Brevet FR2813345A1 — publié le 20020301

Domaine technique La présente invention concerne un système de réinjection des gaz d'échappement pour des veines de gaz d'un moteur à combustion interne, pour la réinjection partielle des gaz d'échappement dans un canal d'écoulement, le débit par le retour étant commandé par une soupape commandée, et avec des montages pénétrant dans la section d'écoulement du canal d'écoulement pour y influencer les veines de fluide. Dans les moteurs à combustion interne, pendant le chevauchement des soupapes, une certaine quantité de gaz d'échappement résiduels est poussée de la chambre de combustion dans la tubulure d'aspiration. Au cours de la phase d'aspiration consécutive, en plus de l'air frais, une certaine fraction de gaz résiduels est ainsi aspirée. L'importance de cette fraction de gaz résiduels est fixée par le chevauchement des soupapes selon le point de fonctionnement du moteur à combustion interne. Une modification de la composante des gaz d'échappement résiduels peut se faire soit par une réinjection extérieure des gaz d'échappement avec une soupape de retour de gaz d'échappement commandée par la commande du moteur, soit en fonction d'un réglage de l'arbre à cames. Etat de la technique Jusqu'à un certain degré, une partie croissante de gaz d'échappement résiduels peut se répercuter de manière positive sur la conversion de l'énergie et ainsi sur la consommation de carburant du moteur à combustion interne. De plus, une augmentation de la fraction de gaz résiduels réduit la température maximale de combustion et diminue ainsi les oxydes d'azote dégagés. En même temps une augmentation de la composante des gaz résiduels se traduit par un certain degré de combustion incomplète car on dispose de moins d'air frais ce qui conduit à une augmentation des émissions d'hydrocarbures, de la consommation de carburant et de l'irrégularité de fonctionnement du moteur à combustion interne. C'est pourquoi la répartition dite régulière c'est-à-dire la répartition entre l'air frais et le résidu de gaz d'échappement réinjecté du côté de l'aspiration d'un moteur à combustion interne est un critère important de qualité pour la réinjection des gaz d'échappement du moteur. La répartition régulière se caractérise par la régularité de la quantité des gaz d'échappement fournie à chaque cylindre d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres. Actuellement cette régularité recherchée de la quantité des gaz d'échappement s'obtient grâce à un chemin de mélange suffisamment long c'est-à-dire que l'on offre suffisamment de temps aux gaz d'échappement pour se mélanger à la veine d'air frais. Le document DE 198 57 577 A1 concerne un système de réinjection des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Dans ce système de réinjection des gaz d'échappement, pour une réinjec- tion seulement partielle des gaz d'échappement provenant du système d'échappement par au moins une conduite de retour de gaz d'échappement dans un système d'admission, la conduite de réinjection des gaz d'échappement est réalisée de façon à déboucher dans le système d'admission par l'intermédiaire d'un venturi. Le venturi peut être contourné par un conduit d'air principal dont le passage se commande par un organe de commande. Pour diminuer l'encombrement nécessaire au système de réinjection de gaz d'échappement sans en influencer le fonctionnement, il est prévu une installation à venturi à plusieurs flux et au moins deux diffuseurs à buse, branchés en parallèle. Le document DE 198 57 578 A1 décrit une solution destinée à diminuer l'encombrement nécessaire à un système de réinjection des gaz d'échappement sans en dégrader le fonctionnement. Selon la solution proposée ce résultat s'obtient en intégrant une installation à venturi et la veine d'air principale y compris les organes de commande dans un boîtier commun. Cela permet une diminution décisive de l'encombrement et de plus, une économie considérable de pièces, ce qui se traduit par une fabrication beaucoup plus rationnelle et une possibilité de réalisation dans les mêmes conditions, du système de réinjection de gaz d'échappement. Les deux solutions proposées ont en commun que la réin- jection des gaz d'échappement se fait dans la section la plus réduite d'un venturi avec uniquement des gaz d'échappement suivant une veine partielle par rapport à la veine globale d'air frais. Comme les deux veines s'écoulent essentiellement de manière distincte dans la direction longitudinal, il n'y a pas d'échanges impulsionnels qui pourraient favoriser le mélange dans la direction transversale. Pour avoir néanmoins un mélange naturel du flux massique d'air frais et du flux massique de gaz d'échappement réinjecté, il faut un chemin de mélange suffisamment long pour garantir le mélange. Cela signifie d'autre part un encombrement important pour un tel système de réinjection de gaz d'échappement. Or, la place correspondante n'existe pas dans les moteurs à combustion interne, actuels. C'est pourquoi on supprime souvent la répartition régulière ce qui peut aboutir à une détérioration de la valeur des gaz d'échappement du moteur à combustion interne. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et concerne à cet effet un système de réin- jection des gaz d'échappement caractérisé en ce qu'à une certaine distance derrière le point d'entrée de la veine de gaz d'échappement, un élément est placé dans le canal d'écoulement pour y induire une pression dynamique et les écoulements radiaux. La solution selon l'invention offre des avantages notamment de réduction de l'encombrement du système de réinjection des gaz d'échappement pour les moteurs à combustion interne, par rapport à la place disponible dans les moteurs. Le mélange forcé selon l'invention entre la veine massique d'air frais et la veine des gaz d'échappement pour générer une composante d'écoulement radial crée des turbulences dans la section d'écoulement libre c'est-à-dire un échange d'impulsions transversalement à la direction d'écoulement des veines de fluide à mélanger; cela permet de raccourcir considérablement le chemin qui serait nécessaire pour le mélange naturel des deux veines de gaz. On peut ainsi réduire considérablement le chemin de mélange qui finalement détermine l'encombrement du système de réinjection des gaz d'échappement. Cela permet de loger de tels systèmes de réinjection des gaz d'échappement qui ont un encombrement réduit à l'extrême, même dans des moteurs à combustion interne ayant une place disponible très réduite. Les éléments ou inserts, placés directement derrière la zone d'entrée de la veine de gaz d'échappement et qui génèrent les composantes radiales, produisent le mélange des veines de gaz. On crée ainsi une pression dynamique qui génère des composantes d'écoulement radial. On évite l'encrassage des in- serts ou éléments générant les écoulements turbulents dans la section d'écoulement libre du fait qu'à l'extrémité des éléments ou inserts, qui sont prévus régulièrement à distance de la paroi intérieure du tube d'écoulement ou du canal, on a un orifice. Cet orifice se situe dans la direction d'écoulement et peut se trouver dans la zone de fond, plane de l'élément générant les composantes d'écoulement radial; la zone plane du pot peut tout aussi bien être configurée comme un rétrécissement de section, continu pour éviter l'encrassage et compenser le profil de pression différent qui s'établit après le passage de l'élément générant les composantes d'écoulement radial. La solution selon l'invention permet de réaliser le système de réinjection des gaz d'échappement avec un encombrement extrêmement réduit et ainsi sous la forme d'un système intéressant pour les moteurs à combustion interne, offrant une place disponible très réduite. Le mélange forcé rend inutile la réalisation d'une zone de mélange dont la longueur permettrait un mélange naturel des veines de gaz; cela réduit considérablement l'encombrement. On peut ainsi réaliser une répartition régulière des composantes de gaz à savoir le gaz d'échappement résiduel et l'air frais, sans utiliser de chemin de mélange long. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 montre un chemin d'écoulement de forme tubulaire dans lequel débouche perpendiculairement à la direction d'écoulement, une première veine de fluide massique d'une conduite de réinjection de gaz d'échappement, et le chemin d'écoulement comporte un insert induisant un écoulement radial, cet insert étant monté coaxialement au tube. - la figure 2 montre une première variante de réalisation de l'insert avec un fond plan et un orifice de passage réduisant l'encrassage. - la figure 3 montre une autre variante de l'insert ou élément à section diminuant en continu vers la sortie. Exemple de réalisation La figure 1 montre un chemin de passage de forme tubulaire dans lequel perpendiculairement à la direction d'écoulement d'une première veine massique de fluide, débouche une conduite de réinjection de gaz d'échappement avec un insert débouchant coaxialement à la section d'écoulement dans le tuyau et induisant un écoulement radial. Parallèlement à la direction horizontale du tuyau 2 qui constitue le canal d'écoulement, une veine massique d'air frais 4 arrive dans la section d'écoulement libre 1 du canal d'écoulement 2. Perpendiculairement à la direction d'écoulement la veine massique d'air frais 4, d'entrée, au niveau de l'orifice d'entrée 10 d'une conduite de réinjection des gaz d'échappement on a une veine massique de gaz d'échappement qui arrive dans la section d'écoulement 1 du canal 2. L'orifice de sortie de la conduite de réinjection des gaz d'échappement 10 peut être fermé ou ouvert par un élément de soupape représenté schématiquement. Pour cela, il est prévu un axe de soupape 7 traversant la paroi du canal 2 dont l'extrémité avant porte un plateau de soupape 19 constituant un corps de soupape 9. Le plateau 19 qui est par exemple en forme de disque fermant l'orifice de sortie 10 de la conduite de réinjection des gaz d'échappement, est mobile dans la direction de la double flèche 20 par rapport à la section de l'orifice de sortie 10. Le plateau de soupape 19 du corps de soupape 9 a un diamètre qui dépasse celui de l'orifice de sortie 10 de la conduite de réinjection des gaz d'échappement de sorte que lorsque le plateau 19 descend verticalement, il ferme complètement l'orifice de sortie 10 de la conduite de réinjection des gaz d'échappement. A la place du plateau 19 représenté schématiquement on peut également réaliser la paroi du canal 2 de l'élément d'axe 7 traversant l'ouverture 8 avec un corps de soupape 9 correspondant à une autre configuration. Par rapport à l'axe de symétrie de la conduite de réinjection des gaz d'échappement, dans la section d'écoulement libre 1, on a trois supports 14 décalés chaque fois de 120 et un élément 11 en forme de pot, s'étendant dans la direction coaxiale, parallèlement à la veine massique d'air frais 4 d'entrée. On peut également envisager n'importe quel autre dispositif de fixation ou de support. L'orifice d'entrée de l'élément en forme de pot 11 est tourné à l'opposé de la direction d'écoulement de la veine massique de fluide 4 d'entrée ; pour l'élément 11, dans la configuration de la figure 1 le fond 13 est fermé. L'orifice d'entrée de l'élément 11 en forme de pot, orienté dans la direction opposée à la direction d'écoulement du fluide massique d'air incident, se trouve à la distance 18 de l'axe de symétrie de la conduite de réinjection des gaz d'échappement. L'élément 11 en forme de pot, tenu par trois supports 14 décalés de 120 , en contact avec la paroi intérieure 3 du canal 2, est muni d'une paroi extérieure 12 qui dans l'exemple de réalisation représenté est traversé par trois passages 16. Les passages 16 sont chaque fois décalés les uns des autres de 90 , suivant un tracé linéaire à la périphérie de la paroi extérieure de l'élément 11 en forme de pot ou de cylindre et dans une ouverture correspondant à la référence 17. La veine massique en sortie, prémélangée par les composantes de turbulences et les composantes radiales 15 induites par l'élément 11, est formée d'une veine massique d'air frais d'entrée 4 et d'une veine de gaz d'échappement 5 rajoutée, portant la référence 6 ; ce mélange s'échappe derrière l'élément 11 en forme de pot de la section d'écoulement libre 1 du canal d'écoulement tubulaire 2. Les passages 16 prévus sur l'élément 11 en forme de pot peuvent être réalisés simplement en fabrication, sous la forme de perça- ges ; ceux-ci peuvent avoir des diamètres 17 différents. A côté d'une disposition linéaire décalée de 90 on peut également envisager un autre modèle de perçage de la paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot. Grâce à l'ouverture de l'élément en forme de pot 11, dirigée dans la direction opposée à la direction d'écoulement, et à la distance 18 de l'axe de symétrie de la conduite de réinjection des gaz d'échappement, on a une pression dynamique et ainsi un écoulement radial 15 à travers les passages 16 de la paroi 12 de l'élément 11 en forme de pot. Ces écoulements radiaux 15 génèrent un échange impulsionnel entre le flux passant dans l'intervalle annulaire compris entre la paroi intérieure 3 du canal 2 et la paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot et les composantes d'écoulement radial 15 traversant dans la direction radiale les passages 16 prévus dans la paroi extérieure 12 de l'élément 11. Cela se traduit par un bon mélange forcé des deux veines de gaz c'est-à-dire de la veine d'air frais 4 d'entrée et de la veine de gaz d'échappement 5 que l'on mélange. Selon l'application, la distance 18 entre l'ouverture de l'élément 11 en forme de pot, à l'opposé de la direction d'écoulement et le point d'arrivée de la veine de gaz d'échappement 5 est choisie de même que le nombre et la position ainsi que la forme des passages 16 de la paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot. Comme autre paramètre de conception on a le rapport entre le diamètre de la paroi intérieure 3 du canal d'écoulement 2 et la paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot. Dans la variante de réalisation de la figure 1 de la solution selon l'invention pour réaliser un mélange forcé générant un écoulement radial et ainsi une turbulence induite, la zone de fond de l'élément en forme de pot est réalisé comme fond fermé 13. Selon une variante de réalisation avantageuse de l'élément en forme de pot, on peut réaliser celui-ci avec une première zone de fond munie d'une ouverture. Cette variante de réalisation apparaît plus clairement à la figure 2. La paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot dont l'orifice d'entrée est orienté à l'opposé de la direction d'écoulement du fluide, comporte des passages 16 décalés les uns des autres en ligne, suivant un angle de 90 . Les passages 16 réalisés de préférence sous la forme de perçages avec un diamètre 17, permettent un passage des fluides traversant dans la direction de l'élément 11 en forme de pot. Pour diminuer la sensibilité à l'encrassage de l'élément 11 en forme de pot, la zone de fond 22 plane de l'élément 11 en forme de pot présente une section d'ouverture 25. Grâce à celle-ci et notamment la pression dynamique engendrée par l'élément 11 en forme de pot dans la section d'écoulement 1 du canal 2, l'orifice de sortie 25 génère une veine de fluide massique à effet autonettoyant. La figure 3 montre une autre variante de réalisation de l'élément en forme de pot; dans cette variante on a une section qui diminue en continu vers la zone d'extrémité de l'élément en forme de pot. Dans cette variante extrêmement avantageuse du point de vue fluidique, de façon analogue au mode de réalisation représenté à la figure 2 de l'insert 11 en forme de pot, sa paroi extérieure 12 comporte des rangées de passages 15. Les passages peuvent être réalisés sous la forme de perçages 16. A la figure 3, le front est réalisé comme une zone de fond 23 mise en forme. La section d'écoulement qui diminue en continu débouche dans un orifice de sortie 21 de section 25. Cela permet le nettoyage de l'élément 11 en forme de pot dont la paroi intérieure 3 du canal d'écoulement 2 est tenue par plusieurs supports ou éléments de fixation. Le montage d'un élément 11 en forme de pot, qu'il s'agisse d'un front 13 fermé par un fond 22 muni d'un orifice de passage 21 ou d'une variante fluidique avec une zone de fond 23 mise en forme selon la figure 3, réalise un mélange forcé générant une composante d'écoulement radial. Par le montage de l'élément 11 en forme de pot, la pression dynamique engendrée fait que l'ouverture orientée à l'opposé de la direction d'écoulement de la veine massique de fluide pour l'élément 11 en forme de pot fait que les veines de fluide massique pénètrent dans la direction radiale à travers les passages 16 de la paroi extérieure 12 pour s'échapper de nouveau dans la section d'écoulement libre 1 du canal 2 et y induisent un échange d'impulsions transversalement à la direction d'écoulement. Entre la paroi extérieure 12 de l'élément 11 en forme de pot et la paroi intérieure 3 du canal d'écoulement 2 il se forme un intervalle annulaire permettant un échange d'impulsions dans la direction transversale, qui assure le mélange forcé des veines massiques de fluide d'entrée 4,5. Cette variante de réalisation évite un chemin de mélange, long à l'intérieur duquel les veines de gaz pourraient se mélanger de manière naturelle par diffusion transversale si bien que dans un système de réinjection des gaz d'échappement selon l'invention, la configuration proposée est très peu encombrante c'est-à-dire intéressante pour le montage. Cela permet de loger les systèmes de réinjection de gaz d'échappement même dans des emplacements très réduits au niveau de moteurs à combustion interne car la turbulence induite et l'écoulement radial généré produisent un mélange forcé des veines de fluide ; cela permet de réaliser d'une manière beaucoup plus compacte les systèmes de réinjection des gaz d'échappement. En fonction des paramètres d'application spécifique, on peut adapter la répartition équilibrée de la composante d'air frais et de la partie de gaz résiduels à la veine massique de fluide mélangée 6, en sortie, par le nombre, la position, le diamètre et la forme des passages 16 selon les applications spécifiques. Un autre paramètre de réglage d'une répartition régulière de la veine massique mélangée en sortie consiste à modifier le rapport entre le diamètre extérieur de l'élément 11 en forme de pot et le diamètre intérieur de la paroi intérieure 3 du canal d'écoulement 2. NOMENCLATURE 1. section d'écoulement 2. canal d'écoulement 3. paroi intérieure 4. veine d'air frais d'entrée 5. veine de gaz d'échappement d'entrée 6. veine mélangée en sortie 7. axe de soupape 8. ouverture 9. corps de soupape 10. orifice de sortie de la conduite de réinjection des gaz d'échappement 11. élément en forme de pot 12. paroi extérieure 13. fond 14. support 15. composante d'écoulement radial 16. passage 17. largeur de l'ouverture 18. distance 19. plateau de soupape 20. dispositif d'actionnement 21. orifice de passage 22. fond plan muni d'une ouverture 23. fond de la mise en forme 24. forme de buse 25. section d'ouverture REVENDICATIONS 1 ) Système de réinjection des gaz d'échappement pour des veines de gaz d'un moteur à combustion interne, pour la réinjection partielle (5) des gaz d'échappement dans un canal d'écoulement (2), le débit de réinjection (5) étant commandé par une soupape commandée (9), (19), avec des montages pénétrant dans la section d'écoulement (1) du canal d'écoulement (2) pour influencer les veines de fluide (4, 5), caractérisé en ce qu' à une certaine distance (18) derrière le point d'entrée (10) de la veine de gaz d'échappement, un élément (11) est placé dans le canal d'écoulement (2) pour induire une pression dynamique et des écoulements radiaux (15). 2 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (11) est logé coaxialement à l'axe du canal d'écoulement (2). 3 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 2, caractérisé par un intervalle annulaire entre la paroi extérieure (12) de l'élément (11) et la paroi intérieure (3) du canal d'écoulement (2). 4 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (11) est muni de zones (13, 22, 23) qui créent une pression dynamique dans la direction d'écoulement des veines de masse de fluide à mélanger (4, 5). 5 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément (11) comporte un fond fermé (13). 6 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément (11) comporte un fond ouvert (22) muni d'une ouverture (21). 7 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément (11) comporte une zone de fond (23) mise en forme avec une section diminuant en continu et débouchant par une section d'ouverture (25). 8 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture de l'élément (11) en forme de pot est tournée du côté opposé à la direction d'écoulement de la veine de fluide d'entrée (4, 5). 9 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi extérieure paroi extérieure (12) de l'élément (11) en forme de pot est muni d'un certain nombre de passages (16). 10 ) Système de réinjection des gaz d'échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (11) en forme de pot est tenu par des supports (14) sur la paroi intérieure (3) du canal d'écoulement (2).