FR2948419A1

FR2948419A1 - Ligne de recirculation des gaz brules d'un moteur a combustion interne

Info

Publication number: FR2948419A1
Application number: FR0903680A
Authority: FR
Inventors: Yvan Danet; Regis Vovard
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2011-01-28

Abstract

L'invention concerne une ligne de recirculation (40) des gaz brûlés d'un moteur à combustion interne, présentant une entrée (411) à raccorder à une ligne d'échappement du moteur et une sortie (452) à raccorder à une ligne d'admission du moteur. Selon l'invention, la ligne de recirculation présente une perméabilité qui est, dans un sens normal d'écoulement (S1) des gaz brûlés orienté de son entrée vers sa sortie, strictement supérieure à sa perméabilité considérée dans un sens inverse de reflux des gaz brûlés.

Description

1 DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale la recirculation des gaz d'échappement dans un moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement une ligne de recirculation des gaz brûlés d'un moteur à combustion interne, présentant une entrée à raccorder à une ligne d'échappement du moteur et une sortie à raccorder à une ligne d'admission du moteur. Elle concerne également un moteur à combustion interne comportant un bloc-cylindres définissant intérieurement au moins un cylindre, une ligne d'admission de gaz frais qui débouche dans ledit cylindre, une ligne d'échappement de gaz brûlés qui prend naissance dans ledit cylindre, et une ligne de recirculation telle que précitée. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les lignes de recirculation du type précité, également appelées lignes EGR, permettent de prélever dans la ligne d'échappement une partie des gaz brûlés par le moteur, afin de les réintroduire dans la ligne d'admission pour réduire les émissions polluantes de ce moteur. Une telle ligne de recirculation comporte généralement un échangeur thermique pour refroidir les gaz brûlés, une vanne de régulation du débit de gaz brûlés, ainsi que des conduites de gaz brûlés pour raccorder ces éléments aux lignes d'admission et d'échappement. Ces conduites présentent des sections de tailles_ uniformes, dimensionnées en fonction du débit maximum de gaz brûlés que l'on souhaite réintroduire dans le moteur. Le débit des gaz brûlés circulant dans la ligne de recirculation dépend alors seulement de la position de la vanne de régulation, et de la différence de pressions entre les gaz qui circulent dans la ligne d'échappement et ceux qui circulent dans la ligne d'admission. Cette différence de pressions est en moyenne positive, en ce sens que la pression des gaz brûlés circulant dans la ligne d'échappement est, sur un cycle complet de fonctionnement du moteur, en moyenne supérieure à celle des gaz frais circulant dans la ligne d'admission. Toutefois, les ouvertures et fermetures régulières des soupapes d'admission et d'échappement génèrent des pulsations dans les lignes d'admission et d'échappement, c'est-à-dire des ondes de pression qui font varier les pressions instantanées des gaz frais et des gaz d'échappement.

Ces pulsations modifient alors, de manière incontrôlée, le débit des gaz brûlés circulant dans la ligne de recirculation. Elles sont en en outre susceptibles de générer des inversions cycliques de sens de circulation des gaz brûlés dans la ligne de recirculation, provoquant ainsi un reflux des gaz brûlés dans cette ligne de recirculation. Ces inversions de sens de circulation des gaz brûlés dans la ligne de recirculation perturbent alors l'écoulement des gaz frais dans la ligne d'admission.

Elles font en outre varier la proportion de gaz brûlés insufflés dans les gaz frais, au détriment du bon fonctionnement du moteur. OBJET DE L'INVENTION Le but de la présente invention est alors de réduire les inversions de sens de circulation des gaz brûlés dans la ligne de recirculation.

A cet effet, on propose selon l'invention une ligne de recirculation telle que définie en introduction, qui présente une perméabilité qui est, dans un sens normal d'écoulement des gaz brûlés orienté de son entrée vers sa sortie, strictement supérieure à sa perméabilité considérée dans un sens inverse de reflux des gaz brûlés.

On définit la perméabilité d'une ligne comme la capacité de cette ligne à laisser passer un fluide, indépendamment de la viscosité de ce fluide. Ainsi, plus la ligne est perméable, plus le fluide s'écoule vite. Cette perméabilité, également connue sous le nom de conductivité hydraulique, est, en l'espèce, fonction des pertes de charge que la ligne de recirculation induit sur le fluide, adimensionnées au débit de ce fluide. Grâce à l'invention, la ligne de recirculation est ainsi conçue pour favoriser l'écoulement des gaz brûlés depuis la ligne d'échappement vers la ligne d'admission, et pour endiguer le reflux des gaz brûlés vers la ligne d'échappement.

Il est ainsi possible d'insuffler avec une régularité accrue les gaz brûlés dans la ligne d'admission, sans perturber l'écoulement des gaz frais et en conservant une proportion idéale de gaz brûlés dans les gaz frais, au bénéfice du bon fonctionnement du moteur. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la ligne de 30 recirculation selon l'invention sont les suivantes : - la ligne de recirculation comporte différents éléments, dont au moins un échangeur thermique, une vanne de régulation du débit de gaz brûlés et une conduite de gaz d'échappement, chacun présentant, dans le sens normal d'écoulement, une embouchure et un débouché à respectivement raccorder à un 35 débouché et une embouchure complémentaire d'un autre élément du moteur à combustion interne ; - l'embouchure et/ou le débouché de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés qui varie pour obtenir ladite perméabilité ; - l'embouchure de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille croît par paliers dans le sens normal 5 d'écoulement ; - le débouché de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille diminue continûment dans le sens normal d'écoulement ; - le débouché de l'un au moins desdits éléments comporte une portion 10 en saillie agencée pour s'engager dans l'embouchure complémentaire d'un autre élément et entrer à l'intérieur de cet autre élément ; - l'embouchure et le débouché de chaque élément sont équipés d'une bride ou d'un collier de serrage ; - chaque conduite de gaz d'échappement est divergente et délimite une 15 section de passage de gaz brûlés dont la taille croît continûment ou par paliers dans le sens normal d'écoulement. On propose également selon l'invention un moteur à combustion interne tel que défini en introduction, comportant une telle ligne de recirculation. Avantageusement, la ligne d'admission comportant un compresseur et la 20 ligne d'échappement comportant une turbine, la ligne de recirculation prend naissance dans la ligne d'échappement entre ledit cylindre et ladite turbine, et débouche dans la ligne d'admission entre ledit compresseur et ledit cylindre. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à 25 titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne comportant une ligne de recirculation selon l'invention ; 30 - la figure 2 est une vue en perspective de la ligne de recirculation de la figure 1 ; et - les figures 3 à 6 sont des vues schématiques de quatre modes de réalisation de la ligne de recirculation de la figure 1. En préliminaire, on notera que les éléments identiques ou similaires des 35 différents modes de réalisation de l'invention représentés sur les différentes figures seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Dans la description, les termes amont et aval seront utilisés suivant le sens normal d'écoulement des gaz, depuis le point de prélèvement des gaz frais dans l'atmosphère jusqu'à la sortie des gaz brûlés par un silencieux d'échappement 34. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un moteur à combustion interne 1, qui comprend un bloc-moteur 10 pourvu de quatre cylindres 11. Ce moteur est ici à allumage par compression (Diesel). II pourrait également être à allumage commandé (Essence). En aval des cylindres Il, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'échappement 30 de gaz brûlés. Cette ligne d'échappement 30 comporte, dans le sens normal d'écoulement des gaz brûlés : - un collecteur d'échappement 31 dans lequel débouchent les gaz qui ont été brûlés dans les cylindres Il, - une turbine 32 dont la roue à aube est entraînée en rotation par les gaz brûlés issus du collecteur d'échappement 31, - des moyens d'oxydation 33 des gaz brûlés détendus par la turbine 32 (par exemple un catalyseur d'oxydation suivi d'un filtre à particules), et - un silencieux d'échappement 34 par lequel les gaz brûlés traités par les moyens d'oxydation 33 s'échappent dans l'atmosphère. En amont des cylindres 11, le moteur à combustion interne 1 comporte une ligne d'admission 20 de gaz frais. Cette ligne d'admission 20 comporte, dans le sens normal d'écoulement des gaz frais : - un filtre à air 21 qui filtre les gaz frais prélevés dans l'atmosphère, - un compresseur 22 dont la roue à aube est entraînée en rotation par la turbine 32 et qui comprime les gaz frais filtrés par le filtre à air 21, - un refroidisseur d'air principal 23 qui refroidit les gaz frais comprimés, et - un répartiteur d'air 24 qui amène les gaz frais dans chacun des cylindres 11 du bloc-moteur 10. Le moteur à combustion interne 1 comporte en outre une ligne de recirculation 40 haute pression de gaz brûlés, qui prend naissance dans la ligne d'échappement 30, en amont de la turbine 32, et qui débouche dans la ligne d'admission 20, en aval du compresseur 22. Telle que représentée sur la figure 1, cette ligne de recirculation 40 présente une entrée 411 raccordée au collecteur d'échappement 31 et une sortie 452 raccordée au répartiteur d'admission 24.

La ligne de recirculation 40 comporte plus particulièrement cinq éléments distincts dont, dans le sens normal d'écoulement SI des gaz brûlés : - une conduite d'entrée 41, dont l'embouchure 411 est raccordée à un débouché 312 du collecteur d'échappement 31, - un échangeur thermique 42, dont l'embouchure 421 est raccordée à un débouché 412 de la conduite d'entrée 41, - une conduite intermédiaire 43, dont l'embouchure 431 est raccordée à un débouché 422 de l'échangeur thermique 42, - une vanne de régulation 44 du débit de gaz brûlés circulant dans la ligne de recirculation, dont l'embouchure 441 est raccordée à un débouché 432 de la conduite intermédiaire 43, et - une conduite de sortie 45, dont l'embouchure 451 est raccordée à un 10 débouché 442 de la vanne de régulation 44 et dont le débouché 452 est raccordé à une embouchure 241 du répartiteur d'air 24. En variante, comme le montre la figure 2, on pourrait prévoir que la ligne de recirculation 40 soit dépourvue de conduite intermédiaire, de telle manière que l'embouchure 441 de la vanne de régulation se raccorde directement au débouché 15 422 de l'échangeur thermique 42. On pourrait également prévoir d'inverser les positions relatives de l'échangeur thermique et de la vanne de régulation, de telle manière que l'échangeur thermique soit positionné en aval de la vanne de régulation. Ici, les conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 sont 20 réalisées en acier inoxydable. L'échangeur thermique est un échangeur eau-air à tubes en U. II présente à cet effet, comme le montre plus particulièrement la figure 2, une entrée 46 et une sortie 47 de liquide de refroidissement. Bien sûr, cet échangeur thermique pourrait être de tout autre type, pour autant qu'il soit susceptible 25 d'abaisser la température des gaz brûlés circulant dans la ligne de recirculation 40. La vanne de régulation 44 est une vanne à soupape commandée par un moteur électrique. Elle pourrait en variante être commandée autrement, par exemple par des moyens hydrauliques ou électromagnétiques. Elle pourrait 30 également être constituée par une vanne papillon ou par tout autre type de vanne apte à précisément réguler le débit de gaz brûlés circulant dans la ligne de recirculation 40. Ici, comme le montre plus particulièrement la figure 2, l'embouchure 241, 411, 421, 441, 451 de chaque élément de la ligne de recirculation 40 et du 35 répartiteur d'air 24 se présente sous la forme d'un conduit tubulaire de faible longueur bordé à son extrémité d'une bride de serrage. Le débouché 312, 412, 422, 442, 452 de chaque élément de la ligne de recirculation 40 et du collecteur d'échappement 31 se présente également sous la forme d'un conduit tubulaire de faible longueur bordé à son extrémité d'une bride de serrage. Ainsi, ces débouchés et embouchures se raccordent les uns aux autres au moyen de vis de fixation engagées au travers d'ouvertures prévues dans les brides de serrage. En variante, on pourrait prévoir que les débouchés et les embouchures des différents éléments de la ligne de recirculation 40 se raccordent autrement que par de telles brides de serrage. Ces débouchés et embouchures pourraient par exemple présenter des formes de conduits tubulaires de faibles longueurs engagés les uns dans les autres et raccordés les uns aux autres au moyen de colliers de serrage. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la ligne de recirculation 40 présente une perméabilité qui est, dans le sens normal d'écoulement SI des gaz brûlés orienté de son entrée 411 vers sa sortie 452, strictement supérieure à sa perméabilité considérée dans un sens inverse de reflux des gaz brûlés. Les éléments qui composent la ligne de recirculation 40 sont à cet effet conçus de telle manière que l'un au moins d'entre eux présente une perméabilité strictement supérieure dans le sens normal d'écoulement SI que dans un sens inverse de reflux. On a représenté sur les figures 3 à 6 quatre modes de réalisation de cette ligne de recirculation 40, dans lesquels tous les éléments de la ligne de recirculation 40 sont conçus pour présenter une perméabilité strictement supérieure dans le sens normal d'écoulement SI que dans le sens inverse de reflux. Dans ces quatre modes de réalisation, l'embouchure 411, 421, 441, 451 et/ou le débouché 412, 422, 442, 452 de chacun de ces éléments délimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille varie de telle manière que sa perméabilité est strictement supérieure dans le sens normal d'écoulement SI que dans le sens inverse de reflux. Plus précisément, dans les modes de réalisation représentés sur les figures 3 et 4, les embouchures 421, 441, 312 de l'échangeur thermique 42, de la vanne de régulation 44 et du répartiteur d'air 21 délimitent des sections de passage de gaz brûlés dont les tailles croissent par paliers dans le sens normal d'écoulement SI. Ces embouchures 421, 441, 312 comportent plus particulièrement une surface intérieure présentant, d'une part, une partie amont cylindrique de faible diamètre, et, d'autre part, une partie aval cylindrique de diamètre strictement supérieur, qui se raccordent l'une à l'autre par un épaulement, c'est-à-dire par une discontinuité de surface.

Les surfaces intérieures de ces embouchures 421, 441, 312 forment donc des sauts de section favorables à l'écoulement des gaz brûlés dans le sens normal d'écoulement SI, mais qui s'opposent à l'écoulement des gaz brûlés dans le sens inverse de reflux. En complément de ces sauts de section, dans les modes de réalisation représentés sur les figures 5 et 6, les débouchés 412, 432, 452 des conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 comportent chacun une portion en saillie agencée pour s'engager dans l'embouchure 421, 441, 211 correspondante de l'échangeur thermique 42, de la vanne de régulation 44 et du répartiteur d'air 21.

Plus particulièrement, dans ces modes de réalisation, le conduit tubulaire de chaque débouché 412, 432, 452 se prolonge au-delà de sa bride de serrage, de manière qu'il s'engage au travers de l'embouchure 421, 441, 211 de l'élément correspondant, par-delà l'épaulement formé par la surface intérieure de cette embouchure, et qu'il entre à l'intérieur de cet élément.

Les saillies formées par ces conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 à l'intérieur de l'échangeur thermique 42, la vanne de régulation 44 et le répartiteur d'air 21 forment ainsi autant d'obstacles s'opposant au reflux des gaz brûlés dans la ligne de recirculation 40. Dans les quatre modes de réalisation de la ligne de recirculation 40 représentés sur les figures 3 à 6, les débouchés 312, 422, 442 du collecteur d'échappement 31, de l'échangeur thermique 42 et de la vanne de régulation 44 et/ou les embouchure 411, 431, 451 des conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 délimitent des sections de passage des gaz brûlés dont les tailles diminuent continûment (par opposition à par paliers ) dans le sens normal d'écoulement SI. Les surfaces intérieures de ces débouchés se raccordent donc continûment aux surfaces intérieures de ces embouchures, en convergeant progressivement en direction de la sortie 452 de la ligne de recirculation 40 pour favoriser l'écoulement laminaire des gaz brûlés dans le sens normal d'écoulement SI. Telles que représentées sur les figures 3 à 6, les tailles des sections de passage délimitées par ces surfaces intérieures diminuent de manière continue et continûment dérivable, de telle manière que ces surfaces intérieures se raccordent sans présenter d'arête. On pourrait en variante prévoir que ces surfaces intérieures se rejoignent en formant entre elles une arête de jonction. A titre d'exemple, on pourrait prévoir que les surfaces intérieures des débouchés et des embouchures correspondantes présentent des formes tronconiques, d'angles au sommet différents les uns des autres. Dans les modes de réalisation de la ligne de recirculation 40 représentés sur les figures 4 et 6, les conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 sont en outre divergentes. Elles délimitent donc chacune une section de passage de gaz brûlés dont la taille croît dans le sens normal d'écoulement S1, pour favoriser l'écoulement laminaire des gaz brûlés dans le sens normal d'écoulement S1, et pour s'opposer à l'écoulement des gaz brûlés dans le sens inverse de reflux. Plus particulièrement, ici, les sections de passage délimitées par les conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 croissent continûment, de manière linéaire. En variante, on pourrait prévoir qu'elles croissent par paliers. Au contraire, dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 5, les conduites d'entrée 41, intermédiaire 43 et de sortie 45 délimitent chacune une section de passage de gaz brûlés de taille uniforme. Ces différentes conduites sont donc moins onéreuses à fabriquer et plus faciles à assembler.

Claims

REVENDICATIONS1. Ligne de recirculation (40) des gaz brûlés d'un moteur à combustion interne (1), présentant une entrée (411) à raccorder à une ligne d'échappement (30) du moteur à combustion interne (1) et une sortie (452) à raccorder à une ligne d'admission (20) du moteur à combustion interne (1), caractérisée en ce qu'elle présente une perméabilité qui est, dans un sens normal d'écoulement (SI) des gaz brûlés orienté de son entrée (411) vers sa sortie (452), strictement supérieure à sa perméabilité considérée dans un sens inverse de reflux des gaz brûlés.
2. Ligne de recirculation (40) selon la revendication précédente, comportant différents éléments, dont au moins un échangeur thermique (42), une vanne de régulation (44) du débit de gaz brûlés et une conduite (41, 43, 45) de gaz d'échappement, chacun présentant, dans le sens normal d'écoulement (SI), une embouchure (411, 421, 441, 451) et un débouché (412, 422, 442, 452) à respectivement raccorder à un débouché et une embouchure complémentaire d'un autre élément du moteur à combustion interne (1).
3. Ligne de recirculation (40) selon la revendication précédente, dans laquelle l'embouchure (411, 421, 441, 451) et/ou le débouché (412, 422, 442, 452) de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés qui varie pour obtenir ladite perméabilité.
4. Ligne de recirculation (40) selon la revendication précédente, dans laquelle l'embouchure (411, 421, 441, 451) de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille croît par paliers dans le sens normal d'écoulement (SI).
5. Ligne de recirculation (40) selon l'une des revendications 3 et 4, dans laquelle le débouché (412, 422, 442, 452) de l'un au moins desdits éléments délimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille diminue continûment dans le sens normal d'écoulement (SI).
6. Ligne de recirculation (40) selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle le débouché (412, 422, 442, 452) de l'un au moins desdits éléments comporte une portion en saillie agencée pour s'engager dans l'embouchure complémentaire d'un autre élément et entrer à l'intérieur de cet autre élément.
7. Ligne de recirculation (40) selon l'une des revendications 2 à 6, dans laquelle l'embouchure (411, 421, 441, 451) et le débouché (412, 422, 442, 452) de chaque élément sont équipés d'une bride ou d'un collier de serrage.
8. Ligne de recirculation (40) selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle chaque conduite (41, 43, 45) de gaz d'échappement est divergente etdélimite une section de passage de gaz brûlés dont la taille croît continûment ou par paliers dans le sens normal d'écoulement (SI).
9. Moteur à combustion interne (1) comportant un bloc-cylindres (10) définissant intérieurement au moins un cylindre (11), une ligne d'admission (20) de gaz frais qui débouche dans ledit cylindre (11) et une ligne d'échappement de gaz brûlés (30) qui prend naissance dans ledit cylindre (11), caractérisé en ce qu'il comporte une ligne de recirculation (40) selon l'une des revendications précédentes.
10. Moteur à combustion interne (1) selon la revendication précédente, dans lequel, la ligne d'admission (20) comportant un compresseur (22) et la ligne d'échappement (30) comportant une turbine (32), la ligne de recirculation (40) prend naissance dans la ligne d'échappement (30) entre ledit cylindre (11) et ladite turbine (32), et débouche dans la ligne d'admission (20) entre ledit compresseur (22) et ledit cylindre (11).