WO2011076900A1 - Moteur a combustion interne integrant un dispositif de recirculation des gaz d'echappement - Google Patents

Moteur a combustion interne integrant un dispositif de recirculation des gaz d'echappement Download PDF

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Aude Festor
Sébastien Adenot
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Valeo Systemes De Controle Moteur
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
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    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/17—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories in relation to the intake system
    • F02M26/19—Means for improving the mixing of air and recirculated exhaust gases, e.g. venturis or multiple openings to the intake system

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine incorporating an exhaust gas recirculation device.
  • the invention will advantageously be applicable in the field of gasoline or diesel motor vehicles.
  • the exhaust gas recirculation devices can be either "high pressure” type or "low pressure” type.
  • the present invention is an improvement to internal combustion engines incorporating a "low pressure” type exhaust gas recirculation device, that is to say in which the exhaust gases are taken from the exhaust path after the turbine to be introduced with fresh air before the compressor.
  • Classically engines incorporating an exhaust gas recirculation device comprise an air supply channel equipped with a compressor, an exhaust path with a turbine, the exhaust gas recirculation device itself including exhaust gas treatment means, a low-pressure exhaust gas recirculation pipe and a connection allowing the exhaust gas recirculation introduction of the re-circulating exhaust gas in the air supply path upstream of the compressor.
  • the fresh air / recirculating gas mixture is not homogeneous, the mixture can locally promote the creation of hot spots, and especially as the temperature of the fresh air / recirculating gas mixture increases during the compression. These hot spots can cause irreversible damage to the compressor blades and require compressor replacement.
  • the present invention aims to provide an internal combustion engine incorporating an exhaust gas recirculation device to overcome the aforementioned drawbacks and in particular to significantly limit the risk of damage to the compressor blades.
  • the present invention relates to an internal combustion engine incorporating an exhaust gas recirculation device comprising an air supply path equipped with a compressor, an exhaust path with a turbine, a treatment device. exhaust gas, a low-pressure exhaust gas recirculation line, a connector for introducing the re-circulating exhaust gas into the air supply path upstream of the compressor.
  • the coupling integrates a filter element arranged in the passage of the re-circulating exhaust gases, making it possible to filter the re-circulating exhaust gases and to create turbulences in the exhaust gas stream. circulating so as to improve the homogeneity of the mixture between the fresh air and the re-circulating exhaust gas.
  • the filter element may advantageously have meshes sized to remove any particles greater than 200 microns.
  • FIG. 2 shows schematically and in longitudinal section, an embodiment of a connector made according to the invention
  • Figure 3 shows the connector shown in Figure 2 in a cross section.
  • FIG. 1 shows the fresh air and exhaust circuits between the various elements of a motor 1 with a compressor 2, a combustion chamber 3, a turbine 4 and a treatment device exhaust gas.
  • the engine 1 further comprises an air supply duct 6 and a pipe 7 for recirculating a part of the exhaust gas and a connection 8 between the duct 7 and the supply duct 6 upstream of the compressor 2 .
  • FIG. 2 and 3 shows an element of the engine 1 namely the connector 8 made in the form of a three-way intake valve.
  • This connection 8 comprises a first inlet 9 for the introduction of fresh air via the supply path 6 of the compressor 2 and a second inlet 10 connected to the circulation pipe 7 of the re-circulating exhaust gas.
  • the inputs 9 and 10 are equipped with shutters lia, 11b to adjust the flow of fresh air and re-circulating exhaust gas.
  • the connector 8 further comprises a filter element 12 arranged in the passage re-circulating exhaust gases.
  • This filtering element 12 has a dual function of ensuring filtration of the re-circulating exhaust gases and creating turbulences in the recirculating exhaust gas stream so as to improve the homogeneity of the mixture between the fresh air and the exhaust gas re ⁇ circulating.
  • the filtering element 12 is of cylindrical shape, allowing its insertion into the connection 8, and has a section of a diameter close to that of the air supply path 6.
  • the cylindrical shape allows a large exchange surface of filtration and allows to introduce the gas flow in a non-laminar regime and in all directions transverse to the flow of fresh air ensuring a significant mixing between the two streams and therefore a greater homogeneity of the mixture.
  • the conical ends 13 are welded to the rings 14 and are fitted into the coupling 8.
  • the rings 14 are also welded against the inner wall 15.
  • the connector 8 comprises a deflector 16.
  • This deflector 16 makes it possible to orient the re-circulating exhaust gases on the surface of the filter element 12.
  • the deflector 16 is disposed at the second inlet 10 so as to prevent the flow of gas enters entirely in the filter element 12 on a localized area.
  • the deflector 16 directs the gas between the inner wall 15 and the filter element 12, so that the gas passes through the filter element 12 over a large area.
  • FIG. 3 the flow of gas is illustrated by arrows, and the main stream is seen to separate on the deflector 16 and then to be distributed in a multitude of secondary flows passing through the wall of the filter element 12.
  • the deflector 16 allows a better diffusion of the gas flow and reduces the risk of localized fouling of the filter element 12.
  • the deflector 16 is an integral part of the filter element 12, however, in an alternative embodiment, the deflector 16 is made by an independent part of the filtering element 12.
  • the filtering element 12 is made of a metallic material to ensure a resistance in time and sufficient resistance especially to temperature.
  • Other features of the invention could also have been envisaged without departing from the scope of the invention defined by the claims below.
  • the filter element 12 has non-cylindrical shapes in other embodiments.
  • the filter element 12 will be made partially or completely in non-metallic materials and for example it may be made of composite materials.

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Abstract

La présente invention concerne un moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement comportant une voie d'alimentation d'air (6) équipée d'un compresseur (2), une voie d'échappement avec une turbine (4), un dispositif de traitement des gaz d'échappement, une conduite de recirculation (7) des gaz d'échappement à basse pression, un raccord (8) permettant l'introduction des gaz d'échappement re-circulants dans la voie d'alimentation d'air (6) en amont du compresseur (2), et tel que, selon l'invention, le raccord (8) intègre un élément filtrant disposé dans le passage des gaz d'échappement re-circulants permettant de filtrer les gaz d'échappement re-circulants et de créer des turbulences dans le flux du gaz de manière à améliorer l'homogénéité du mélange entre l'air frais et les gaz d'échappement re-circulants.

Description

Moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement.
La présente invention concerne un moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement.
L' invention trouvera avantageusement application dans le domaine des véhicules automobiles à essence ou diesel.
Toutefois bien que particulièrement prévu pour une telle application le moteur pourra être utilisé dans d'autres domaines faisant appels à des moteurs à combustion interne.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Les véhicules automobiles sont de plus en plus fréquemment équipés de moteurs à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement. Ce type de dispositif présente en effet des avantages importants, dans un moteur à essence il permet une réduction de la consommation de carburant et optimise le rendement du moteur. Dans un moteur diesel il permet de réduire la pollution et de satisfaire aux normes en vigueur.
Les dispositifs de recirculation des gaz d'échappement peuvent être soit de type « haute pression » soit de type « basse pression ». La présente invention constitue un perfectionnement aux moteurs à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement de type « basse pression » c'est-à-dire dans lequel les gaz d'échappement sont prélevés sur la voie d'échappement après la turbine pour être introduits avec l'air frais avant le compresseur.
Classiquement les moteurs intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement comportent une voie d'alimentation en air équipé d'un compresseur, une voie d'échappement avec une turbine, le dispositif de recirculation des gaz d'échappement proprement dit comportant des moyens traitement des gaz d'échappement, une conduite de recirculation des gaz d'échappement à basse pression et un raccord permettant l'introduction des gaz d'échappement re-circulants dans la voie d'alimentation en air en amont du compresseur.
La demanderesse a constaté que, da ns ce type d'architecture, le compresseur était soumis à des contraintes pouvant endommager ses pales.
En effet le mélange air frais/ gaz re-circulant n'étant pas homogène, le mélange peut localement favoriser la création de points chauds, et ce d'autant plus que la température du mélange air frais/ gaz re- circulant augmente lors de la compression. Ces points chauds peuvent causer des dommages irréversibles aux pales du compresseur et nécessiter le remplacement du compresseur .
Par ailleurs dans un moteur diesel se crée, lors de la combustion, des impuretés qui se mêlent aux gaz d'échappement. Pour filtrer ces impuretés on utilise un filtre à particules qui dégage lors de ses premières heures de fonctionnement des particules de céramique. Ces particules de céramique, qui empruntent la conduite de recirculation, peuvent également détériorer les pales du compresseur et provoquer son arrêt ou en limiter le bon fonctionnement.
Dans un moteur à essence, on trouve également des particules de suies et d'huile, ces dernières, combinées à l'air frais, peuvent engendrer, lors de l'introduction du mélange dans la chambre de combustion, des phénomènes de combustion spontanés non contrôlés et préjudiciables au bon fonctionnement du moteur . OBJET DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de proposer un moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement permettant de pallier les inconvénients précités et permet notamment de limiter considérablement le risque de détérioration des pales du compresseur.
RESUME DE L'INVENTION
A cet effet la présente invention concerne un moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement comportant une voie d'alimentation d'air équipée d'un compresseur, une voie d'échappement avec une turbine, un dispositif de traitement des gaz d'échappement, une conduite de recirculation du gaz d'échappement à basse pression, un raccord permettant l'introduction des gaz d'échappement re-circulants dans la voie d'alimentation d'air en amont du compresseur.
Selon l'invention le raccord intègre un élément filtrant, disposé dans le passage des gaz d'échappement re-circulants, permettant de filtrer les gaz d'échappement re-circulants et de créer des turbulences dans le flux de gaz d'échappement re-circulant de manière à améliorer l'homogénéité du mélange entre l'air frais et les gaz d'échappement re-circulants.
L'élément filtrant peut avantageusement présenter des mailles dimensionnées pour supprimer toute particules supérieures à 200 micromètres.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture d'un exemple détaillé de réalisation en référence aux dessins annexés, fournis à titre d'exemple non limitatif, parmi lesquels : - la figure 1 représente de manière schématique les circuits d'air et de gaz d'échappement du moteur à combustion ;
- la figure 2 représente de manière schématique et en coupe longitudinale, un exemple de réalisation d'un raccord réalisé conformément à l'invention;
- la figure 3 représente le raccord illustré à la figure 2 selon une coupe transversale.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En se reportant principalement à la figure 1 on voit représenté les circuits d'air frais et d'échappement entre les différents éléments d'un moteur 1 avec un compresseur 2, une chambre de combustion 3, une turbine 4 et un dispositif de traitement des gaz d'échappement.
Le moteur 1 comprend en outre une voie d'alimentation d'air 6 et une conduite 7 de recirculation d'une partie du gaz d'échappement et un raccord 8 entre la conduite 7 et la voie d'alimentation 6 en amont du compresseur 2.
En se reportant cette fois aux figures 2 et 3 on voit représenté un élément du moteur 1 à savoir le raccord 8 réalisé sous la forme d'une vanne d'admission trois voies.
Ce raccord 8 comprend une première entrée 9 pour l'introduction de l'air frais par la voie d'alimentation 6 du compresseur 2 et une seconde entrée 10 reliée à la conduite de circulation 7 des gaz d'échappement re-circulants .
Avantageusement, comme représenté à la figure
2, les entrées 9 et 10 sont équipées de volets d'obturation lia, 11b permettant de régler les débits d'air frais et de gaz d'échappement re-circulants.
Selon l'invention le raccord 8 comprend en outre un élément filtrant 12 disposé dans le passage des gaz d'échappement re-circulants . Cet élément filtrant 12 a une double fonction à savoir assurer une filtration des gaz d'échappement re-circulants et créer des turbulences dans le flux de gaz d'échappement re- circulants de manière à améliorer l'homogénéité du mélange entre l'air frais et les gaz d'échappement re¬ circulants .
A cette fin, avantageusement l'élément filtrant 12 est de forme cylindrique, permettant son insertion dans le raccord 8, et présente une section d'un diamètre voisin de celui de la voie d'alimentation en air 6.
La forme cylindrique autorise une surface d'échange importante de filtration et permet d'introduire le flux gazeux selon un régime non laminaire et dans toutes les directions transversales au flux d'air frais assurant un brassage important entre les deux flux et donc une plus grande homogénéité du mélange.
Afin d'assurer la solidarisation de l'élément filtrant 12 dans le raccord 8, on prévoit au niveau de l'élément filtrant 12 des extrémités coniques 13. Ces extrémités 13 coopèrent avec des bagues 14 solidaires de la paroi interne 15 du raccord 8.
Selon un mode de réalisation avantageux les extrémités coniques 13 sont soudées sur les bagues 14 et sont emmanchées dans le raccord 8. Avantageusement les bagues 14 sont également soudées contre la paroi interne 15.
De manière à ne pas perturber le flux d'air frais entrant dans le raccord 8 on prévoit que la bague 14 située en amont du flux d'air frais est convergente selon la direction du flux d'air d'alimentation tandis que la bague 14 disposée en aval est divergente. Cette caractéristique des bagues 14 permet de faciliter le passage de l'air dans le raccord 8.
En se reportant cette fois à la figure 3 on voit que le raccord 8 comprend un déflecteur 16. Ce déflecteur 16 permet d'orienter les gaz d'échappement re-circulants sur la surface de l'élément filtrant 12.
Le déflecteur 16 est disposé au niveau de la seconde entrée 10 de manière à éviter que le flux de gaz entre intégralement dans l'élément filtrant 12 sur une zone localisée.
Le déflecteur 16 permet de diriger le gaz entre la paroi interne 15 et l'élément filtrant 12, de sorte que le gaz traverse l'élément filtrant 12 sur une grande surface.
Dans la figure 3, le flux de gaz est illustré par des flèches, et on voit le flux principal se séparer sur le déflecteur 16 puis se répartir en une multitude de flux secondaires traversant la paroi de l'élément filtrant 12. Ainsi le déflecteur 16 permet une meilleure diffusion du flux de gaz et permet de réduire les risques d'encrassement localisé de l'élément filtrant 12.
Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3 le déflecteur 16 fait partie intégrante de l'élément filtrant 12 toutefois dans une variante de réalisation, le déflecteur 16 est réalisé par une pièce indépendante de l'élément filtrant 12.
De manière à optimiser également la diffusion des gaz d'échappement re-circulants on prévoit un jeu de l'ordre de quelques millimètres entre l'élément filtrant 12 et la paroi intérieure 15 du raccord 8.
De préférence l'élément filtrant 12 est réalisé dans un matériau métallique pour assurer une tenue dans le temps et résistance suffisante notamment à la température. D'autres caractéristiques de l'invention auraient également pu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après.
Notamment, l'élément filtrant 12 présente, dans d'autres modes de réalisation des formes non cylindriques .
Dans d'autres modes de réalisation, l'élément filtrant 12 sera réalisé partiellement ou totalement dans des matériaux non métalliques et à titre d'exemple il pourra être réalisé en matériaux composites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne intégrant un dispositif de recirculation des gaz d'échappement comportant une voie d'alimentation d'air (6) équipée d'un compresseur (2), une voie d'échappement avec une turbine (4), un dispositif de traitement des gaz d'échappement, une conduite de recirculation (7) des gaz d'échappement à basse pression, un raccord (8) permettant l'introduction des gaz d'échappement re¬ circulants dans la voie d'alimentation d'air (6) en amont du compresseur (2), caractérisé en ce que le raccord (8) intègre un élément filtrant (12) disposé dans le passage des gaz d'échappement re-circulants permettant de filtrer les gaz d'échappement re¬ circulants et de créer des turbulences dans le flux de gaz de manière à améliorer l'homogénéité du mélange entre l'air frais et les gaz d'échappement re¬ circulants .
2. Moteur selon la revendication 1 dans lequel l'élément filtrant (12) est de forme cylindrique avec une section d'un diamètre voisin de celui de la voie d'alimentation en air (6) .
3. Moteur selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2 dans lequel l'élément filtrant (12) a des extrémités coniques (13) coopérant avec des bagues (14) solidaires de la paroi interne (15) du raccord permettant l'emmanchement de l'élément filtrant (12) dans le raccord (8) .
4. Moteur selon la revendication 3 dans lequel la bague (14) amont est convergente par rapport à la direction du flux d'air d'alimentation et la bague (14) aval est divergente, permettant de faciliter le passage de l'air.
5. Moteur selon l'une ou l'autre des revendications 3 et 4 dans lequel les extrémités coniques (13) sont soudées sur les bagues (14) .
6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'élément filtrant (12) est métallique.
7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le raccord (8) comprend un déflecteur (16) permettant d'orienter le flux de gaz sur la surface de l'élément filtrant (12) .
8. Moteur selon la revendication 7 dans lequel le déflecteur (16) est intégré à l'élément filtrant (12) .
9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le raccord (8) est constitué d'une vanne d'admission trois voies.
10. Raccord (8) selon l'une quelconque revendications précédentes.
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