Brevet FR2827011A1 — publié le 20030110

"Vanne de commande pour un circuit de recirculation de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne" L'invention concerne une vanne de commande pour un circuit de recirculation des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, comprenant un orifice d'entrée à raccorder au collecteur d'échappement du moteur à combustion interne, un premier orifice de sortie à raccorder à un échangeur de refroidissement, lui-même raccordé à la tubulure d'admission du moteur à combustion interne, et un deuxième orifice de sortie à raccorder sensiblement directement à la tubulure d'admission du moteur à combustion interne, et un opercule de vanne destiné à commander le passage depuis l'orifice d'entrée vers le premier ou vers le deuxième orifice de sortie. Il est connu de faire recirculer une partie des gaz d'échappement vers l'admission d'un moteur à combustion interne, afin d'abaisser la température de combustion et donc de réduire la quantité des oxydes d'azote émis par le moteur. Il est par ailleurs connu que le débit des gaz recirculés est limité en raison de l'augmentation des émissions d'oxyde de carbone, de la quantité d'hydrocarbures imbrûlés, de particules de suies, et en raison des instabilités du moteur. De plus, on sait que pendant les phases de fonctionnement du moteur à forte charge, le taux de recirculation des gaz d'échappement admissible est plus faible que pendant les phases de fonctionnement à faible charge. En équipant ces moteurs d'un système de refroidissement pour les gaz recirculés, on peut réduire la consommation de carburant ou la production d'émissions de produits polluants, comme les oxydes d'azote (Nox) ou les particules de suies, lors de certaines phases de fonctionnement du moteur, notamment lors du fonctionnement à forte charge. Cependant, il s'est avéré que lors d'autres phases de fonctionnement, notamment à faible charge, le refroidissement des gaz d'échappement recirculés entraîne une augmentation des émissions de produits polluants, comme le monoxyde de carbone (CO) et des imbrûlés (HC). On s'efforce par conséquent de refroidir les gaz d'échappement recirculés durant les phases de fonctionnement du moteur à forte charge, mais de ne pas les refroidir durant les phases de fonctionnement à faible charge. Une solution connue consiste à diriger le flux des gaz d'échappement recirculés soit vers un circuit refroidi, soit vers un circuit non refroidi, au moyen de deux vannes à commande pneumatique. L'une de ces vannes est située dans un conduit de gaz d'échappement recirculés non refroidis, et une deuxième vanne est situé dans un conduit de gaz d'échappement refroidis par un échangeur. En fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, l'une des deux vannes est actionnée et elle régule le débit des gaz recirculés, tandis que l'autre vanne reste fermée. Une autre solution connue consiste à associer une vanne qui gère le débit des gaz recirculés avec une vanne qui envoie les gaz recirculés soit vers un échangeur de chaleur pour y être refroidi, soit vers un conduit de dérivation qui court-circuite, ou"by-pass", l'échangeur de chaleur. Une vanne du type mentionné en introduction est connue du document EP-A-1.030. 050. Comme il vient d'être exposé, il faut cependant lui associer une deuxième vanne afin de gérer le débit total des gaz recirculés. Le but de la présente invention est donc de pouvoir refroidir les gaz d'échappement recirculés pendant les phases de fonctionnement du moteur à forte charge, mais de ne pas refroidir ces gaz d'échappement recirculés pendant les phases de fonctionnement du moteur à faible charge, tout en permettant également une gestion du débit total des gaz recirculés, et notamment d'annuler ce débit, sans devoir obligatoirement prévoir deux vannes de commande ainsi que les circuits pneumatiques et électriques associés. Conformément à l'invention, dans une vanne telle que décrite en introduction, cet objectif est atteint par le fait que l'opercule de vanne est associé à un siège du premier orifice de sortie, et que la vanne comprend un deuxième opercule, associé à un siège du deuxième orifice de sortie. Dès lors, puisque la vanne comprend deux opercules, il est possible d'isoler complètement l'orifice d'entrée vis-à-vis des deux orifices de sortie en maintenant les deux opercules sur leurs deux sièges associés. Selon d'autres aspects de l'invention : - les deux opercules de vanne sont actionnés par un élément d'actionnement unique ou commun ; - l'élément d'actionnement est une tige mobile selon sa direction axiale via un actionneur ; - la tige porte l'un des opercules de manière solidaire, et l'autre opercule via une liaison à course morte ; - ledit autre opercule est monté coulissant le long de la tige, un ressort repousse cet opercule constamment en direction du siège associé, et la tige comporte un épaulement tourné vers cet autre opercule, écarté de celui-ci en position de repos de la tige et susceptible de venir engager cet opercule et le soulever de son siège associé en fonctionnement ; - le premier opercule repose sur le premier siège de vanne associé en position de repos de la tige, et est soulevé de ce siège suite à un premier déplacement axial de la tige jusqu'à une première position de fonctionnement, dans laquelle le deuxième opercule n'est pas soulevé de son siège associé ; - suite à un deuxième déplacement axial de la tige jusqu'à une deuxième position de fonctionnement, le deuxième opercule est aussi soulevé de son siège associé ; - le premier siège de vanne a un diamètre inférieur au deuxième siège de vanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures cijointes, dans lesquelles : - la figure 1 est un schéma illustrant les collecteurs d'admission et d'échappement d'un moteur à combustion interne, ainsi que le circuit de recirculation des gaz d'échappement ; - la figure 2 est une coupe axiale schématique de la vanne de commande de recirculation du circuit de la figure 1, en position fermée ; - la figure 3 est une coupe axiale schématique de la vanne de la figure 2, dans une première position pour fonctionnement du moteur à combustion interne à forte charge ; et - la figure 4 est une coupe axiale schématique de la vanne des figures 2 et 3, dans une deuxième position pour fonctionnement du moteur à faible charge. Dans le schéma de la figure 1, la référence 10 désigne de façon générale un moteur à combustion interne, dont la structure intérieure n'est pas détaillée. L'air nécessaire à la combustion est fourni par une tubulure d'admission 12 qui se termine par un collecteur d'admission 14, celui-ci présentant les ramifications 16 nécessaires pour mener l'air jusqu'aux cylindres individuels 18. De la même manière, les gaz brûlés qui s'échappent des cylindres 18 empruntent des ramifications 20 qui débouchent dans un collecteur d'échappement 22, puis sont guidés vers l'extérieur par une tubulure d'échappement 24. Pour recirculer une partie des gaz d'échappement, il est prévu un circuit de recirculation, désigné dans son ensemble par la référence 26, qui commence par un conduit de départ 28, branché directement sur le collecteur d'échappement 22 et débouchant dans une vanne de commande 30 qui forme ici le coeur de l'invention et qui sera décrite plus loin en détails à l'aide des figures 2 à 4. En plus de son orifice d'entrée 32 raccordé au conduit de départ 28, la vanne de commande comprend deux orifices de sortie 34 et 36. Le premier orifice de sortie 34 est relié à un conduit de recirculation annexe 40, dit aussi conduit de recirculation"de refroidissement"en raison du fait qu'il traverse un échangeur de chaleur 42, celui-ci étant traversé par ailleurs par le liquide de refroidissement du moteur. Le deuxième orifice de sortie 36 est relié à un conduit de recirculation direct 38 qui débouche directement dans la tubulure d'admission 12. Le circuit du liquide de refroidissement est ici symbolisé par des tubulures 44 directement raccordées au moteur 10. Comme le montre enfin la figure 1, la vanne 30 comprend un actionneur 46, et celui-ci est piloté par une unité de commande électronique (ECU) portant la référence 48. Dans la coupe axiale de la figure 2 de la vanne 30, on retrouve, agencés dans un corps de vanne 50, l'orifice d'entrée 32, le premier et le deuxième orifice de sortie 34 et 36, et l'actionneur 46. L'actionneur 46 porte une tige d'actionneur 52 qui définit un axe X-X et qui traverse le corps 50 de manière à y être guidé en déplacement suivant l'axe X-X. Dans le corps 50 sont définis un certain nombre de passages, pour réaliser d'une part une communication depuis l'orifice d'entrée 32 vers le premier orifice de sortie 34 et, d'autre part, une communication depuis l'orifice d'entrée 32 vers le deuxième orifice de sortie 36. Sur le trajet de la communication entre l'orifice d'entrée 32 et le premier orifice de sortie 34 est aménagé un premier siège de vanne 54 concentrique à l'axe X-X, et sur le trajet de la communication entre l'orifice d'entrée 32 et le deuxième orifice de sortie 36 est aménagé un deuxième siège de vanne 56 concentrique à l'axe X-X lui aussi. La tige 52 de l'actionneur porte deux opercules de vannes 58 et 60. Le premier opercule 58 est solidaire de la tige 52 et, dans la situation de repos illustrée dans la figure 2, dans laquelle la tige occupe sa position la plus rétractée dans l'actionneur 46, le premier opercule devant 58 repose sur le premier siège de vanne 54, ce qui interrompt toute communication depuis l'orifice d'entrée 32 vers le premier orifice de sortie 34. Un deuxième opercule de vanne 60 est monté sur la tige 52 via un agencement dit"à course morte"en ce qu'il coulisse le long du fût de la tige 52 au moyen d'un guide 62, tandis qu'un ressort 64 repousse le deuxième opercule 60 constamment en direction du siège 56. À une distance"x"du siège 56, la tige 52 comporte un épaulement 66, tourné vers le deuxième opercule 60. Cependant, dans la situation de la figure 2, le deuxième opercule 60 est appliqué par le ressort 64 contre le siège 56, ce qui interrompt aussi toute communication depuis l'orifice d'entrée 32 vers le deuxième orifice de sortie 36. On note enfin que tous les composants de la communication de l'orifice d'entrée 32 jusqu'au premier orifice de sortie 34, c'est-à-dire essentiellement le premier siège 54, ont une section de passage plus petite que les composants correspondants de la communication de l'orifice d'entrée 32 jusqu'aux deuxième orifice de sortie 36, ici essentiellement le siège 56. La position de repos de la vanne 30 illustrée dans la figure 2 est celle que la vanne occupe en l'absence d'ordre de l'unité centrale 48, mais aussi pour celles des phases de fonctionnement pour lesquelles l'unité centrale 48 a pris une décision correspondante, c'est-à-dire que les paramètres de fonctionnement du moteur ne nécessitent pas de faire recirculer les gaz d'échappement. Lorsque le moteur fonctionne à forte charge, ce que l'unité centrale 48 détecte à partir des paramètres qu'elle reçoit des divers capteurs (non représentés), elle envoie à l'actionneur 46 un ordre d'un niveau correspondant, qui provoque un premier déplacement de la tige de vanne 52 jusqu'à atteindre la position illustrée à la figure 3. Le déplacement de la tige 52 (vers le bas sur la figure) a provoqué le soulèvement du premier l'opercule de vanne 58 depuis le premier siège associé 54, ouvrant la communication depuis l'orifice d'entrée 32 vers le premier orifice de sortie 34. Cependant, la course de la tige 52 est restée inférieure à la distance x (voir figure 2) de manière qu'il reste encore une distance y entre l'épaulement 66 de la tige 52 et le deuxième opercule 60. Celui-ci reste donc appliqué contre le deuxième siège 56 et bloque toute communication de l'orifice d'entrée 32 jusqu'au deuxième orifice de sortie 36. Il en résulte qu'il établit un faible écoulement de gaz d'échappement en recirculation (symbolisé par les flèches A à la figure 3) via la vanne 30 et l'échangeur de chaleur 42, dans lequel la température des gaz est abaissée. Le débit est faible d'une part en raison de la faible section du premier siège 54 et, d'autre part, parce que l'échangeur de chaleur 42 représente une perte de charge importante vis-à-vis des gaz en recirculation. Au contraire, lorsque le moteur fonctionne à faible charge, l'unité centrale 48 envoie à l'actionneur 46 un ordre d'un niveau plus élevé, qui provoque un deuxième déplacement de la tige 52, jusqu'à la position illustrée dans la figure 4. Le déplacement est si important que l'épaulement 66 rejoint le deuxième opercule 60 et le soulève du deuxième siège associé 56. Cela ouvre le passage de l'orifice d'entrée 32 jusqu'à l'orifice de sortie 36, de sorte qu'il s'établit à un écoulement de gaz, symbolisé par les flèches B. Ce mouvement n'a pas essentiellement modifié la situation entre l'opercule 58 et le siège 54, et il continue de s'écouler des gaz depuis l'orifice d'entrée 32 jusqu'à l'orifice de sortie 34, symbolisé par les flèches A, mais la grande taille du deuxième siège 56, combinée avec la quasi-absence de perte de charge dans le conduit 38, ont pour résultat que la majeure partie des gaz recirculés empruntent donc le conduit sans échangeur. On obtient ainsi à la fois une augmentation importante du débit total, et une absence de refroidissement de ces gaz recirculés, comme désiré dans ces phases de fonctionnement du moteur à faible charge. L'actionneur 46 pourra être du type électrique ou pneumatique, et de façon générale de tout type connu en matière d'actionneurs pour l'industrie automobile. On comprend que la vanne selon l'invention est composée d'un petit nombre de composants que l'on peut fabriquer aisément et à faible coût, même si l'on tient compte de ce que les matériaux doivent résister aux hautes températures des gaz d'échappement. De plus, il n'est pas imposé de respecter des tolérances étroites. Avantageusement, la vanne 30 est intégrée à l'échangeur de chaleur 42, ce qui simplifie la fabrication et le montage, en particulier grâce à la disparition au moins partielle des conduits de liaison entre la vanne 30 et l'échangeur 42 REVENDICATIONS 1. Vanne de commande (30) pour un circuit de recirculation (26) des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (10), comprenant un orifice d'entrée (32) à raccorder au collecteur d'échappement (22) du moteur à combustion interne, un premier orifice de sortie (34) à raccorder à un échangeur de refroidissement (42) lui-même en communication avec le collecteur d'admission (14) du moteur à combustion interne et un deuxième orifice de sortie (36) à raccorder au collecteur d'admission d'air (12) du moteur à combustion interne, et un opercule de vanne destiné à commander le passage depuis l'orifice d'entrée (32) vers le premier orifice de sortie (34) ou vers le deuxième orifice de sortie (36), caractérisée en ce que ledit opercule (58) est associé à un premier siège de vanne (54) du premier orifice de sortie (34), et en ce qu'elle comprend un deuxième opercule de vanne (60) associé à un deuxième siège de vanne (56) du deuxième orifice de sortie (36). 2. Vanne de commande selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux opercules de vanne (58,60) sont actionnés par un élément d'actionnement (52) unique. 3. Vanne de commande selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément d'actionnement est une tige (52) mobile selon sa direction axiale via un actionneur (46). 4. Vanne de commande selon la revendication 3, caractérisée en ce que la tige (52) porte l'un des opercules (58) de manière solidaire, et l'autre opercule (60) via une liaison à course morte. 5. Vanne de commande selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit autre opercule (60) est monté coulissant le long de la tige (52), en ce qu'un ressort (64) repousse cet opercule (60) constamment en direction du siège (56), et en ce que la tige (52) comporte un épaulement (66) tourné vers cet autre opercule (60), écarté de celui-ci en position de repos de la tige et susceptible de venir engager cet opercule (60) et le soulever de son siège associé (56) en fonctionnement. 6. Vanne de commande selon l'une ou l'autre des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le premier opercule (58) repose sur le premier siège de vanne associé (54) en position de repos de la tige (52), et est soulevé de ce siège (54) suite à un premier déplacement axial de la tige (52) jusqu'à une première position de fonctionnement, dans laquelle le deuxième opercule (60) n'est pas soulevé de son siège associé (56). 7. Vanne de commande selon la revendication 6, caractérisée en ce que, suite à un deuxième déplacement axial de la tige (52) jusqu'à une deuxième position de fonctionnement, le deuxième opercule (60) est aussi soulevé de son siège associé (56). 8. Vanne de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier siège de vanne (54) a un diamètre inférieur au deuxième siège de vanne (56).