FR2877992A1 - Moteur a combustion avec systeme de re-circulation des gaz d'echappement - Google Patents
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Abstract
Ce moteur à combustion comprend une chambre de combustion et un système de re-circulation des gaz de combustion comportant un dispositif d'échappement, un dispositif d'admission d'air comprenant une conduite d'amission avec des moyens formant vanne 132 et une conduite de re-circulation reliant le dispositif d'échappement à la conduite d'admission et y débouchant en aval des moyens formant vanne 132, au niveau d'au moins deux portions 151, 152 comprenant chacune une ouverture d'entrée 153, 154. Au moins deux des portions 151, 152 sont disposées et dimensionnées en sorte d'obtenir au moins deux jets de gaz d'échappement qui entrent partiellement en collision sensiblement dans la zone centrale de la conduite d'admission et créent un mouvement rotationnel autour de la zone centrale.
Description
1 2877992
MOTEUR A COMBUSTION AVEC SYSTEME DE RE-CIRCULATION DES GAZ D'ECHAPPEMENT La présente invention concerne un moteur à combustion muni d'un 5 système de re-circulation des gaz d'échappement.
La présente invention concerne notamment le domaine de l'industrie automobile.
Il est désormais nécessaire de réduire les émissions de polluants produits par les véhicules automobiles. Dans ce contexte, il est connu d'utiliser la ré-injection (ou re-circulation) des gaz de combustion (gaz d'échappement) dans les cylindres du moteur. Ceci a pour effet, notamment, de baisser la température de combustion et de réduire la quantité de polluants formés.
Pour que cette technique soit efficace, il est nécessaire d'obtenir un mélange air-gaz d'échappement homogène afin que chacun des cylindres du moteur soit approvisionné avec un mélange contenant le même taux de gaz d'échappement.
Le mélange air-gaz d'échappement a lieu dans la conduite d'admission qui conduit normalement l'air vers les cylindres du moteur. Or, la longueur de la portion de la conduite d'admission où se produit le mélange est limitée, notamment pour des raisons d'encombrement. Il est donc difficile d'obtenir un mélange homogène.
Le document EP 1002947 propose un système de re-circulation des gaz d'échappement qui comprend un dispositif d'échappement qui conduit les gaz d'échappement hors du moteur, une conduite d'admission d'air qui conduit l'air vers les cylindres du moteur et une conduite de re- circulation qui amène les gaz d'échappement du dispositif d'échappement dans la conduite d'admission. La conduite de re-circulation débouche parallèlement à la conduite d'admission, ce qui fait que le flux d'air et le flux de gaz d'échappement recyclés (EGR) sont parallèles. Une seule et même valve papillon, comportant un axe muni de deux clapets, permet de réguler le taux de gaz d'échappement recyclés en obturant plus ou moins, de manière simultanée, l'ouverture de la portion de la conduite d'admission qui est parcourue par l'air et l'ouverture de la conduite de re-circulation.
2877992 2 Le document US 6138651 propose un système de re-circulation des gaz d'échappement qui comprend un dispositif d'échappement des gaz de combustion du moteur, une conduite d'admission d'air et une conduite de re-circulation. La conduite d'admission comporte une valve papillon. La conduite de re-circulation débouche dans la conduite d'admission, en aval de la vanne papillon, en deux endroits distincts en sorte de ne pas avoir de collision entre les deux flux de gaz d'échappement re-circulés. La fermeture de la valve papillon permet de créer, dans la conduite d'admission, une dépression qui aspire les gaz d'échappement par la conduite de re- circulation. Le système décrit dans ce document privilégie le mouvement rotationnel engendré par les deux flux de gaz d'échappement entrant dans la conduite d'admission. Selon ce document, toute collision entre les deux flux de gaz d'échappement entraîne une perte d'énergie nuisible à l'homogénéité du mélange air-gaz d'échappement.
Le but de la présente invention est de proposer un moteur comprenant un système de re-circulation des gaz d'échappement qui permet un bon mélange air-gaz d'échappement.
Ce but est atteint au moyen d'un moteur à combustion comprenant, de manière connue, une chambre de combustion et un système de re- circulation des gaz de combustion produits dans la chambre de combustion qui comprend: - un dispositif d'échappement qui conduit les gaz de combustion de ladite chambre de combustion du moteur hors du moteur; - un dispositif d'admission d'air vers la chambre de combustion du 25 moteur comprenant une conduite d'amission qui comprend une zone centrale et des moyens formant vanne; et - une conduite de re-circulation qui relie le dispositif d'échappement à la conduite d'admission, la conduite de re-circulation débouchant dans la conduite d'admission en aval desdits moyens formant vanne, au niveau d'au moins deux portions comprenant chacune une ouverture d'entrée. De manière caractéristique, selon l'invention, au moins deux des portions sont disposées et dimensionnées en sorte d'obtenir au moins deux jets de gaz d'échappement qui entrent partiellement en collision, sensiblement dans la zone centrale de la conduite d'admission, et créent un mouvement rotationnel autour de la zone centrale de la conduite d'admission.
2877992 3 La collision partielle des jets de gaz d'échappement permet de créer, du fait de l'éclatement d'une partie d'un jet sur une partie d'au moins un autre jet, des petites structures turbulentes qui aident au mélange des gaz d'échappement avec l'air contenu dans la conduite d'admission. Par ailleurs, le mouvement rotationnel généré par les flux de gaz d'échappement autour de la direction principale de l'écoulement favorise également un bon mélange des gaz d'échappement avec l'air.
La présente invention combinant les deux phénomènes précités, elle permet d'obtenir un bon mélange sur une longueur de mélange réduite ainsi qu'une faible perte de charge liée à la re-circulation des gaz d'échappement.
D'autre part, la collision des deux jets ayant lieu dans la zone centrale de la conduite d'admission, l'injection des gaz d'échappement a un effet thermique limité sur la conduite d'admission. En effet, les conduites d'admission sont parfois réalisées en matière plastique. Lorsque le jet de gaz d'échappement (chaud) re-circulés débouche trop près de la paroi de la conduite d'admission ou touche cette dernière, il s'ensuit parfois des problèmes de déformation du fait de l'augmentation de température localisée au point d'impact du jet de gaz d'échappement. Dans la présente invention, l'impact des deux jets l'un sur l'autre ayant lieu dans la partie centrale, la paroi de la conduite d'admission est donc assez éloignée et par conséquent thermiquement protégée.
La disposition des portions les unes par rapport aux autres n'est pas limitée selon l'invention du moment qu'au moins deux jets de gaz d'échappement entrent partiellement en collision. Il est aussi possible d'avoir une conduite de re-circulation qui débouche dans la conduite d'admission, par exemple, au niveau de trois, quatre ou cinq ou six portions.
Selon un mode de réalisation, au moins deux des ouvertures d'entrée sont au moins partiellement disposées en face à face. Ces ouvertures d'entrées peuvent être décalées l'une par rapport à l'autre selon l'axe de la conduite d'admission et/ou décalées l'une par rapport à l'autre sur la circonférence de la conduite d'admission.
Au moins deux des portions peuvent, par exemple, former entre elles un angle compris entre 0 et 30 . L'angle des portions entre elles détermine 4 2877992 la force de l'impact entre les deux jets et donc la qualité du mélange air-gaz d'échappement.
De même, l'angle formé entre les portions de la conduite de circulation et la conduite d'admission n'est pas limité selon l'invention.
Ainsi, au moins une des portions peut être sensiblement perpendiculaire à la conduite d'admission.
Selon un mode de réalisation particulier, au moins deux desdites portions débouchent dans la conduite d'admission sensiblement à une même distance des moyens formant vanne. Les portions sont dans ce cas décalées sur la circonférence de la conduite d'admission.
Selon un autre mode de réalisation particulier qui peut être combiné au précédent, au moins deux des portions de la conduite de re-circulation étant sensiblement cylindriques et de diamètre d, leurs axes sont décalés d'une distance comprise entre 40% et 60% de leur diamètre d. Le décalage des axes permet d'obtenir la collision d'une partie seulement des jets et de générer le mouvement rotationnel autour de la partie centrale de la conduite d'admission.
Selon l'invention, les portions peuvent pénétrer dans la conduite d'admission et leurs ouvertures d'entrée peuvent être orientées de manière appropriée. Selon une variante de réalisation, les ouvertures d'entrée correspondent à l'intersection des portions avec la conduite d'admission. Dans ce cas, les portions ne dépassent pas dans la conduite d'admission ce qui limite les pertes de charge, en particulier, lorsque la re-circulation des gaz d'échappement n'est pas mise en oeuvre.
Les moyens formant vanne ne sont pas limités selon l'invention. Dans un mode de réalisation particulier, ils comprennent une vanne papillon. Cette vanne papillon peut être fermée totalement ou non par le contrôle moteur.
La disposition de la vanne papillon n'est pas limitée selon l'invention. Il s'est avéré que l'on pouvait obtenir de bons résultats lorsque la vanne papillon est munie d'un axe de rotation sensiblement parallèle à l'une des portions de la conduite de re-circulation.
La présente invention concerne également un moteur à combustion 35 muni du système de re-circulation des gaz d'échappement précité La présente invention, ses caractéristiques et les divers avantages qu'elle procure apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple particulier de réalisation de la présente invention et qui fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue générale d'un mode particulier de réalisation de l'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale de la conduite d'admission d'une première variante de réalisation du système de recirculation des gaz d'échappement de l'invention; - la figure 3 représente une vue en coupe transversale de la conduite d'admission d'une seconde variante de réalisation du système de recirculation des gaz d'échappement de l'invention; - la figure 4 représente une vue en coupe transversale de la seconde variante de réalisation qui montre le décalage des axes des portions de la 15 conduite de re-circulation dans cette variante; - la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale de la conduite d'admission et des portions de la conduite de re-circulation de la seconde variante qui montre le mouvement des gaz dans la conduite d'admission; la figure 6 représente une vue du dessus de la seconde variante et montre les concentrations en gaz d'échappement le long de la conduite d'admission; et - la figure 7 est une vue en coupe transversale de la conduite d'admission de la seconde variante et montre les concentrations en gaz d'échappement ainsi que les vecteurs vitesses des gaz à une distance de 15mm, en aval du point d'impact entre les deux jets ou flux de gaz d'échappement re-circulés.
En référence à la figure 1, le système de re-circulation des gaz d'échappement comprend un dispositif d'échappement 11 qui permet de faire sortir les gaz de combustion hors des cylindres 22 du moteur 20. Le dispositif d'échappement 11 comporte une conduite d'échappement 112 qui est reliée à la conduite d'admission 13 via la conduite de re-circulation 15. La conduite d'admission 13 se ramifie en une pluralité des branches 131 qui alimentent en comburant la pluralité de cylindres 22 qui forment la chambre de combustion du moteur 20. Des moyens formant valve 132 sont disposés en amont des ramifications 131. La fermeture et l'ouverture de ces moyens formant valve 2877992 6 sont commandées par le contrôle moteur au moyen d'un boîtier de commande (non représenté). La conduite de recirculation 15 débouche dans la conduite d'admission 13, entre les moyens formant valve 132 et les ramifications 131.
Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant.
En fonctionnement standard, c'est-à-dire sans re-circulation des gaz d'échappement, les moyens formant valve 132 sont ouverts et seul le flux d'air F1 est amené jusqu'aux cylindres 22; En mode re-circulation des gaz d'échappement, le contrôle moteur active le boîtier de commande des moyens formant valve pour fermer ces derniers. Une dépression se forme ainsi dans la conduite d'admission 13. Cette dépression aspire une partie des gaz d'échappement du dispositif d'échappement 11 via la conduite de re-circulation 15. Le reste des gaz d'échappement est évacué hors du système par la conduite d'échappement 112 sous la forme d'un flux F3. Le flux de gaz de combustion ou gaz d'échappement re-circulé, représenté par la flèche F2 doit donc se mélanger à l'air dans la portion de la conduite d'admission 13, située en amont des ramifications 131. Les moyens formant valve 132 sont disposés suffisamment loin de l'ouverture d'entrée de la conduite de re-circulation afin d'éviter tout phénomène de retour du flux de gaz d'échappement vers les moyens formant valve, sous l'effet de la dépression créée par la fermeture de ces moyens.
Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 2, la conduite de re-circulation 15 débouche dans la conduite d'admission 13 via deux portions rectilignes 151 et 152, de même diamètre d, qui sont parallèles entre elles et sensiblement perpendiculaires à l'axe X de la conduite d'admission 13. Les portions 151 et 152 débouchent dans la conduite d'admission 13 au niveau de deux ouvertures d'entrées 153 et 154. Les axes, respectivement Y et Z des portions 151 et 152 sont parallèles et décalés l'un part rapport à l'autre d'une distance égale à d/2. Les moyens formant vanne 132 comportent une valve papillon qui comprend un axe 133 parallèle aux portions 151 et 152.
La seconde variante, représentée sur la figure 3, comporte deux portions 151 et 152 qui ne pénètrent pas dans la conduite d'admission 13. Les ouvertures d'entrée 153 et 154 correspondent à l'intersection entre la paroi de la conduite d'admission 13 et les parois des portions 151 et 152. Les autres 7 2877992 éléments qui sont communs avec la variante précédente sont référencés à l'identique.
Le fonctionnement des variantes précitées va maintenant être expliqué en référence à la figure 3.
Lorsque la valve papillon est fermée, les gaz d'échappement sont aspirés depuis les deux portions 151 et 152 et forment donc, dans la conduite d'admission 13, deux jets F21 et F22 qui entrent partiellement en collision dans la zone centrale de la conduite d'admission 13 du fait de la disposition et des dimensions des portions 151 et 152 et des ouvertures d'entrée 153 et 154.
Les deux jets ou flux F21 et F22 étant désaxés, ils génèrent au niveau du pourtour de la zone centrale (autour de la direction principale d'écoulement des gaz), en aval de leur zone de collision, un mouvement de rotation (représenté par les flèches G1 et G2) des gaz contenus dans la conduite d'admission. Ce mouvement favorise ainsi leur mélange. Dans la zone centrale, où se percutent les deux jets de gaz d'échappement recirculés F21 et F22, se forment des petites structures turbulentes T qui aident au mélange de l'air et des gaz d'échappement.
La disposition des portions 151 et 152 est illustrée plus en détails sur la figure 4. Les axes Y et Z des deux portions 151 et 152 sont décalés d'une distance égale à d/4 par rapport à l'axe 133 de la vanne papillon qui représente un diamètre D de la conduite d'admission 13. Les axes Y et Z sont disposés de par et d'autre de l'axe 133 de la vanne papillon. Dans ce mode de réalisation, la moitié de la surface de l'ouverture 153 est disposée face à la moitié de la surface de l'ouverture 154.
En référence à la figure 5, en coupe longitudinale, les deux portions 151 et 152 débouchent face à face, à une même distance des moyens formant vanne 132, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas décalées l'une par rapport à l'autre selon l'axe X de la conduite d'admission 13 mais décalées au niveau de la circonférence de cette dernière. La zone A représente la zone de collision des jets F21 et F22 des gaz d'échappement re-circulés. Les vecteurs vitesses représentés dans les zones B et C montrent bien le mouvement de rotation généré par les deux flux F21 et F22. On remarque également qu'il n'y a aucun phénomène de retour des gaz d'échappement en amont de leur point d'introduction dans la conduite d'admission 13 (zone D).
8 2877992 La figure 6 illustre plus clairement ce phénomène. La zone A de collision des jets F21 et F22 contient une forte concentration en gaz d'échappement. La zone D située en amont de la zone A a une concentration nulle en gaz d'échappement ce qui signifie que si les moyens formant vanne sont placés suffisamment en amont du point d'injection des gaz d'échappement re-circulés, il n'y a pas de phénomène de retour de flux de gaz d'échappement ( back flow ) engendré par les phénomènes de collision partielle et de mouvement de rotation mis en oeuvre dans la présente invention. En aval de la zone A, on constate que le mélange devient rapidement homogène (concentration quasiment uniforme).
En référence à la figure 7, les zones Hl et H2 (forte concentration en gaz d'échappement) correspondent aux jets F21 et F22 qui se mélangent le long de la conduite d'admission 13. Les zones B et C, dont la concentration en gaz d'échappement est plus faible, et qui sont opposées et situées sur les cotés des zones Hl et H2, sont animées d'un mouvement de rotation représenté par les vecteurs vitesses. Les gaz localisés dans les zones H21 et H22 qui sont également opposées et situées entre les zones B et C sont également animés d'un mouvement de rotation représenté par les vecteurs vitesse sur la figure 7. Les gaz localisés dans les zones 1121 et H22 tournent et se déplacent vers les zones B et C réalisant ainsi le mélange air-gaz d'échappement tout autour de la zone centrale de la conduite d'admission 13 i.e. sensiblement autour et en aval des jets de gaz d'échappement F21 et F22.
Claims (2)
- 9 REVENDICATIONS1. Système de re-circulation des gaz de combustion produits dans la chambre de combustion (22) d'un moteur à combustion (20), qui comprend: un dispositif d'échappement (11) qui conduit les gaz de combustion de ladite chambre de combustion du moteur hors du moteur; - un dispositif d'admission d'air vers ladite chambre de combustion 10 du moteur comprenant une conduite d'amission (13) qui comprend une zone centrale et des moyens formant vanne (132); - une conduite de re-circulation (15) qui relie ledit dispositif d'échappement (11) à ladite conduite d'admission (13), la conduite de recirculation (15) débouchant dans la conduite d'admission (13) en aval desdits moyens formant vanne (132), au niveau d'au moins deux portions (151; 152) comprenant chacune une ouverture d'entrée (153; 154) ; caractérisé en ce qu'au moins deux desdites portions (151; 152) sont disposées et dimensionnées en sorte d'obtenir au moins deux jets de gaz d'échappement (F21; F22) qui entrent partiellement en collision sensiblement dans ladite zone centrale de ladite conduite d'admission (13) et créent un mouvement rotationnel (G l; G2) autour de ladite zone centrale.2. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins deux desdites ouvertures (153; 154) d'entrée sont au moins partiellement disposées en face à face.3. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins deux desdites portions (151; 152) forment entre elles un angle compris entre 0 et 30 .4. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une desdites portions (151; 152) est sensiblement perpendiculaire à ladite conduite d'admission (13).
- 2877992 10 5. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins deux desdites portions (151; 152) débouchent dans ladite conduite d'admission (13) sensiblement à une même distance desdits moyens formant vanne (132).6. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites portions (151; 152) de ladite conduite de re-circulation (15) étant sensiblement cylindriques et de diamètre d, leurs axes (Y; Z) sont décalés d'une distance comprise entre 40% et 60% de leur diamètre d.7. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites ouvertures d'entrée (153; 154) correspondent à l'intersection desdites portions (151; 152) avec ladite conduite d'admission (13).8. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens formant vanne (132) comprennent une vanne papillon.9. Système de re-circulation des gaz d'échappement selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite vanne papillon est munie d'un axe de rotation (133) sensiblement parallèle à l'une desdites portions (151; 152) de la conduite de re-circulation (15).10. Moteur à combustion muni du système de re-circulation des gaz d'échappement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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