FR2946698A1 - Dispositif de melange d'un flux de gaz d'admission et d'un flux de gaz d'echappement recircules - Google Patents

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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. 10 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 15 chambre de combustion; cette fonction est remplie par un échangeur de chaleur, qui est un refroidisseur.
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 20 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 25 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 30 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.30 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 30 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 30 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 20 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. 25 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.30 Echangeur de chaleur
En référence aux figures 3 et 4, l'échangeur de chaleur 10 comprend un carter d'échangeur 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'échangeur 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'échangeur 12 étant alors sensiblement confondues. 9 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. 10 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 15 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 20 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
25 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 30 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.30 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 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 25 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 30 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 ù on dit que les gaz d'échappement sont chargés ù 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 30 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 21h et une partie de canalisation latérale droite 21d.
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 21.25 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 30 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 15 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. 20 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 25 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 30 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 oeuvre 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. 15 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 20 (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 25 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.10 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.30 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.20

Claims (10)

  1. Revendications1. 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 : ù 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 15 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 20 de chaleur (11).
  2. 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 25 d'échappement recirculés (H) perpendiculairement à la direction X de circulation des gaz refroidis (G).
  3. 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) 30 comprend un carter de collecteur (32), les moyens d'injection (20) étantagencés 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. 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. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la canalisation (21) est formée 10 de deux demi-coquilles de formes complémentaires (22, 23).
  6. 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 15 avec le carter (12, 32) sur lequel elle est formée.
  7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel une première demi-coquille (23) possède une forme plane. 20
  8. 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, 25 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. 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. 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 10 forme, de préférence sur trois côtés.
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