Brevet FR2861137A1 — publié le 20050422

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PREPARATION D'UN MELANGE HOMOGENE DE FLUIDES GAZEUX POUR MOTEUR La présente invention concerne, de façon générale la préparation d'un mélange pour une chambre de combustion d'un moteur thermique tel qu'un moteur diesel et plus particulièrement un dispositif et un procédé pour préparer un tel mélange. Plus particulièrement, l'invention concerne selon un premier aspect, un dispositif pour former un mélange homogène d'un premier et d'un second fluides gazeux, comprenant une première entrée pour le premier fluide, une seconde entrée pour le second fluide, une chambre annulaire reliée à la première entrée, une chambre centrale reliée à la seconde entrée et entourée par la chambre annulaire, des moyens pour faire tourbillonner, respectivement dans les chambres annulaire et centrale, les premier et second fluides gazeux avec une vitesse angulaire relative non nulle autour d'une direction d'écoulement qui leur est commune, et une chambre de mélange constituée par un prolongement de la chambre annulaire dans lequel débouche la chambre centrale. L'invention concerne également, selon un second aspect, un procédé de préparation d'un mélange homogène par injection dans une chambre de mélange, de premier et second fluides gazeux, le premier fluide étant injecté sous la forme d'un anneau périphérique entourant le second fluide, les premier et second fluides injectés étant respectivement animés de premier et second mouvements de rotations à des vitesses de rotations différentes l'une de l'autre, autour d'une direction d'écoulement qui leur est commune, l'un des fluides contenant un comburant gazeux tel que de l'air. L'utilisation de gaz dits de recirculation ou EGR ou gaz recyclés dans les chambres de combustion d'un moteur alternatif et plus particulièrement d'un moteur à allumage par compression est bien connue de l'homme du métier. Les gaz recyclés sont des gaz issus de la combustion des cycles précédents et sont donc appauvris en oxygène. Ils sont utilisés, mélangés avec l'air, pour réduire les émissions polluantes comme les émissions d'oxydes d'azote ou pour contrôler le déroulement de la combustion. Plus précisément le temps d'allumage d'un mélange air / carburant contenant des gaz recyclés est plus important que celui d'un mélange équivalent n'en contenant pas. Il est donc possible de retarder l'allumage d'un mélange air / carburant en y adjoignant des gaz recyclés jusqu'à une limite maximale de concentration au-delà de laquelle la combustion du carburant sera difficile et incomplète, au risque de produire des particules polluantes. On parle d'EGR externe lorsque l'alimentation en gaz recyclés s'effectue par un circuit localisé hors de la chambre de combustion et d'EGR interne lorsque ces gaz résiduels de la combustion sont restés piégés dans la chambre de combustion. L'invention proposée se rapporte principalement à la gestion de l'EGR externe et à la préparation d'un mélange homogène d'air et de gaz brûlés recyclés. Ce mélange étant admissible dans la chambre d'un moteur pour réduire le bruit et les pollutions générées par ce moteur. Une des difficultés liée à l'injection de gaz brûlés recyclés dans les gaz d'admission est le contrôle de l'homogénéisation du mélange entre l'air et les gaz brûlés recyclés. En effet il est souvent souhaitable d'avoir une dispersion la plus faible possible dans les proportions de gaz brûlés entre les différents cylindres d'un même moteur pour un point de fonctionnement donné. Toute dispersion non souhaitée dans la répartition entre cylindres de l'air et des gaz brûlés recyclés peut se traduire par une augmentation des émissions polluantes. Cette homogénéité dans la composition des gaz admis ne peut être obtenue en pratique qu'en homogénéisant les gaz en amont des cylindres, la qualité du mélange gazeux dans le répartiteur d'admission est donc primordiale. Dans les solutions mises en oeuvre à l'heure actuelle, les gaz brûlés sont introduits par des conduits simples débouchant dans le répartiteur d'admission. En fonction de la localisation de ces piquages et de l'écoulement à l'intérieur du répartiteur et éventuellement du point de fonctionnement du moteur, les gaz brûlés recyclés sont distribués de façon plus ou moins homogène. De plus la mise au point du système est souvent 25 relativement délicate et extrêmement spécifique à l'application envisagée. Actuellement, les taux de gaz brûlés utilisés sur les moteurs de série restent pour le moment limités; en particulier aux fortes pressions moyennes effectives (couple spécifique). Toutefois, le taux de gaz brûlés recyclés admis dans les moteurs par rapport aux autres fluides devrait augmenter de plus en plus afin de permettre une réduction des émissions polluantes des véhicules. Des processus de combustion innovants nécessitent même des taux de gaz brûlés recyclés supérieurs ou égaux à 50% (les gaz admis dans les cylindres étant alors constitués d'air pour moitié et de gaz brûlés recyclés pour l'autre). C'est une des raisons pour lesquelles de nombreux motoristes ont développé divers dispositifs et procédés visant à réaliser des mélanges homogènes de fluides gazeux. Un dispositif pour former un mélange homogène de premier et second fluides gazeux du type précédemment défini, est par exemple décrit dans le document brevet US 5, 865, 024-Al. Ce document présente un système de mélange de fluides comprenant une chambre annulaire dans laquelle est injecté un premier fluide composé d'air et d'un carburant gazeux, et une chambre centrale dans laquelle est injecté un second fluide composé d'air. Les premier et second fluides sont respectivement mis en rotation en sens inversés autour d'une direction d'écoulement qui leur est commune. Un second carburant liquide est injecté par un injecteur situé dans la chambre centrale. Les premier et second fluides contiennent tous deux de l'air provenant d'une même entrée principale du dispositif ce qui rend difficile la réalisation d'un mélange à taux réglables de premier et second fluides. Ce dispositif ne permet pas de réaliser un mélange homogène de gaz brûlés recyclés et de comburant. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé permettant de réaliser aussi simplement que possible un mélange homogène dont le taux des premier et second fluides dans la chambre de mélange soit réglable. Le dispositif doit être compact et facile à intégrer dans un moteur à combustion interne tel qu'un moteur diesel. La présente invention a également pour but de proposer un procédé de mélange pour la préparation d'un mélange homogène pour moteur contenant des gaz brûlés recyclés. A cette fin, le dispositif de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisée en ce qu'il comprend une paroi continue isolant la chambre annulaire de la seconde entrée. A cette fin également, le procédé de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisée en ce que l'autre fluide contient des gaz brûlés provenant de la combustion dans une chambre de combustion d'un moteur, de carburant et de comburant, les premier et second fluides gazeux provenant d'entrées de fluides séparées l'une de l'autre. La première entrée d'admission du premier fluide étant séparée de la seconde entrée pour le second fluide, les débits de chacun de ces fluides dans chacune de ces entrées peuvent être ajustés indépendamment l'un de l'autre. Cette solution de séparation des deux entrées de fluides est particulièrement simple à mettre en oeuvre, compacte et peu coûteuse à réaliser. L'homogénéisation du mélange est obtenue en créant deux veines fluides indépendantes l'une de l'autre et en appliquant à chacune de ces veines fluides un mouvement de rotation autour d'une direction d'écoulement commune. Les vitesses de rotations de ces fluides étant différentes l'une de l'autre, un cisaillement est induit entre les veines fluides au moment où elles entrent en contact l'une avec l'autre, c'est à dire après leurs passages dans la chambre de mélange. La différence de vitesse angulaire et / ou longitudinale entre les deux veines fluides crée des instabilités entre les couches de gaz, et génère des structures tourbillonnaires aptes à mélanger rapidement les deux fluides gazeux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe 25 longitudinale d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue schématique transversale de l'écoulement des fluides dans un dispositif selon l'invention; la figure 3 représente une vue en coupe transversale selon un plan de coupe B-B d'un dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une vue en perspective cavalière du dispositif selon l'invention; la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention; la figure 6 représente une vue en coupe 5 transversale selon un plan de coupe B-B d'un dispositif selon le second mode de réalisation de l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un dispositif compact pour créer un mélange 18 homogène 10 des gaz brûlés recyclés d'un moteur avec un comburant. Le dispositif 1, comprend une première entrée 4 pour le premier fluide 2, une seconde entrée 5 pour le second fluide 3, qui sont respectivement des gaz brûlés et un comburant tel que de l'air. Une chambre annulaire 6 est reliée à la première entrée 4 et une chambre centrale 7 est reliée à la seconde entrée 5. La chambre centrale 7 est entourée par la chambre annulaire 6, ces chambres sont généralement symétriques et coaxiales autour d'un axe 9 aussi appelé direction d'écoulement des fluides 2 et 3. Des moyens 8 pour faire tourbillonner, sont respectivement implantés dans les chambres annulaire et centrale 6, 7, afin de faire tourbillonner respectivement les premier et second fluides gazeux 2, 3 à des vitesses de rotations différentes, autour de la direction d'écoulement 9. Une chambre de mélange 10 est constituée par un prolongement de la chambre annulaire 6 dans lequel débouche la chambre centrale 7. Cette chambre de mélange est adaptée pour recevoir les deux écoulements tourbillonnaires coaxiaux des fluides 2 et 3 et créer un mélange 18 homogène des premier et second fluides 2 et 3. Une paroi continue 11 isole la chambre annulaire 6 de la seconde entrée 5 qui est reliée à la chambre centrale 7. Cette paroi 11 est formée par un disque 19 obturant l'extrémité de la chambre annulaire qui est située du côté opposé de la chambre annulaire dans lequel est formée la chambre de mélange 10. Ce disque 19 est évidé en son centre pour laisser un passage pour accueillir la chambre centrale 7. Selon une variante de l'invention, le disque 19 sert de pièce de liaison mécanique entre la chambre annulaire 6 qui est formée par un premier conduit cylindrique 20 et la chambre centrale 7 qui est formée par un second conduit 21. Ainsi le premier conduit 20 est relié de façon étanche à la portion cylindrique extérieure du disque 19 et le second conduit 21 est relié de façon étanche à la portion cylindrique intérieure du disque 19. Les moyens pour faire tourbillonner 8 comprennent des premier et second groupe de pales 14 et 15 qui permettent de modifier les écoulements respectifs des première et seconde veines fluides. L'écoulement de chaque veine fluide peut être défini par un taux de rotation correspondant au rapport de la vitesse angulaire (vitesse angulaire de rotation du fluide autour de la direction d'écoulement) sur la vitesse axiale (vitesse de déplacement du fluide selon la direction d'écoulement). Par convention ce taux de rotation est orienté positivement lorsque le fluide se dirigeant vers l'observateur tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Les taux de rotations des première et seconde veines fluides sont différents entre eux et selon une variante de l'invention décrite à la figure 3, sont de signes opposés, de façon à créer plus rapidement un mélange homogène de gaz brûlés recyclés et de comburant apte à être injecté dans une chambre de combustion de moteur. Le premier groupe de pales 14 est implanté dans la chambre annulaire 6 et permet de faire tourbillonner le premier fluide 2 autour de l'axe 9, selon une première vitesse de rotation et à un premier taux de rotation. Le second groupe de pales 15 est implanté dans la chambre centrale 7 et permet de faire tourbillonner le second fluide 3 autour de l'axe 9, selon une seconde vitesse angulaire et à un second taux de rotation. Selon une variante de l'invention, les sens de rotation des premier et second fluides sont opposés afin d'augmenter l'effet de cisaillement et corrélativement de mélange de ces fluides. Cette opposition de sens de rotation est créée en orientant les bords d'attaques des pales ou ailettes situées dans la chambre centrale 7 dans un sens contraire de l'orientation des bords d'attaque des pales ou ailettes situées dans la chambre annulaire 6. Selon une variante de l'invention, la vitesse angulaire de l'un au moins des fluides gazeux est contrôlée par des moyens de contrôle de vitesse. Ces moyens de contrôle de vitesse peuvent être des pales à pas variables et/ou des vannes de contrôle de débit. Les pales à pas variables sont implantées dans la chambre centrale et/ou dans la chambre annulaire pour interférer avec l'écoulement du premier fluide et/ou du second fluide et ainsi en modifier les taux de rotations de ces veines fluides. Le ou les moyens de contrôle de vitesses des fluides sont adaptés pour faire varier la vitesse (angulaire et éventuellement longitudinale) du ou des fluides en fonction du point de fonctionnement du moteur et ainsi optimiser le compromis entre la perte de charge induite par le dispositif et la vitesse de réalisation du mélange homogène. L'exemple de réalisation de l'invention représenté sur les figures 5 et 6 permet de faire varier et régler le ou les taux de rotations et également le sens de rotation de chaque veine fluide en utilisant des pales 23 ou des ailettes 16 à pas variables. Ces pales 23 ou ailettes 16 à pas variables sont positionnées dans la chambre annulaire 6. Les pales à pas variables 23 sont par exemple orientées par des systèmes de poussoir ou de crémaillère coulissants selon des axes parallèles à la direction d'écoulement 9 des fluides et venant se fixer sur un point excentré de l'axe rotation 22 de chaque pale 23. Ce système permet d'orienter simultanément plusieurs pales 23. Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupes tangentielles du dispositif 1 dans lesquelles les premier et second fluides gazeux 2 et 3 tournent autour de la direction d'écoulement 9 selon des sens 12 et 13 respectivement opposés entre eux. Les moyens pour faire tourbillonner 8 qui sont 35 représentés sur la figure 3, sont formés de deux groupes de pales fixes placés respectivement dans la chambre annulaire 6 et dans la chambre centrale 7, les deux chambres étant séparées l'une de l'autre par la paroi continue 11. Le premier groupe de pales fixes 14 de la chambre annulaire 6 est orienté selon un premier sens et le second groupe de pales fixes 15 de la chambre centrale 7 est orienté selon un second sens opposé au premier sens. La première entrée 4 représentée sur cette figure 3 est axée symétriquement sur le dispositif 1, toutefois, comme cela est représenté sur la figure 4, cette première entrée 4 peut être disposée tangentiellement par rapport à la chambre annulaire 6 de manière à initier le mouvement tourbillonnaire du premier fluide 2 dans cette chambre. Il peut en être de même pour la liaison entre la seconde entrée 5 et la chambre centrale 7. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 5 et 6, la chambre centrale 7 est à géométrie variable. Une pièce aérodynamique 17 est mobile en translation à l'intérieur de la chambre centrale, selon la direction d'écoulement 9. Cette pièce aérodynamique 17 a une portion de forme complémentaire de la forme d'une partie de la chambre centrale 7, de telle façon qu'elle puisse être plaquée contre cette partie de la paroi de la chambre centrale 7 pour en obturer la sortie. La pièce aérodynamique 17 qui à la forme d'une ogive, permet ainsi de limiter la perte de charge du dispositif et d'obturer plus ou moins la sortie de fluide de la chambre centrale. Des ailettes 24 sont fixées sur la pièce aérodynamique 17 et viennent coulisser par mouvement de translation de la pièce aérodynamique 17 selon la direction 9 dans des fentes 25 pratiquées dans la partie interne de la paroi de la chambre centrale 7. La pièce aérodynamique 17 étant également mobile en rotation selon la direction 9, les ailettes 24 qui sont montées coulissantes dans les fentes 25 entraînent également en rotation la chambre centrale qui est symétrique par rapport à la direction 9. Ce mouvement de rotation de l'ensemble formé de la pièce aérodynamique 17, des ailettes 24 et de la chambre centrale 7 permet de favoriser la création de turbulences dans le second fluide s'écoulant dans la chambre centrale 7. Des pales à pas variables 23 orientées selon le système décrit précédemment sont assemblées mobiles autour d'axes de rotation 22 sur la partie externe de la paroi de la chambre centrale. Ces pales à pas variables 23 perturbent l'écoulement du premier fluide 2 à l'intérieur de la chambre annulaire 6 et y créent des tourbillons. Le dispositif 1 représenté sur les figures 5 et 6 est mis en fonctionnement en appliquant un mouvement de rotation de la pièce aérodynamique 17 autour de la direction d'écoulement 9, ce qui entraîne en rotation les ailettes 24 de la chambre centrale 7 et les pales orientables 23 de la chambre annulaire 6. Le passage du second fluide 3 de la chambre centrale 7 vers la chambre de mélange 10 est contrôlé en déplaçant la pièce aérodynamique 17 selon la direction 9 par rapport à la chambre centrale 7. Le dispositif selon l'invention peut être facilement implanté dans un moteur à explosion comprenant une chambre de combustion, des moyens d'admission d'un mélange de gaz brûlés recyclés et de comburant et des moyens d'échappement. L'une des entrées 4 ou 5 du dispositif de mélange 1 est avantageusement reliée aux moyens d'échappement pour recevoir des gaz brûlés recyclés et l'autre entrée du dispositif 1 est avantageusement reliée à une prise d'admission en air filtré. La sortie du dispositif de mélanges 1 par laquelle sort le mélange homogène 18 est quant à elle reliée à ladite entrée d'admission en gaz brûlés recyclés et en comburant du moteur. 14 REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) pour former un mélange homogène (18) d'un premier et d'un second fluides gazeux (2, 3), comprenant une première entrée (4) pour le premier fluide (2), une seconde entrée (5) pour le second fluide (3), une chambre annulaire (6) reliée à la première entrée (4), une chambre centrale (7) reliée à la seconde entrée (5) et entourée par la chambre annulaire (6), des moyens (8) pour faire tourbillonner, respectivement dans les chambres annulaire et centrale (6, 7), les premier et second fluides gazeux (2, 3) avec une vitesse angulaire relative non nulle autour d'une direction d'écoulement (9) qui leur est commune, et une chambre de mélange (10) constituée par un prolongement de la chambre annulaire (6) dans lequel débouche la chambre centrale (7), caractérisé en ce qu'il comprend une paroi continue (11) isolant la chambre annulaire (6) de la seconde entrée (5). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens (8) pour faire tourbillonner les premier et second fluides (2, 3) sont adaptés pour faire tourbillonner ces premier et second fluides autour de la direction d'écoulement commune (9) selon des sens de rotation inversés (12, 13). 3. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la vitesse angulaire relative entre les premier et second fluides gazeux (2, 3) est contrôlée par des moyens de contrôle de vitesse. 10 25 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens pour faire tourbillonner (8), comprennent un premier groupe de pales (14) implantées dans la chambre annulaire (6). 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens pour faire tourbillonner (8), comprennent un second groupe de pales (15) implantées dans la chambre centrale (7). 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comporte des pales à pas variables (16). 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 15 1 à 6 caractérisé en ce que l'une au moins des chambres est à géométrie variable (7). 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte une pièce aérodynamique (17) mobile axialement à l'intérieur de la chambre centrale (7) selon la direction d'écoulement (9) des fluides (2, 3). 9. Dispositif (1) selon la revendication 8 caractérisé en ce que la pièce aérodynamique (17) est également montée à rotation autour de la direction d'écoulement des fluides (9) et porte un groupe de pales (15) ou ailettes (24). 10. Procédé de préparation d'un mélange homogène (18) par injection dans une chambre de mélange (10), de premier et second fluides 30 gazeux (2, 3) , le 'premier fluide (2) étant injecté sous la forme d'un anneau périphérique entourant le second fluide (3), les premier et second fluides (2, 3) injectés étant respectivement animés de premier et second 35 mouvements de rotations (12, 13) à des vitesses de rotations différentes l'une de l'autre, autour d'une direction d'écoulement (9) qui leur est commune, l'un des fluides (3) contenant un comburant gazeux, le procédé étant caractérisé en ce que l'autre fluide (2) contient des gaz brûlés provenant de la combustion dans une chambre de combustion d'un moteur, de carburant et de comburant, les premier et second fluides gazeux (2, 3) provenant d'entrées de fluides (4, 5) séparées l'une de l'autre.