de circulation des gaz (G), que le flux de gaz d'admission est obligé de traverser. Ainsi, le flux de gaz d'admission se mélange au flux de gaz recirculés selon la surface du rideau de gaz recirculés ce qui favorise l'homogénéisation du mélange.
De préférence, les moyens d'injection débouchent sur au moins deux côtés du rectangle dont la section du carter a la forme, de préférence sur trois côtés. La concentration de gaz d'échappement recirculés (H) est supérieure à proximité des orifices par lesquels ils débouchent dans le carter de guidage. Une injection de gaz d'échappement recirculés sur plusieurs côtés, c'est-à-dire de manière périphérique, permet d'uniformiser l'injection du flux de gaz recirculés (H) dans le flux de gaz refroidis (G) et ainsi de favoriser l'homogénéisation du mélange.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du dispositif de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif de mélange de gaz dans une culasse de moteur selon l'art antérieur;
- la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du dispositif de la figure 1, la coupe étant réalisée selon la direction de circulation des gaz dans le dispositif ; - la figure 3 représente une vue en perspective du dispositif de mélange de gaz dans une culasse de moteur selon l'invention, le dispositif étant vu sensiblement de dessus ;
- la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale du dispositif de la figure 3 sans son collecteur d'entrée, la coupe étant réalisée selon la direction de circulation des gaz dans le dispositif ;
- la figure 5 représente une vue en perspective du dispositif de la figure 3, le dispositif étant vu sensiblement de côté et
- la figure 6 représente une vue en perspective d'une autre forme de réalisation d'un dispositif de mélange de gaz selon l'invention.
En référence à la figure 3, un dispositif 1 de mélange d'un flux de gaz dans la culasse d'un moteur thermique de véhicule automobile (non représenté) comporte un échangeur de chaleur 10 comprenant un faisceau d'échange de chaleur 11 agencé pour échanger de la chaleur avec un premier flux de gaz (G), ici des gaz d'admission comportant de l'air, circulant dans le faisceau d'échange de chaleur 11.
Par la suite, on définit les termes « amont » et « aval » par rapport au sens de circulation du flux de gaz d'admission (G) dans le dispositif de mélange 1, les gaz d'admission (G) circulant de l'amont vers l'aval dans le dispositif 1 selon une direction X de circulation des gaz représentée sur les figures 3 et 4.
Les gaz d'admission (G) sont introduits dans l'échangeur de chaleur 10 par un collecteur d'entrée 40, monté en amont de l'échangeur de chaleur 10, et évacués par un collecteur de sortie, également dénommé collecteur de répartition 30, monté en aval de l'échangeur de chaleur 10 et destiné à être relié à la culasse du moteur.
Le collecteur de répartition 30 est monté sur la culasse du moteur. Le collecteur de répartition 30 permet une admission répartie, dans la culasse, du flux de gaz refroidi (G) issu de l'échangeur de chaleur 10.
Le dispositif de mélange 1 comprend en outre des moyens d'injection 20 d'un flux de gaz d'échappement recirculés du moteur (H), connus de l'homme du métier sous son abréviation anglaise « EGR » correspondant à « Exhaust Gas recirculation ». Les moyens d'injection 20 sont formés à l'interface entre l'échangeur de chaleur 10 et le collecteur de sortie 30 de manière à injecter le flux de gaz d'échappement recirculés (H) dans le flux de gaz d'admission (G) à l'interface entre le collecteur de répartition 30 et l'échangeur de chaleur 10.
Afin de bien comprendre l'invention, chaque élément du dispositif de mélange selon l'invention va être décrit individuellement aussi bien dans sa structure que dans sa fonction. - Echangeur de chaleur
En référence aux figures 3 et 4, l' echangeur de chaleur 10 comprend un carter d' echangeur 12 enveloppant le faisceau d'échange de chaleur 11 comportant une pluralité d'éléments d'échange empilés. Les espaces entre les éléments d'échange du faisceau 11 forment des canaux de conduite du flux de gaz à refroidir (G), ici les gaz d'admission. Les éléments d'échange du faisceau 11 sont creux et conduisent un fluide caloporteur (F), destiné à échanger de la chaleur avec le flux de gaz à refroidir (G) circulant d'amont en aval dans les canaux de conduite de fluide.
Le faisceau d'échange de chaleur 11 se présente sous la forme d'un parallélépipède s 'étendant dans sa longueur selon la direction X de circulation des gaz et comprenant une face d'entrée amont Se par laquelle sont introduits les gaz d'admission à refroidir (G) et une face de sortie aval Ss par laquelle sont évacués les gaz d'admission refroidis (G), comme représenté sur la figure 3.
Le carter d' echangeur 12, dans lequel est logé le faisceau d'échange de chaleur
11, se présente sous la forme d'un parallélépipède, s'étendant dans sa longueur selon la direction X de circulation des gaz, dont les faces amont et aval sont ouvertes pour permettre respectivement l'entrée et la sortie des gaz (G) dans le faisceau d'échange de chaleur 11.
En référence à la figure 4, la longueur du faisceau d'échange de chaleur 11 est sensiblement égale à celle du carter 12 dans lequel le faisceau 11 est logé. Le faisceau d'échange de chaleur 11 est ainsi affleurant de part et d'autre du carter
12, les faces de sortie et d'entrée du faisceau 11 et du carter d' echangeur 12 étant alors sensiblement confondues. Par la suite, on définit les termes « supérieur », « inférieur », « gauche » et « droite » par rapport à l'orientation du dispositif de mélange 1 représenté en perspective sur la figure 3 et conformément au repère orthogonal d'axes (X , Y, Z), l'axe X étant orienté de l'amont vers l'aval et correspondant à la direction X d'écoulement des gaz, l'axe Y étant orienté de la gauche vers la droite et l'axe Z étant orienté du bas vers le haut, c'est à dire de la partie inférieure du dispositif vers sa partie supérieure. Ainsi, le carter d'échangeur 12 présente quatre côtés (ou parois) : un côté supérieur, un côté inférieur, un côté gauche et un côté droite ; seuls les côtés supérieur et gauche sont visibles sur la figure 3.
Le fluide caloporteur (F) est introduit dans le faisceau d'échange de chaleur 11 par une tubulure d'entrée 15 ménagée sur le côté inférieur du carter d'échangeur 12, chaque élément d'échange du faisceau 11 étant relié de manière fluidique à la dite tubulure d'entrée 15. Après circulation dans le faisceau d'échange de chaleur 11, le fluide caloporteur (F) est évacué par une tubulure de sortie 16 ménagée sur le même côté du carter d'échangeur 12 comme représenté sur la figure 3.
Le faisceau d'échange de chaleur 11 possède une surface transversale de refroidissement sensiblement rectangulaire. Ainsi, à la sortie du faisceau d'échange de chaleur 11, le flux de gaz d'admission refroidi (G) est de section rectangulaire transversalement à la direction X de circulation des gaz.
- Collecteur d'entrée
Le collecteur d'entrée 40, représenté sur la figure 3, permet de guider et de répartir le flux de gaz à refroidir (G) sur la surface totale de la face d'entrée Se du faisceau d'échange de chaleur 11. A cet effet, le collecteur d'entrée 40 se présente sous la forme d'un carter sensiblement évasé de l'amont vers l'aval dont l'extrémité aval est reliée à l'extrémité amont du carter d'échangeur 12. Le collecteur d'entrée 40 comporte une face de sortie débouchant sur la face d'entrée de l'échangeur de chaleur 10, et un orifice d'entrée par lequel sont introduits les gaz d'admission à refroidir (G) dans le collecteur d'entrée 40.
Le collecteur d'entrée 40 est conformé de manière à ce que la direction du flux de gaz à refroidir (G) entrant dans le faisceau d'échange de chaleur 11 soit confondue avec la direction X selon laquelle s'étend le faisceau d'échange de chaleur 11. A cet effet, en référence à la figure 3, le collecteur d'entrée 40 est coudé à 90° de manière à ce que la direction d'écoulement du flux de gaz (G) entrant par l'orifice d'entrée du collecteur d'entrée 40, ici perpendiculairement à la direction X de circulation des gaz dans le faisceau 11, soit modifiée de manière à ce que le flux de gaz (G) entrant finalement dans le faisceau d'échange de chaleur 11 s'écoule dans la direction X de circulation des gaz dans le faisceau 11 ; autrement dit, le flux de gaz est redressé dans le collecteur d'entrée 40.
L'orientation de l'orifice d'entrée du collecteur d'entrée 40 peut varier, l'important étant que le flux d'air à refroidir (G) pénètre dans le faisceau 11 selon la bonne direction X de circulation des gaz.
- Collecteur de répartition
Le collecteur de répartition 30, monté en aval de l'échangeur de chaleur 10, comprend une partie amont avec une face amont, sur laquelle débouche la face de sortie Ss du faisceau d'échange de chaleur 11, et une partie aval destinée à être fixée sur la culasse du moteur. La partie aval du collecteur de répartition 30 comprend ici huit canaux de sortie agencés pour déboucher respectivement dans quatre cylindres d'admission du moteur (deux par cylindre), seuls les canaux supérieurs 33, 34, 35, 36 étant visible sur les figures 3 et 5. Ainsi, les gaz admis par la face amont du collecteur de répartition 30 sont répartis dans les huit canaux de sortie afin d'alimenter les cylindres du moteur en gaz pour leur combustion. Le collecteur de répartition 30 comprend un carter de collecteur 32 guidant les gaz introduits de la face amont du collecteur 30 jusqu'à la culasse du moteur. Le carter de collecteur 32 est sensiblement évasé de l'amont vers l'aval et comporte une face amont ouverte de section rectangulaire transversalement à la direction X de circulation des gaz.
- Moyens d'injection
En référence aux figures 3 et 4, les moyens d'injection 20 sont agencés pour injecter un flux de gaz d'échappement recirculés (H) dans le flux de gaz refroidis
(G), à la sortie du faisceau d'échange de chaleur 11, de manière à ce que les deux flux de gaz (G, H) se mélangent à l'entrée du collecteur de sortie 30, permettant au mélange des deux gaz (G, H) ainsi formé de s'homogénéiser au fur et à mesure de sa circulation dans le collecteur de sortie 30. Grâce à l'invention, le mélange de gaz (G, H) admis dans les cylindres du moteur est homogène et les performances de combustion du moteur sont améliorées.
Le dispositif de mélange 1 comporte en l'espèce deux carters de guidage des gaz dans le dispositif 1, à savoir le carter d'échangeur 12 et le collecteur de répartition 32. Pour simplifier la description, et dans la mesure où ces deux carters forment en fait globalement un carter de guidage des gaz, on parlera du carter de guidage des gaz pour désigner l'un ou l'autre ou les deux. Lorsqu'il s'agira de décrire des caractéristiques plus spécifiques de l'un d'entre eux, sa terminologie propre sera utilisée. On note d'ailleurs à cet égard qu'un unique carter de guidage des gaz pourrait être prévu, servant à la fois de carter de guidage des gaz dans l'échangeur et de carter de guidage des gaz dans le collecteur.
Selon l'invention, les moyens d'injection 20 débouchent sur le carter de guidage au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur 11. Ainsi, les moyens d'injection 20, formés extérieurement au carter de guidage, injectent un flux de gaz d'échappement recirculés (H) dans le flux de gaz d'admission refroidis (G) circulant dans ledit carter de guidage. Au niveau de la zone de confluence des deux flux (G, H), des turbulences se créent, ce qui favorise l'homogénéisation dudit mélange. De plus, cette zone de confluence est située à l'extrémité amont du collecteur de répartition 30 ce qui permet aux gaz de continuer à se mélanger au cours de leur circulation dans le collecteur de répartition 30 et ce, sur toute sa longueur et non pas, comme cela était le cas dans le dispositif de mélange selon l'art antérieur représenté sur les figures 1 et 2, uniquement sur une partie de sa longueur.
Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 3, on tire parti de l'aspect modulaire du dispositif de mélange 1 en formant les moyens d'injection 20 entre le carter d'échangeur 12 et le carter de collecteur 32. Les moyens d'injection 20 sont formés à l'interface entre le collecteur 30 et l'échangeur de chaleur 10 afin de limiter l'encombrement global du dispositif de mélange 1 tout en permettant un mélange homogène.
L'invention s'applique à tout type de carter de guidage, sa forme, sa matière ou ses dimensions important peu. En outre, le carter de guidage des gaz peut être composé de plusieurs éléments (ou modules) ou d'un seul élément, le carter de guidage étant alors monobloc (comme déjà envisagé ci-dessus).
Ainsi, l'invention s'applique également à un carter de guidage des gaz monobloc dans lequel débouchent les moyens d'injection 20 au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur 11.
En référence à la figure 4, les moyens d'injection 20 se présentent en l'espèce sous la forme d'une canalisation globalement cylindrique 21, s'étendant transversalement à la direction X de circulation des gaz et comprenant une fente longitudinale débouchant entre le carter d'échangeur 12 et le carter de collecteur 32 afin d'injecter le flux de gaz d'échappement recirculés (H) dans le flux de gaz refroidis (G). La fente longitudinale 24 de la canalisation cylindrique 21 s'étend donc dans un plan transversal à la direction X de circulation des gaz, désigné plan de l' interface .
Au cours de l'injection, les gaz d'échappement injectés (H) viennent couper le flux de gaz refroidis (G), ce qui engendre des turbulences à la sortie du faisceau d'échange de chaleur 11, favorisant l'homogénéisation du mélange.
De préférence, la fente longitudinale 24 de la canalisation d'injection 21 est formée de manière à injecter les gaz d'échappement (H) perpendiculairement à la direction X de circulation des gaz d'admission refroidis (G) issus du faisceau d'échange de chaleur 11. Cela permet avantageusement de favoriser le cisaillement du flux de gaz refroidis (G) par le flux de gaz d'échappement (H).
Par ailleurs, afin d'améliorer plus encore l'effet de cisaillement, l'ouverture de la fente longitudinale 24 de la canalisation d'injection 21 est ménagée de manière à permettre une injection des gaz d'échappement (H) à haute vitesse entre les carters 12 et 32, permettant ainsi au flux de gaz d'échappement (G) de traverser de part en part le flux de gaz d'admission refroidis (H).
Autrement dit, l'ouverture de la fente longitudinale 24 de la canalisation d'injection 21 est ménagée de manière à permettre au flux de gaz d'échappement (H) d'atteindre le côté du carter de guidage opposé au côté du carter dans lequel débouche la fente de la canalisation 21. En d'autres termes, le flux de gaz d'échappement (H) forme un rideau de gaz transversal à la direction de circulation des gaz d'admission (G) dans le carter de guidage. Pour un débit de gaz recirculés constant, plus l'ouverture de la fente longitudinale 24 de la canalisation d'injection 21 est étroite, plus la vitesse d'injection des gaz recirculés (H) est importante.
Cependant, une fente 24 dont l'ouverture est étroite est sujette à encrassement en raison des particules lourdes (suie, etc.) en suspension dans le flux de gaz d'échappement (H). A cet effet, une ouverture de largeur comprise entre 3mm et 7mm, de préférence égale à 5 mm, assure un compromis entre une vitesse d'injection suffisante et une limitation des risques d'encrassement. La largeur de l'ouverture est déterminée dans cette plage en fonction de la nature des gaz d'échappement (H). Plus les gaz d'échappement (H) comprennent de particules lourdes - on dit que les gaz d'échappement sont « chargés » - plus la largeur de l'ouverture est importante pour limiter le risque d'encrassement.
Selon une forme de réalisation non représentée, la fente 24 de la canalisation d'injection 21 débouche sur un unique côté du carter de guidage afin d'injecter le flux de gaz recirculés (H) dans le flux de gaz refroidis (G). Lors de l'injection, la vitesse du flux de gaz recirculés (H) diminue au fur et à mesure qu'il traverse le flux de gaz refroidis (G) en raison des turbulences formées dans la zone de confluence des deux gaz. Ainsi, la vitesse du flux de gaz recirculés (H) peut être nulle lorsque le flux de gaz (H) atteint le côté du carter opposé au côté d'injection des gaz (H). Autrement dit, la vitesse du flux de gaz recirculés (H) est plus élevée à proximité de la fente d'injection 24. Ainsi, à la périphérie du carter, le flux de gaz recirculés possède une vitesse élevée sur un côté et une vitesse sensiblement nulle sur ses trois autres côtés. Les deux flux de gaz ne sont alors pas mélangés de manière homogène à la périphérie du gaz d'admission (mais peuvent l'être dans le collecteur).
Un autre mode de réalisation propose que la fente d'injection 24 soit réalisée sous la forme d'une pluralité de fentes d'injection adjacentes les unes aux autres. En référence aux figures 3 et 4, afin de répartir les gaz d'échappement (H) de manière encore plus homogène dans la zone de leur injection, la fente 24 de la canalisation d'injection 21 débouche sur trois côtés du carter de guidage ce qui permet avantageusement d'injecter des gaz recirculés à vitesse élevée sur trois côtés du carter, c'est-à-dire sensiblement sur toute sa périphérie. Toujours en référence à la figure 3, la canalisation d'injection 21 comprend une partie de canalisation latérale gauche 21g, une partie de canalisation supérieure 2 Ih et une partie de canalisation latérale droite 2 Id.
Le flux de gaz d'admission refroidis (G), de section rectangulaire, est ainsi cisaillé par des flux de gaz d'échappement (H) débouchant de manière « périphérique » selon trois côtés du carter de guidage. Grâce à cette disposition circonférentielle de la canalisation d'injection 21 sur le carter de guidage, les gaz d'échappement (H) sont injectés avec une vitesse d'injection élevée à la périphérie du flux de gaz d'admission (G), favorisant l'homogénéisation du mélange. Comme la vitesse du flux de gaz recirculés (H) est plus élevée à proximité d'une fente d'injection 24, la présence de trois fentes d'injection ménagées à la périphérie du carter de guidage permet d'avoir une vitesse d'injection sensiblement égale à la périphérie du flux de gaz d'admission.
Il va de soi que la canalisation d'injection 21 pourrait également s'étendre sur un côté, deux, trois ou quatre côtés du rectangle dont la face de sortie Ss du faisceau d'échange de chaleur 11 a la forme, les côtés étant de préférence consécutifs.
En référence aux figures 3 et 5, la canalisation d'injection 21 comprend un orifice 25 d'entrée des gaz d'échappement recirculés (H) dans la canalisation d'injection 21. Dans une forme de réalisation de l'invention, la canalisation cylindrique 21 est formée de deux demi-coquilles complémentaires 22, 23 respectivement formées sur le carter d'échangeur 12 et le carter de collecteur 32, chaque demi-coquille étant monobloc avec le carter sur lequel elle est formée. L'encombrement du dispositif 1 est ainsi fortement réduit.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les demi-coquilles complémentaires 22, 23 sont rapportées par soudage/brasage sur le carter d'échangeur 12 et le carter de collecteur 32.
Par ailleurs, grâce à une telle configuration, le procédé de montage du dispositif de mélange ne nécessite pas d'étapes supplémentaires en comparaison au montage d'un dispositif de mélange classique dépourvu de moyens d'injection d'un flux de gaz d'échappement (G). En effet, la liaison du carter d'échangeur 12 avec le carter de collecteur 32 permet de former, par complémentarité de formes des demi-coquilles 22, 23, la canalisation d'injection de gaz 21, sans étape supplémentaire de montage.
De manière structurelle, en référence à la figure 4, la première demi-coquille 23, formée à l'extrémité amont du carter 32 du collecteur de répartition 30, présente une forme plane et s'étend dans un plan transversal à la direction X de circulation du flux de gaz d'admission dans le faisceau d'échange de chaleur 11.
Etant donné que la canalisation d'injection 21 s'étend sur trois côtés du carter de guidage dans la forme de réalisation représentée sur les figures 3 et 4, la demi- coquille 23, qui forme la partie aval de cette canalisation 21, s'étend sur trois côtés du carter de collecteur 32.
Ainsi, l'extrémité amont du carter 32 comprend un bord latéral gauche, un bord supérieur et un bord latéral droit sur lesquels est ménagé la première demi- coquille 23, dite demi-coquille aval 23, cette dernière s 'étendant sensiblement dans le plan d'interface entre le collecteur 30 et l'échangeur 20, extérieurement à la zone de circulation des gaz dans le collecteur 30.
De même, la deuxième demi-coquille 22, dite demi-coquille amont 22, qui forme la partie amont de la canalisation 21, s'étend sur trois côtés du carter d'échangeur 12. L'extrémité aval du carter 12 comprend un bord latéral gauche, un bord supérieur et un bord latéral droit sur lesquels est ménagée la deuxième demi- coquille 22, cette dernière s'étendant extérieurement à la zone de circulation des gaz dans l'échangeur de chaleur 10.
La demi-coquille amont 22, formée à l'extrémité aval du carter de l'échangeur 12, possède une forme globalement cylindrique de section sensiblement en U ouverte du côté aval de manière à correspondre, par complémentarité de formes, avec la première demi-coquille 23 formée sur le carter du collecteur 32.
En référence à la figure 4, les branches du U, dont la demi-coquille amont 22 a la forme, sont de longueurs différentes. On distingue une branche longue 22a, la plus éloignée de la zone de circulation des gaz d'admission (G) dans l'échangeur de chaleur 10, correspondant à une paroi destinée à entrer en contact étanche avec la première demi-coquille 23 formée sur le carter du collecteur 32, et une branche courte 22b, la plus proche de la zone de circulation des gaz d'admission (G) dans l'échangeur de chaleur 10, correspondant à une paroi destinée à ménager une fente longitudinale 24 entre son extrémité et la surface plane de la première demi-coquille 23. Ainsi, en adaptant la longueur des branches du U, on peut dimensionner la largeur de l'ouverture de la fente longitudinale 24 et, par voie de conséquence, la vitesse d'injection des gaz d'échappement recirculés (H) dans le flux de gaz d'admission refroidis (G). Lors de l'assemblage du collecteur de répartition 30 en aval de l'échangeur de chaleur 10, la paroi correspondant à la branche du U la plus longue de la deuxième demi-coquille 22 vient en contact sur la surface plane de la première demi-coquille 23 le long du côté latéral gauche, du côté supérieur et du côté latéral droit, le bord inférieur du carter d'échangeur 12 venant en contact avec le bord inférieur du carter de collecteur 32 afin d'assurer un contact étanche à l'interface entre le collecteur de répartition 30 et l'échangeur de chaleur 10.
Les deux demi-coquilles 22, 23 coopèrent par complémentarité de formes pour former la canalisation d'injection 21 qui s'étend sur trois côtés du carter de guidage. La fente longitudinale d'injection 24 est formée au cours de l'assemblage, sans nécessiter d'étapes d'assemblage supplémentaires.
Le collecteur de répartition 30 et l'échangeur de chaleur 10 sont solidarisés l'un à l'autre, de préférence par soudage ou brasage.
De manière similaire, le collecteur d'entrée 40 est solidarisé à l'échangeur de chaleur 10, l'extrémité amont de l'échangeur 10 étant soudée à l'extrémité aval du collecteur d'entrée 40.
Selon une autre forme de réalisation non représentée, les moyens d'injection 20 comportent une pluralité d'orifices de diffusion débouchant sur au moins un côté du carter de guidage, de préférence dans un même plan transversal à la direction X de circulation du flux de gaz d'admission dans le carter de guidage. Cette pluralité d'orifices de diffusion forme une portion de couronne périphérique sur le carter de guidage et permet avantageusement de diviser le flux de gaz recirculés (H) en une pluralité de flux élémentaires. Chaque flux élémentaire de gaz recirculés se mélange avec le flux de gaz d'admission dans une zone élémentaire de mélange. Autrement dit, on procède à un mélange discret du flux de gaz recirculés avec le flux d'admission. Cela permet de manière avantageuse de favoriser l'homogénéisation du mélange de gaz d'échappement recirculés avec le flux de gaz d'admission. Le diamètre des orifices de diffusion est adapté de manière à favoriser une injection des gaz d'échappement recirculés à haute vitesse dans le flux de gaz d'admission tout en limitant les risques d'encrassement desdits orifices. En outre, les orifices peuvent être également adaptés pour injecter le flux de gaz recirculés perpendiculairement à la direction X du flux de gaz d'admission dans le carter de guidage.
- Mise en œuyre
Au cours du fonctionnement du dispositif de mélange selon l'invention, un flux de gaz d'admission à refroidir (G) est introduit par l'orifice d'entrée du collecteur d'entrée 40 et circule d'amont en aval dans le faisceau d'échange de chaleur 11, selon la direction X de circulation des gaz, pour être refroidi.
Au niveau de la face de sortie Ss du faisceau d'échange de chaleur 11, le flux de gaz d'admission refroidis (G) est cisaillé par le flux de gaz d'échappement recirculés (H) injectés perpendiculairement à la direction du flux de gaz refroidis. Les turbulences générées par le cisaillement dans la zone de confluence des gaz (H, G) favorisent le mélange des flux de gaz pour former un flux de gaz homogène conduit en aval dans les cylindres du moteur via le collecteur de répartition 30.
Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir un mélange homogène des gaz admis dans la culasse du moteur malgré la proximité de l'échangeur de chaleur par rapport à la culasse. Autrement dit, il permet d'allier compacité, efficacité et rendement. En outre, le dispositif peut être monté de manière simple et rapide. Une deuxième forme de réalisation d'un dispositif de mélange selon l'invention est décrite en référence à la figure 6. Les références utilisées pour décrire les éléments du dispositif, de structure ou fonction identique, équivalente ou similaire à celles des éléments du dispositif de la figure 3 sont les mêmes, pour simplifier la description. D'ailleurs, l'ensemble de la description du mode de réalisation de la figure 3 n'est pas reprise, cette description s'appliquant aux éléments de la figure 6 lorsqu'il n'y a pas d'incompatibilités. Seules les différences notables, structurelles et fonctionnelles, sont décrites.
En référence à la figure 6, le dispositif de mélange comprend des moyens d'injection 20 se présentant sous la forme d'une canalisation 21 s'étendant uniquement sur un côté du carter de guidage (en l'occurrence le côté supérieur), à l'interface entre le carter de collecteur 32 et le carter d'échangeur 12, de manière à injecter le flux de gaz d'échappement recirculés (H) au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur 11.
De manière similaire à la forme de réalisation précédente, les moyens d'injection 20 sont également formés de deux demi-coquilles complémentaires 22, 23 appartenant respectivement au carter d'échangeur 12 et au carter de collecteur 32. La première demi-coquille amont 23, monobloc avec le carter d'échangeur 12, présente, transversalement à l'axe selon lequel s'étend la canalisation 21, une section en U dont les branches sont tournées vers l'aval. De manière similaire, la deuxième demi-coquille aval 22, monobloc avec le carter de collecteur 32, présente, transversalement à l'axe selon lequel s'étend la canalisation, une section en U dont les branches sont tournées vers l'amont. Les branches des U, dont les demi-coquilles 22, 23 ont la forme, sont de longueurs différentes, les branches supérieures des U, les plus éloignées de la zone de circulation des gaz d'admission (G) dans le dispositif, étant plus longue que leurs branches inférieures. Lors du montage du collecteur de répartition 30 sur l'échangeur de chaleur 10, les parois correspondant aux branches supérieures des U entrent en contact étanche par leurs extrémités, les parois correspondant aux branches inférieures des U ménageant une fente longitudinale d'injection dans la canalisation d'injection 21.
Il va de soi que les demi-coquilles 22, 23 pourraient avoir des formes différentes pour former la canalisation d'injection 21. Il a été décrit dans les formes de réalisation précédentes une canalisation d'injection 21 formée de deux demi- coquilles 22, 23. Il va de soi que la canalisation d'injection 21 pourrait être formée de manière indépendante au carter de guidage. Elle pourrait par exemple se présenter sous la forme d'une canalisation cylindrique 21, rapportée sur un côté du carter de guidage, une fente longitudinale d'injection ayant été préalablement usinée dans la canalisation cylindrique 21.
Toujours en référence à la figure 6, la canalisation d'injection 21 comporte deux orifices d'injection 25', 25" destinés à permettre l'introduction simultanée ou alternée de deux flux de gaz d'échappement recirculés (H', H") de natures différentes ou identiques. En l'occurrence, les flux de gaz d'échappement recirculés peuvent être refroidis ou non, à haute pression ou basse pression. Une injection de gaz d'échappements recirculés de natures différentes permet de modifier la nature du comburant dans les cylindres du moteur et ainsi de modifier les performances du moteur lors de son fonctionnement à faible charge ou forte charge.
Dans la forme de réalisation de la figure 6, le premier orifice d'entrée 25' et le deuxième orifice d'entrée 25" débouchent dans la demi-coquille amont de la canalisation d'injection 23 au niveau d'une même zone de confluence. Ainsi, lors d'une injection simultanée de deux flux de gaz d'échappement recirculés (H', H") de natures différentes, les deux flux se mélangent dans la zone de confluence de la demi-coquille amont 23 de la canalisation d'injection 21.
Autrement dit, on procède premièrement au mélange des flux de gaz d'échappement recirculés H', H" de natures différentes dans la canalisation d'injection 21 puis on procède au mélange du mélange de gaz recirculés H', H" avec le flux de gaz d'admission G à la sortie du faisceau d'échange 11, afin que les cylindres du moteur admettent un mélange composé du premier flux de gaz d'échappement (H'), du deuxième flux de gaz d'échappement (H") et du flux de gaz d'admission (G).
Il va de soi qu'une canalisation d'admission 21 à deux orifices d'entrée pourrait également être adaptée à la première forme de réalisation de l'invention. En outre, il va également de soi que les moyens d'injection 20 peuvent comprendre plus de deux orifices d'entrée pour injecter un flux de gaz d'échappement refroidi ou non, à haute ou basse pression.

Claims

Revendications
1. Dispositif de mélange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'échappement recirculé s en vue de leur admission dans la culasse d'un moteur thermique de véhicule automobile, le dispositif comportant :
- un échangeur de chaleur (10) comportant un faisceau d'échange de chaleur (11) de refroidissement de gaz (G), le faisceau d'échange de chaleur (11) comprenant une face d'entrée des gaz à refroidir et une face de sortie des gaz refroidis ; - un collecteur (30) de répartition des gaz dans la culasse, ledit collecteur (30) étant relié à l'échangeur de chaleur (11) et alimenté en gaz (G) par lui,
- des moyens (20) d'injection du flux de gaz d'échappement recirculés du moteur (H) dans le flux de gaz (G) refroidi par le faisceau d'échange de chaleur (11), et
- au moins un carter de guidage des gaz dans le dispositif de mélange des gaz, dispositif caractérisé en ce que les moyens d'injection (20) débouchent sur le carter de guidage au niveau de la face de sortie du faisceau d'échange de chaleur (11).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d'échange de chaleur (11) s'étend selon une direction X de circulation des gaz refroidis (G), les moyens d'injection (20) étant agencés pour injecter le flux de gaz d'échappement recirculés (H) perpendiculairement à la direction X de circulation des gaz refroidis (G).
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'échangeur de chaleur (10) comprend un carter d' échangeur (12) et le collecteur (30) comprend un carter de collecteur (32), les moyens d'injection (20) étant agencés au niveau d'une zone d'interface entre le carter de guidage dans le dispositif de mélange des gaz et le collecteur de répartition des gaz (30), de préférence entre le carter d'échangeur (12) et le carter de collecteur (32).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'injection (20) se présentent sous la forme d'une canalisation, de préférence globalement cylindrique (21).
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la canalisation (21) est formée de deux demi-coquilles de formes complémentaires (22, 23).
6. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les deux demi- coquilles (22, 23) sont respectivement formées sur le carter d'échangeur (12) et le carter de collecteur (32), chaque demi-coquille (22, 23) étant monobloc avec le carter (12, 32) sur lequel elle est formée.
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel une première demi-coquille (23) possède une forme plane.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel :
- la deuxième demi-coquille (22) possède une forme globalement cylindrique de section sensiblement en U par rapport à l'axe selon lequel elle s'étend, les branches du U (2a, 22b) étant de longueurs différentes, - la première demi-coquille (23) venant en appui sur une paroi correspondant à la branche du U la plus longue (22a) et ménageant une ouverture longitudinale (24) entre la première demi-coquille (23) et une paroi correspondant à la branche du U la plus courte (22b).
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le carter de guidage des gaz présente, transversalement à la direction X de circulation des gaz (G), une section polygonale, de préférence rectangulaire, au niveau de la sortie du faisceau d'échange de chaleur (11), les moyens d'injection (20) débouchant sur au moins un côté du polygone dont la section du carter a la forme, de préférence sur une longueur du rectangle.
10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les moyens d'injection (20) débouchent sur au moins deux côtés du rectangle dont la section du carter a la forme, de préférence sur trois côtés.
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