FR3095478A1 - Device for mixing fresh air and recycled exhaust gases for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Dispositif de mélange pour un moteur à combustion interne muni d’un turbocompresseur et d’un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à basse pression, le dispositif de mélange (1) comprenant une paroi extérieure (3) présentant une extrémité libre connectée à une admission d’air frais, et se prolongeant par une convergence (3a) en contact avec l’étage compresseur du turbocompresseur, le dispositif de mélange (1) comprenant par ailleurs un mélangeur (4) disposé sur l’axe de rotation de la roue (2a) de l’étage compresseur et compris entre la paroi extérieure (3), l’extrémité libre et l’étage compresseur, le mélangeur (4) étant configuré pour former un mélange d’air frais et de gaz d’échappement partiellement recyclés à l’admission tout en évacuant des condensats par une conduite de sortie (7), l’air frais admis par l’extrémité libre étant ensuite mélangé avec le mélange issu du mélangeur (4). Figure pour l’abrégé : Fig 1Mixing device for an internal combustion engine provided with a turbocharger and a circuit for partial recirculation of the exhaust gases at low pressure, the mixing device (1) comprising an outer wall (3) having a connected free end to an intake of fresh air, and being extended by a convergence (3a) in contact with the compressor stage of the turbocharger, the mixing device (1) further comprising a mixer (4) arranged on the axis of rotation of the impeller (2a) of the compressor stage and included between the outer wall (3), the free end and the compressor stage, the mixer (4) being configured to form a mixture of fresh air and gas of exhaust partially recycled to the inlet while evacuating condensate through an outlet pipe (7), the fresh air admitted through the free end then being mixed with the mixture coming from the mixer (4). Figure for the abstract: Fig 1
Description
L’invention a pour domaine technique le contrôle du mélange de gaz admis dans un moteur à combustion interne, et plus particulièrement, un tel contrôle pour les moteurs à combustion interne munis de moyens de recirculation partielle des gaz d’échappement.The technical field of the invention is the control of the mixture of gases admitted into an internal combustion engine, and more particularly, such a control for internal combustion engines provided with means of partial recirculation of the exhaust gases.
Problème techniqueTechnical problem
Dans le but de dépolluer les moteurs à combustion interne, la perspective technique par l’ensemble des constructeurs automobile est le recours, pour les moteurs suralimentés par turbocompresseur, à la recirculation partielle à l’admission des gaz de combustion dans un circuit basse pression, appelée par la suite « EGR BP », (avec EGR l’acronyme anglophone pour « Exhaust Gas Recycling » et l’acronyme BP pour basse pression). Il est rappelé que l’EGR BP consiste à prélever des gaz d’échappement en un point du circuit d’échappement situé en aval de la turbine du turbocompresseur de suralimentation du moteur, généralement encore derrière un dispositif de dépollution lui-même monté en aval de la turbine, et à les réinjecter à l’admission du moteur en un point du circuit d’admission situé en amont du compresseur du turbocompresseur de suralimentation du moteur, c’est-à-dire avant l’étage de compression de l’air.In order to depollute internal combustion engines, the technical perspective by all car manufacturers is the use, for turbocharged engines, of partial recirculation at the combustion gas inlet in a low pressure circuit, subsequently called "EGR BP", (with EGR the English acronym for "Exhaust Gas Recycling" and the acronym BP for low pressure). It is recalled that EGR BP consists of taking exhaust gases from a point in the exhaust circuit located downstream of the turbine of the engine supercharger turbocharger, generally still behind a pollution control device itself mounted downstream of the turbine, and to reinject them into the engine intake at a point of the intake circuit located upstream of the compressor of the supercharger turbocharger of the engine, that is to say before the compression stage of the air.
L’EGR Basse Pression a pour intérêt de diminuer la température de combustion. Cette diminution de température a pour but :The Low Pressure EGR has the advantage of reducing the combustion temperature. The purpose of this temperature reduction is to:
de diminuer les émissions d’oxydes d’azote NOxtant sur des applications de moteurs à carburant diesel qu’essence ; to reduce NO x nitrogen oxide emissions in both diesel and gasoline engine applications;
de permettre l’utilisation de turbocompresseurs à géométrie variable sur des moteurs à essence, technologie jusqu’alors quasiment réservée aux moteurs diesel en raison de températures à l’échappement moins élevées que celles qui sont relevées pour des moteurs à essence, températures compatibles avec la résistance des ailettes sur une turbine à géométrie variable. On rappelle qu’une turbine à géométrie variable comprend des ailettes dont l’angle ou l’espacement peuvent être modifiés de sorte à modifier l’arrosage de la roue de la turbine par les gaz d’échappement du moteur, modulant ainsi le travail récupéré sur l’étage turbine qui est ensuite transmis au compresseur.to allow the use of variable geometry turbochargers on gasoline engines, a technology hitherto practically reserved for diesel engines due to lower exhaust temperatures than those recorded for gasoline engines, temperatures compatible with the resistance of the blades on a turbine with variable geometry. It is recalled that a turbine with variable geometry comprises fins whose angle or spacing can be modified so as to modify the spraying of the wheel of the turbine by the exhaust gases from the engine, thus modulating the work recovered on the turbine stage which is then transmitted to the compressor.
Un des inconvénients de l’usage de l’EGR BP est l’augmentation de la température en amont de l’étage compresseur. En effet, même si on refroidit généralement les gaz d’échappement recyclés à l’admission en utilisant un échangeur, la température des gaz recyclés reste généralement plus élevée que celle de l’air frais capté par le circuit d’admission d’air du moteur. Cette augmentation de température a pour effet de diminuer la densité de l’air en amont de l’étage compresseur. Or, à iso-débit d’air (dicté par le régime moteur) conserver le même niveau de suralimentation impose de chercher des points de plus fort taux de compression. Cela a pour effet :One of the disadvantages of using LP EGR is the increase in temperature upstream of the compressor stage. Indeed, even if the exhaust gases recycled to the intake are generally cooled using an exchanger, the temperature of the recycled gases generally remains higher than that of the fresh air captured by the air intake circuit of the motor. This increase in temperature has the effect of reducing the density of the air upstream of the compressor stage. However, at equal airflow (dictated by the engine speed) keeping the same level of supercharging means looking for points with the highest compression ratio. This has the effect:
de dégrader le rendement de compression, par migration vers des zones d’iso-rendements moins favorables ;degrade the compression efficiency, by migration to less favorable iso-efficiency zones;
de rechercher des vitesses de turbocompresseur plus élevées, ce qui peut pénaliser la tenue en fatigue à faible nombre de cycles de la roue compresseur ;to seek higher turbocharger speeds, which can penalize fatigue resistance at low number of cycles of the compressor wheel;
de se rapprocher de la zone de pompage, voire même d’entrer dans des zones de pompage.to get closer to the pumping zone, or even to enter pumping zones.
Un premier but de la présente invention est de diminuer cette susceptibilité au pompage.A first object of the present invention is to reduce this susceptibility to pumping.
Par ailleurs, le recours à l’EGR BP a pour inconvénient de voir l’apparition de condensation de tout ou partie de l’eau contenue dans les gaz recirculés, produite par la combustion. Ces condensats peuvent ruisseler sur les parois, atteindre la roue compresseur et être ingérés, ce qui peut éroder la roue compresseur.Furthermore, the use of LP EGR has the disadvantage of seeing the appearance of condensation of all or part of the water contained in the recirculated gases, produced by combustion. This condensate can run off the walls, reach the compressor wheel and be ingested, which can erode the compressor wheel.
Par observations expérimentales, ce ruissellement doit être évité et il faut favoriser au maximum la concentration des condensats vers le milieu de la roue. On a constaté que, à iso-débit d’eau condensée, l’érosion de la roue compresseur est plus faible si les condensats atteignent la roue en son centre plutôt qu’à sa périphérie. On peut expliquer ce phénomène par le fait que la vitesse linéaire d’une partie mobile en rotation de la roue augmente avec sa distance à l’axe de la roue, et que l’énergie dégagée par l’impact du liquide augmente avec le carré de la vitesse. Il en résulte que les dommages à la périphérie sont nettement plus marqués qu’au centre.From experimental observations, this runoff must be avoided and the concentration of condensates must be favored as much as possible towards the middle of the wheel. It has been observed that, at iso-flow rate of condensed water, the erosion of the compressor wheel is lower if the condensates reach the wheel in its center rather than at its periphery. This phenomenon can be explained by the fact that the linear speed of a rotating mobile part of the wheel increases with its distance from the axis of the wheel, and that the energy released by the impact of the liquid increases with the square speed. As a result, the damage at the periphery is significantly more marked than at the center.
Un deuxième but de l’invention est de résoudre le problème de l’érosion de la roue.A second object of the invention is to solve the problem of wheel erosion.
Etat de la technique antérieureState of the prior art
De l’état de la technique antérieure, on connaît les documents suivants.From the state of the prior art, the following documents are known.
Le document WO2010083151 décrit un mélangeur d’air et de gaz d’échappement recirculés pour un moteur à combustion interne.Document WO2010083151 describes an air and recirculated exhaust gas mixer for an internal combustion engine.
Ce mélangeur vise à bien mélanger l’air et les gaz d’échappement recyclés, avant leur introduction dans les chambres de combustion du moteur, de manière à réduire les émissions polluantes.This mixer aims to thoroughly mix the air and the recycled exhaust gases, before their introduction into the combustion chambers of the engine, so as to reduce polluting emissions.
Selon ce document, le mélangeur est disposé en aval du compresseur. Il comprend deux canaux concentriques, un premier canal central d’introduction des gaz d’échappement recyclés et un second canal périphérique d’introduction de l’air ; ces deux canaux débouchent dans un mélangeur à hélice, puis le mélange traverse un conduit divergent.According to this document, the mixer is arranged downstream of the compressor. It comprises two concentric channels, a first central channel for introducing recycled exhaust gases and a second peripheral channel for introducing air; these two channels open into a propeller mixer, then the mixture passes through a diverging conduit.
Le document CN106884746 décrit un mélangeur d’air et de gaz d’échappement recyclés provenant d’un circuit EGR à basse pression monté en amont du compresseur. Il vise à résoudre trois problèmes particuliers, les risques de détérioration de la roue de compresseur, dus à la basse température des gaz EGR et à la condensation d’eau, les risques d’instabilité du moteur, dus à des écarts de richesse entre cylindres, provenant d’un mélange d’air et de gaz d’échappement recyclés insuffisamment homogène, et l’incapacité de répondre au besoin de performance moteur, du fait de la pression de décharge des gaz d’échappement recyclés dans certains cas de fonctionnement.Document CN106884746 describes a mixer of air and recycled exhaust gases from a low-pressure EGR circuit mounted upstream of the compressor. It aims to solve three particular problems, the risks of deterioration of the compressor wheel, due to the low temperature of the EGR gases and the condensation of water, the risks of engine instability, due to differences in richness between cylinders , resulting from an insufficiently homogeneous mixture of air and recirculated exhaust gases, and the inability to meet the need for engine performance, due to the discharge pressure of the recirculated exhaust gases in certain operating cases.
Aucun de ces documents ne résout les problèmes techniques identifiés ci-dessus.None of these documents resolves the technical issues identified above.
L’invention a pour objet un dispositif de mélange pour un moteur à combustion interne, le moteur à combustion interne étant muni d’un turbocompresseur et d’un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à basse pression, le dispositif de mélange comprenant une paroi extérieure présentant une extrémité libre connectée à une admission d’air frais, la paroi extérieure se prolongeant par une convergence en contact avec l’étage compresseur du turbocompresseur, le dispositif de mélange comprenant par ailleurs un mélangeur disposé sur l’axe de rotation de l’étage compresseur et compris entre la paroi extérieure, l’extrémité libre et l’étage compresseur, le mélangeur étant configuré pour former un mélange d’air frais et de gaz d’échappement partiellement recyclés à l’admission tout en évacuant des condensats par une conduite de sortie, l’air frais admis par l’extrémité libre du dispositif de mélange étant ensuite mélangé avec le mélange issu du mélangeur.The subject of the invention is a mixing device for an internal combustion engine, the internal combustion engine being provided with a turbocharger and a circuit for the partial recirculation of low-pressure exhaust gases, the mixing device comprising an outer wall having a free end connected to a fresh air intake, the outer wall being extended by a convergence in contact with the compressor stage of the turbocharger, the mixing device further comprising a mixer arranged on the axis of rotation of the compressor stage and comprised between the outer wall, the free end and the compressor stage, the mixer being configured to form a mixture of fresh air and partially recirculated exhaust gases at the intake while exhausting condensates through an outlet pipe, the fresh air admitted through the free end of the mixing device then being mixed with the mixture from the mixer.
Le mélangeur peut comprendre une conduite d’admission de liquide caloporteur et une conduite de sortie de liquide caloporteur reliées chacune à une extrémité distincte d’un noyau d’eau, le mélangeur étant également pourvu d’au moins un conduit hélicoïdal disposé autour du noyau d’eau de sorte que l’air frais admis par une admission d’air frais et les gaz d’échappement admis par une admission de gaz d’échappement partiellement recyclés en entrée du mélangeur s’écoulent vers une sortie communiquant avec l’espace intérieur du dispositif de mélange par l’intermédiaire dudit au moins un conduit hélicoïdal tout en étant refroidis par le noyau d’eau, au moins une partie du mélangeur étant par ailleurs munie d’une cavité de recueil des condensats disposée de sorte que les condensats se formant dans le au moins un conduit hélicoïdal ruissellent par gravité dans la cavité de recueil à travers au moins un perçage ménagé dans chaque conduit hélicoïdal, la cavité de recueil étant connectée à la conduite de sortie des condensats pour évacuer les condensats.The mixer may comprise a coolant liquid inlet pipe and a coolant liquid outlet pipe each connected to a separate end of a water core, the mixer also being provided with at least one helical conduit arranged around the core of water so that the fresh air admitted by a fresh air inlet and the exhaust gases admitted by a partially recirculated exhaust gas inlet at the inlet of the mixer flow towards an outlet communicating with the space interior of the mixing device via said at least one helical duct while being cooled by the water core, at least part of the mixer being further provided with a cavity for collecting condensates arranged so that the condensates forming in the at least one helical duct trickle by gravity into the collection cavity through at least one bore made in each helical duct, the collection cavity being connected to the con condensate outlet pipe to evacuate the condensates.
Le fluide caloporteur peut être de l’eau ou du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne.The heat transfer fluid can be water or internal combustion engine coolant.
Le noyau d’eau peut être disposé de façon centrale dans le mélangeur.The water core can be placed centrally in the mixer.
Un conduit hélicoïdal peut être formé entre la paroi du mélangeur, le noyau d’eau et des pales reliant le noyau d’eau à la paroi.A helical duct can be formed between the mixer wall, the water core and blades connecting the water core to the wall.
Les pales peuvent présenter un angle par rapport à l’axe du noyau d’eau tel que le sens de rotation du conduit hélicoïdal est le même que le sens de rotation de la roue de l’étage compresseur.The blades can have an angle with respect to the axis of the water core such that the direction of rotation of the helical duct is the same as the direction of rotation of the wheel of the compressor stage.
Les conduits hélicoïdaux peuvent être munis de moyens casse-gouttes sur leurs parois.The helical ducts can be provided with drip means on their walls.
La paroi extérieure peut présenter un profil circulaire de sorte que de l’air frais est admis de façon symétrique autour du mélangeur.The outer wall can have a circular profile so that fresh air is admitted symmetrically around the mixer.
Le dispositif de mélange présente l’avantage de permettre la combinaison de différentes fonctions d’ordinaire séparées sur un moteur à combustion interne afin de diminuer le nombre de pièces mis en jeu.The mixing device has the advantage of allowing the combination of different functions usually separated on an internal combustion engine in order to reduce the number of parts involved.
Par ailleurs, la diminution du nombre de pièces s’accompagne d’un gain en compacité, et en masse (étant donné qu’on diminue également le nombre de conduites et d’interfaces).In addition, the reduction in the number of parts is accompanied by a gain in compactness and mass (given that the number of pipes and interfaces is also reduced).
De plus, le dispositif de mélange permet de protéger la roue compresseur des condensats sans le recours à de coûteux et encombrants dispositifs pour assécher les gaz EGR.In addition, the mixing device makes it possible to protect the compressor wheel from condensates without having to resort to costly and cumbersome devices for drying the EGR gases.
Enfin, le dispositif de mélange permet de repousser la limite au pompage, ce qui est un élément recherché sur les turbocompresseurs devant équiper des moteurs essence fonctionnant selon un cycle de Miller.Finally, the mixing device makes it possible to push back the limit to pumping, which is a sought-after element on turbochargers to be fitted to gasoline engines operating according to a Miller cycle.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :Other aims, characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the appended drawings in which:
Description détailléedetailed description
Le dispositif de mélange est destiné à être disposé en amont du compresseur d’un turbocompresseur d’un moteur à combustion interne muni d’un circuit de recirculation partielle des gaz d’échappement à basse pression. Le moteur à combustion interne peut être indistinctement de type à essence (plus généralement : du type à allumage commandé) ou diesel.The mixing device is intended to be placed upstream of the compressor of a turbocharger of an internal combustion engine fitted with a circuit for the partial recirculation of low-pressure exhaust gases. The internal combustion engine can be indistinctly of gasoline type (more generally: spark ignition type) or diesel.
Le dispositif permet de mélanger l’air frais admis et les gaz partiellement recyclés à l’admission, provenant du circuit EGR à basse pression, en évitant les problèmes techniques identifiés plus haut, notamment la diminution de la susceptibilité au pompage et l’érosion de la roue du compresseur par la condensation de l’eau comprise dans les gaz partiellement recyclés.The device makes it possible to mix the fresh air admitted and the gases partially recycled at the admission, coming from the low-pressure EGR circuit, avoiding the technical problems identified above, in particular the reduction in the susceptibility to pumping and the erosion of the compressor wheel by condensing the water included in the partially recycled gases.
La figure illustre un dispositif de mélange selon l’invention. On peut voir un dispositif de mélange 1 disposé en amont du carter 2 de l’étage compresseur d’un turbocompresseur. Le dispositif de mélange 1 comprend une paroi extérieure 3 se prolongeant par une convergence 3a du côté du carter 2 de compresseur et un mélangeur 4 disposé sur l’axe de rotation de la roue 2a de l’étage compresseur. Le dispositif de mélange est connecté par la convergence 3a au compresseur et par l’extrémité libre de la paroi extérieure 3 à une admission d’air frais.The figure illustrates a mixing device according to the invention. We can see a mixing device 1 arranged upstream of the casing 2 of the compressor stage of a turbocharger. The mixing device 1 comprises an outer wall 3 extending by a convergence 3a on the side of the compressor housing 2 and a mixer 4 arranged on the axis of rotation of the wheel 2a of the compressor stage. The mixing device is connected by the convergence 3a to the compressor and by the free end of the outer wall 3 to a fresh air intake.
Dans un mode de réalisation préféré, la paroi extérieure 3 présente un profil circulaire de sorte que de l’air frais est admis de façon symétrique autour du mélangeur 4.In a preferred embodiment, the outer wall 3 has a circular profile so that fresh air is admitted symmetrically around the mixer 4.
Le mélangeur 4 comprend une admission d’air frais 4a et une admission de gaz d’échappement partiellement recyclés 4b provenant du circuit EGR BP ainsi qu’une sortie communiquant avec l’espace intérieur du dispositif de mélange 1. Par espace intérieur, on entend le volume délimité par la paroi extérieure et compris entre l’extrémité libre de la paroi extérieure 3 et le carter 2 de compresseur. Le mélangeur 4 comprend également une conduite d’admission 5 de liquide caloporteur, une conduite de sortie 6 de liquide caloporteur et une conduite de sortie 7 des condensats. L’admission d’air frais 4a peut provenir d’une dérivation du circuit d’entrée d’air du moteur, par exemple en aval d’un filtre à air. L’admission de gaz d’échappement partiellement recyclés 4b peut provenir d’un circuit EGR à basse pression qui prélève des gaz d’échappement en aval de la turbine.The mixer 4 comprises a fresh air inlet 4a and a partially recycled exhaust gas inlet 4b coming from the EGR circuit BP as well as an outlet communicating with the interior space of the mixing device 1. By interior space is meant the volume delimited by the outer wall and comprised between the free end of the outer wall 3 and the housing 2 of the compressor. The mixer 4 also comprises an inlet pipe 5 for coolant liquid, an outlet pipe 6 for coolant liquid and an outlet pipe 7 for the condensates. The fresh air intake 4a can come from a bypass of the air intake circuit of the engine, for example downstream of an air filter. The admission of partially recycled exhaust gases 4b can come from a low-pressure EGR circuit which takes exhaust gases downstream of the turbine.
Selon un mode de réalisation, le fluide caloporteur peut être de l’eau, ou du liquide de refroidissement du moteur à combustion interne. Dans tous les cas, le fluide caloporteur issu de la conduite de sortie 6 voit ensuite sa température abaissée par une méthode classique de l’état de la technique, tel que, notamment, une détente ou un échange thermique.According to one embodiment, the heat transfer fluid can be water, or internal combustion engine coolant. In all cases, the heat transfer fluid from the outlet pipe 6 then sees its temperature lowered by a conventional method of the state of the art, such as, in particular, expansion or heat exchange.
Dans le mélangeur 4, la conduite d’admission 5 et la conduite de sortie 6 sont reliées chacune à une extrémité distincte d’un noyau d’eau 8.In the mixer 4, the inlet pipe 5 and the outlet pipe 6 are each connected to a separate end of a water core 8.
Le mélangeur 4 est muni d’au moins un conduit hélicoïdal 9 disposés autour du noyau d’eau 8 et dans lesquels s’écoulent les gaz admis en entrée du mélangeur 4 par les admissions 4a,4b vers une sortie communiquant avec l’espace intérieur du dispositif de mélange 1The mixer 4 is provided with at least one helical conduit 9 arranged around the water core 8 and in which the gases admitted at the inlet of the mixer 4 flow through the inlets 4a, 4b towards an outlet communicating with the interior space. of the mixing device 1
Dans un mode de réalisation, le noyau d’eau 8 est pourvu d’une pluralité de pales le reliant à une paroi 10 du mélangeur 4. Le noyau d’eau 8, les pales et la paroi 10 du mélangeur sont disposés de sorte à former au moins un conduit hélicoïdal 9.In one embodiment, the water core 8 is provided with a plurality of blades connecting it to a wall 10 of the mixer 4. The water core 8, the blades and the wall 10 of the mixer are arranged so as to form at least one helical duct 9.
Dans un mode de réalisation, les pales présentent un angle par rapport à l’axe du noyau d’eau tel que le sens de rotation du conduit hélicoïdal 9 soit le même que le sens de rotation de la roue 2a de l’étage compresseur. Cette caractéristique permet de repousser encore plus la limite au pompage.In one embodiment, the blades have an angle with respect to the axis of the water core such that the direction of rotation of the helical duct 9 is the same as the direction of rotation of the wheel 2a of the compressor stage. This feature pushes the pumping limit even further.
Dans un autre mode de réalisation, les conduits hélicoïdaux 9 et le noyau d’eau 8 sont formés par usinage dans la masse du mélangeur 4.In another embodiment, the helical ducts 9 and the water core 8 are formed by machining in the mass of the mixer 4.
Dans un autre mode de réalisation, les conduits hélicoïdaux 9 et le noyau d’eau 8 sont formés simultanément par fabrication additive.In another embodiment, the helical conduits 9 and the water core 8 are formed simultaneously by additive manufacturing.
Dans un mode de réalisation, le noyau d’eau 8 est disposé de façon centrale dans le mélangeur 4.In one embodiment, the water core 8 is centrally located in the mixer 4.
L’air frais admis par l’extrémité libre du dispositif de mélange 1, circule autour du mélangeur 4 et est ensuite mélangé à son tour avec le mélange d’air frais et de gaz d’échappement recyclés issu du mélangeur 4 au niveau de la convergence 3a en amont de l’étage compresseur.The fresh air admitted by the free end of the mixing device 1, circulates around the mixer 4 and is then mixed in turn with the mixture of fresh air and recycled exhaust gases coming from the mixer 4 at the level of the convergence 3a upstream of the compressor stage.
Pour caractériser un conduit hélicoïdal, on définit la longueur de l’enroulement, également appelée longueur de fibre neutre, dépendant des valeurs suivantes :To characterize a helical duct, we define the length of the winding, also called neutral fiber length, depending on the following values:
Le temps de résidence des gaz dans le mélangeur ;The residence time of the gases in the mixer;
La cible de perméabilité visée (i.e. la perte de charge que l’on s’autorise pour le composant) ;The targeted permeability target (i.e. the head loss allowed for the component);
La proportion air frais / gaz recirculés de l’EGR BP ;The fresh air / recirculated gas ratio of the EGR BP;
Le débit de mélange air frais / gaz recirculés de EGR BP ;The fresh air/recirculated gas mixture flow rate of EGR BP;
L’efficacité de refroidissement du mélangeur.The cooling efficiency of the mixer.
Le temps de résidence est défini comme le temps mis pour parcourir le mélangeur. Il est à comparer au temps mis pour parcourir la même distance en dehors du mélangeur (typiquement la veine d’air frais qui ne passe pas par le mélangeur). Le temps de résidence optimal est à caractériser avec différentes longueurs d’enroulement.The residence time is defined as the time taken to traverse the mixer. It is to be compared to the time taken to travel the same distance outside the mixer (typically the stream of fresh air which does not pass through the mixer). The optimal residence time is to be characterized with different winding lengths.
La perméabilité est définie par l’équation suivante :The permeability is defined by the following equation:
Avec :With :
ρ : la densité du mélange, etρ: the density of the mixture, and
ΔP : la différence de pression entre l’entrée et la sortie du mélangeur.ΔP: the pressure difference between the inlet and the outlet of the mixer.
La perméabilité permet de déterminer la perte de charge en amont de la roue 2a de l’étage compresseur. On cherche à obtenir une perméabilité la plus forte possible, afin de se rapprocher le moins possible de la zone de pompage du compresseur. En d’autres termes, l’obstacle présenté par le mélangeur doit avoir le moins d’impact possible sur la veine de gaz en amont du compresseur.The permeability makes it possible to determine the pressure drop upstream of the impeller 2a of the compressor stage. The aim is to obtain the highest possible permeability, in order to get as close as possible to the surge zone of the compressor. In other words, the obstacle presented by the mixer must have the least possible impact on the gas stream upstream of the compressor.
Le diamètre des conduits hélicoïdaux est également pris en compte dans le calcul de la perméabilité par l’intermédiaire d’un calcul tridimensionnel aérodynamique, ou encore par essai physique.The diameter of the helical ducts is also taken into account in the calculation of the permeability through an aerodynamic three-dimensional calculation, or even by physical testing.
La proportion d’air / gaz EGR BP est définie par la quantité de gaz d’EGR que l’on veut recycler dans le moteur afin de diminuer les émissions. Cette quantité doit être caractérisée sur un banc moteur.The proportion of air / EGR gas BP is defined by the quantity of EGR gas that we want to recycle in the engine in order to reduce emissions. This quantity must be characterized on an engine bench.
Le débit de mélange air frais / gaz EGR BP (et plus largement le débit de l’étage amont compresseur pris dans son ensemble) est fonction des besoins en air du moteur sur le point de fonctionnement considéré.The fresh air/EGR LP gas mixture flow (and more generally the flow of the upstream compressor stage taken as a whole) depends on the air requirements of the engine at the operating point in question.
L’efficacité du mélangeur est déterminée par l’équation suivante :The efficiency of the mixer is determined by the following equation:
Avec :With :
ϕ : le flux d’énergie effectivement réalisé au sein du mélangeurϕ: the energy flow actually achieved within the mixer
ϕmax: le flux théorique qui serait transféré dans les mêmes conditions (de température, de débit de gaz EGR et de débit d’air frais), pour un mélangeur tubulaire de longueur réputée infinie.ϕ max : the theoretical flow which would be transferred under the same conditions (temperature, EGR gas flow and fresh air flow), for a tubular mixer of length deemed infinite.
Ces coefficients ϕ et ϕmaxsont bien fonction des températures, et des débits d’eau de refroidissement, de gaz EGR BP et d’air frais.These coefficients ϕ and ϕ max are indeed a function of the temperatures, and of the flow rates of cooling water, of LP EGR gas and of fresh air.
De manière préférentielle, l’architecture de refroidissement à favoriser est celle dite « à contre-courant ». En effet, cet arrangement prévoit une efficacité plus importante qu’un mélangeur dit à « co-courant ». Cependant, le choix final peut également être porté par des besoins en architectures moteur, qui peuvent aller à l’encontre des meilleures solutions d’un point de vue physique.Preferably, the cooling architecture to be favored is that known as “counter-current”. Indeed, this arrangement provides greater efficiency than a so-called “co-current” mixer. However, the final choice can also be driven by engine architecture needs, which can go against the best solutions from a physical point of view.
Afin de résoudre le problème d’érosion de la roue du compresseur, il est nécessaire d’évacuer les condensats obtenus par refroidissement du mélange d’air frais et de gaz d’échappement partiellement recyclés par le circuit EGR BP. En effet, le refroidissement de ce mélange génère une condensation de l’eau en suspension dans le mélange, qui peut ensuite être entraînée par le flux de mélange et impacter malgré tout la roue 2a de l’étage compresseur.In order to solve the problem of erosion of the compressor wheel, it is necessary to evacuate the condensates obtained by cooling the mixture of fresh air and exhaust gases partially recycled by the LP EGR circuit. Indeed, the cooling of this mixture generates condensation of the water in suspension in the mixture, which can then be driven by the flow of the mixture and nevertheless impact the wheel 2a of the compressor stage.
Pour réaliser cela, au moins une partie du mélangeur 4 est munie d’une cavité de recueil 4c des condensats disposée de sorte que les condensats y ruissellent par gravité. La cavité de recueil 4c est munie à son tour d’un drain permettant d’évacuer les condensats sous la forme de la conduite de sortie 7 des condensats.To achieve this, at least part of the mixer 4 is provided with a cavity 4c for collecting the condensates arranged so that the condensates flow therein by gravity. The collection cavity 4c is in turn provided with a drain making it possible to evacuate the condensates in the form of the condensate outlet pipe 7.
La cavité de recueil 4c est mise en communication avec les conduits hélicoïdaux par l’intermédiaire de perçages dans les conduits hélicoïdaux 9.The collection cavity 4c is placed in communication with the helical ducts via holes in the helical ducts 9.
Dans un mode de réalisation particulier, les conduits hélicoïdaux 9 sont munis de moyens casses-gouttes sur leurs parois.In a particular embodiment, the helical ducts 9 are provided with drip-breaking means on their walls.
La figure illustre un conduit hélicoïdal 9 muni de tels moyens casse-gouttes 9a sous la forme d’une multitude d’ailettes disposées sur les parois du conduit et d’un percement 9b vers la cavité de recueil. Chaque ailette permet d’augmenter la surface de contact entre le mélange de gaz et les conduits hélicoïdaux de sorte à maximiser l’échange thermique et la condensation qui en découle.The figure illustrates a helical duct 9 provided with such drip means 9a in the form of a multitude of fins arranged on the walls of the duct and a hole 9b towards the collection cavity. Each fin increases the contact surface between the gas mixture and the helical ducts so as to maximize the heat exchange and the resulting condensation.
Le mélangeur avec les conduits hélicoïdaux peut être réalisé par coulée gravité ou par coulée sous pression, notamment dans le cas d’un mélangeur constitué par un matériau métallique. Cependant, compte tenu de la complexité de la forme finale, un procédé de coulée sous pression peut être délicat à mettre au point. Dans les deux cas, coulée par gravité ou coulé sous pression, un noyautage est ensuite réalisé. Le noyautage peut être réalisé :The mixer with the helical ducts can be produced by gravity casting or by die casting, in particular in the case of a mixer consisting of a metallic material. However, given the complexity of the final shape, a die-casting process can be tricky to develop. In both cases, casting by gravity or casting under pressure, a coring is then carried out. Coring can be done:
en sable, ce qui imposera une opération de dessablage ;in sand, which will require a sand removal operation;
en procédé à la cire perdue, ce qui élimine la problématique de dessablage.in the lost wax process, which eliminates the problem of desanding.
Cependant, ces deux procédés présentent le risque d’obstruer les cavités d’évacuation des condensats. Afin d’éviter ces problèmes, l’utilisation d’une fabrication additive, dite «procédé d’impression 3D» est préférée. Ce type de fabrication donne intrinsèquement plus de liberté dans la conception du mélangeur.However, these two processes present the risk of clogging the condensate evacuation cavities. In order to avoid these problems, the use of additive manufacturing, called “3D printing process” is preferred. This type of manufacturing inherently gives more freedom in the design of the mixer.
Claims (8)
le dispositif de mélange (1) comprenant une paroi extérieure (3) présentant une extrémité libre connectée à une admission d’air frais, la paroi extérieure (3) se prolongeant par une convergence (3a) en contact avec l’étage compresseur du turbocompresseur,
le dispositif de mélange (1) comprenant par ailleurs un mélangeur (4) disposé sur l’axe de rotation de l’étage compresseur et compris entre la paroi extérieure (3), l’extrémité libre et l’étage compresseur,
le mélangeur (4) étant configuré pour former un mélange d’air frais et de gaz d’échappement partiellement recyclés à l’admission tout en évacuant des condensats par une conduite de sortie (7),
l’air frais admis par l’extrémité libre du dispositif de mélange (1), étant ensuite mélangé avec le mélange issu du mélangeur (4).Mixing device for an internal combustion engine, the internal combustion engine being provided with a turbocharger and a circuit for partial recirculation of the exhaust gases at low pressure,
the mixing device (1) comprising an outer wall (3) having a free end connected to a fresh air intake, the outer wall (3) being extended by a convergence (3a) in contact with the compressor stage of the turbocharger ,
the mixing device (1) further comprising a mixer (4) arranged on the axis of rotation of the compressor stage and between the outer wall (3), the free end and the compressor stage,
the mixer (4) being configured to form a mixture of fresh air and partially recycled exhaust gases to the inlet while discharging condensates through an outlet pipe (7),
the fresh air admitted through the free end of the mixing device (1), then being mixed with the mixture coming from the mixer (4).
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