Brevet FR2889246A1 — publié le 20070202

"Groupe motopropulseur comportant des moyens pour augmenter le taux de recirculation des gaz d'échappement" L'invention concerne un groupe motopropulseur comportant des moyens pour augmenter le taux de recirculation des gaz 5 d'échappement. La présente invention concerne plus particulièrement un groupe motopropulseur de véhicule automobile, du type comportant: - un circuit d'admission d'air comprenant un collecteur io d'admission des gaz frais raccordé à un orifice d'alimentation d'au moins une chambre à combustion du moteur; - un circuit d'échappement comprenant un collecteur d'échappement des gaz brûlés raccordé à un orifice d'échappement d'au moins une chambre à combustion du moteur; - un circuit de recirculation des gaz d'échappement (EGR) du moteur raccordé par son entrée au collecteur d'échappement et raccordé par sa sortie au collecteur d'admission des gaz frais et des moyens de commande du débit des gaz dans le circuit de recirculation. Les moteurs à combustion interne produisent et émettent dans les gaz d'échappement des substances polluantes toxiques, en particulier des oxydes d'azote ou NOx. Or, les normes antipollution applicables aux véhicules automobiles imposent aux constructeurs des quantités maximales de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère qui doivent être de plus en plus faibles. La recirculation des gaz d'échappement, encore appelée EGR pour "Exhaust Gas Recirculation" en terminologie anglaise, consiste à injecter ou réinjecter une partie des gaz brûlés dans une chambre de combustion de cylindre. La recirculation des gaz d'échappement est une des solutions permettant d'obtenir une réduction importante des rejets et de satisfaire aux normes antipollution. En effet, il est connu que la recirculation d'au moins une partie des gaz d'échappement vers l'admission du moteur à combustion interne permet d'abaisser la température de combustion, et donc de réduire la quantité des oxydes d'azote ou NOx émis par le moteur. Plus précisément, la réaction de formation des oxydes d'azote est favorisée par une température élevée car les oxydes d'azote se forment principalement dans les zones de la chambre de combustion du cylindre dans lesquelles la richesse du mélange io air-carburant est proche du rapport stoechiométrique. La recirculation des gaz d'échappement repose donc sur les propriétés thermodynamiques des gaz d'échappement qui, contenant une fraction importante de dioxyde de carbone, ont une capacité calorifique supérieure à celle des autres espèces is majoritairement présentes dans l'air atmosphérique telles que l'azote et l'oxygène. Ainsi, lors du dégagement d'énergie provoqué par la combustion du carburant, le dioxyde de carbone absorbe une quantité d'énergie plus importante que celle qui serait absorbée par les autres espèces majoritairement présentes dans l'air frais. Par conséquent la température des gaz dans la chambre de combustion est réduite ce qui diminue fortement la quantité d'oxydes d'azote produite. Or, la quantité de gaz rejetés dans le circuit d'échappement diminue en même temps que la charge du moteur diminue, si bien qu'à un certain niveau de charge les gaz d'échappement circulent peu dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement, au même titre que cette faible quantité de gaz d'échappement ne permet pas à une turbine d'une machine de suralimentation, telle qu'un turbo-compresseur, d'être entraînée efficacement en rotation par les gaz d'échappement. Cette constatation est d'autant plus vraie que les circuits de recirculation des gaz d'échappement sont souvent connectés au circuit d'échappement en fonction de la place disponible, souvent au détriment d'un bon écoulement des gaz dans le circuit d'EGR. Il est connu d'utiliser des procédés afin d'améliorer l'écoulement des gaz d'échappement dans le circuit d'échappement notamment pour alimenter une machine de suralimentation. Par exemple le document BE-A-759.780 propose de moduler les ondes de pressions issues des chambres de io combustion du moteur en faisant des ajutages sur le circuit d'échappement pour alimenter une machine de suralimentation. D'autres procédés connus comme le collecteur d'échappement dit "Pulse" permettent, de par la forme et l'agencement de leurs conduits, d'améliorer l'écoulement des is bouffées d'échappement et la propagation des ondes de pression produites par et dans les gaz d'échappement. L'invention vise à améliorer la circulation et à augmenter la quantité de gaz dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement. Dans ce but l'invention propose un moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, du type mentionné précédemment, caractérisé en ce que le circuit d'échappement comporte des moyens favorisant la formation d'ondes de pression et/ou favorisant un écoulement fluide des gaz d'échappement pour améliorer leur écoulement dans le circuit de recirculation des gaz d'échappement. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le collecteur d'échappement est du type dit "Pulse" qui comporte un conduit principal raccordé à des conduits secondaires orientés dans le sens de l'écoulement des gaz et raccordés aux orifices d'échappement des chambres à combustion du moteur, l'axe du tronçon de sortie de chaque conduit secondaire et l'axe du conduit principal forment un angle aigu, et le conduit principal et l'entrée du circuit de recirculation des gaz d'échappement sont raccordés dans le prolongement et dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement; - le groupe motopropulseur comporte un turbo- compresseur dont la turbine est raccordée au circuit d'échappement du moteur en aval desdits moyens favorisant la formation d'ondes de pression et/ou favorisant un écoulement fluide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la io compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma en vue de dessus représentant un groupe motopropulseur comportant un circuit de recirculation des gaz selon l'état de la technique; - la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1 représentant le circuit de recirculation des gaz d'échappement et un collecteur d'échappement du type "Pulse" selon un premier exemple de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un collecteur d'échappement du type "Pulse" de la figure 1; - la figure 4 est un schéma analogue à celui de la figure 2 représentant un groupe motopropulseur selon l'invention comportant de plus un turbocompresseur de suralimentation; - la figure 5 est une vue de détail d'un collecteur de type "Pulse" de la figure 3; - la figure 6 est une vue de détail d'un collecteur de type "Pulse" de la figure 3 selon un mode de réalisation comportant une machine de suralimentation; Afin de faciliter la compréhension de la description, ainsi que des revendications, on utilisera une orientation amont, aval correspondant au sens de l'écoulement des gaz dans les différents circuits, de la gauche vers la droite conformément à la figure 1. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un moteur à combustion 10, ici à quatre cylindres Cl, C2, C3 et C4 délimitant chacun une chambre de combustion 12. De manière connue, une telle chambre de combustion 12 s est délimitée, axialement suivant l'axe du cylindre formé dans le bloc moteur 14, dans sa partie inférieure par la face supérieure d'un piston (non représenté) qui coulisse dans le cylindre-ci selon un mouvement alternatif de va-etvient, et dans sa partie supérieure par la face inférieure d'une culasse (non représentée) io du moteur 10. Le moteur 10 comporte, d'aval en amont, un circuit d'admission d'air 16 et ou de mélange air-carburant, un circuit d'échappement 18, ainsi qu'un circuit de recirculation 20 des gaz d'échappement. Le circuit d'admission d'air 16 comporte un collecteur d'admission 22 qui alimente chaque chambre de combustion 12 du moteur 10. Le collecteur d'admission 22 comporte un conduit principal 24, ou plenum, qui se divise en plusieurs conduits secondaires 26. Les conduits secondaires 26 sont raccordés aux chambres de combustion 12. Le circuit d'échappement 18 permet d'évacuer vers un conduit d'échappement 27 les gaz brûlés dans les chambres de combustion 12. Le circuit comporte à cet effet un collecteur d'échappement 28 qui comporte un conduit principal 30, ou plenum, et des conduits secondaires 32 qui sont raccordés entre les chambres de combustion 12 et le conduit principal 30. Le circuit de recirculation des gaz d'échappement 20 30 comporte au moins un conduit de recirculation 34 et une vanne de recirculation 36. Le conduit de recirculation 34 comporte un tronçon d'extrémité d'échappement 37 qui est raccordé au circuit d'admission 16 et un tronçon d'extrémité d'admission 35 qui est raccordé au circuit d'échappement 18. La vanne 36 permet d'ouvrir et de fermer le circuit de recirculation des gaz d'échappement afin d'alimenter ou non le circuit d'admission 16 en gaz d'échappement et de réguler le débit ou la quantité des gaz recirculés. Ainsi agencé, le circuit de recirculation des gaz d'échappements 20 permet de faire circuler, de manière commandée, une partie des gaz d'échappement du circuit io d'échappement 18 vers le circuit d'admission 16. La figure 2 représente un moteur à combustion tel que précédemment décrit mais comportant un collecteur de gaz d'échappement 28 et un circuit de recirculation 20 selon l'invention. Le collecteur de gaz d'échappement 28 est du type dit "Pulse". Il comporte essentiellement les mêmes éléments que le collecteur d'échappement 18 de la figure 1, à savoir le conduit principal 30 et les conduits secondaires 32. Le conduit principal 30 a pour axe principal d'écoulement l'axe A. Chaque conduit secondaire 32 comporte un axe principal d'écoulement, l'axe B, et un tronçon d'extrémité de sortie 33. Le tronçon d'extrémité de sortie 33 a une forme approximative d'un quart de cercle et est raccordé au conduit principal 30 du collecteur d'admission 28. L'axe B du tronçon d'extrémité de sortie 33 et l'axe A du conduit principal 30 forment un angle aigu a, comme représenté à la figure 5. Le tronçon d'extrémité d'admission 35 du conduit de recirculation 34 est raccordé dans le prolongement et à l'extrémité avale du conduit principal 30 du collecteur d'échappement 28. Les gaz brûlés sont expulsés des chambres de combustion 12 en générant ce que l'on appelle des bouffées d'échappement. Un collecteur du type "Pulse" favorise la formation d'ondes de pressions générées par les bouffées d'échappement. Il permet aussi aux gaz d'échappement de perdre moins de vitesse qu'avec un collecteur classique. L'invention permet d'améliorer la circulation des gaz d'échappement dans le circuit de recirculation 20 des gaz d'échappement en bénéficiant des avantages du collecteur du type "Pulse". Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 4, le moteur est suralimenté au moyen d'un turbo-compresseur 50. Le turbo-compresseur 50 comporte un compresseur 52 qui io met sous pression l'air atmosphérique d'admission et une turbine 54 qui est alimentée par des gaz du conduit d'échappement 27 et qui fournit l'énergie mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur 52. L'air frais atmosphérique est acheminé au compresseur par le biais d'un conduit d'alimentation 57 du compresseur 52 en passant préalablement par un filtre à air 58 de façon à empêcher les poussières de l'air atmosphérique d'entrer dans le compresseur 52. Un circuit de décharge 60 est raccordé en amont de la turbine 54 au conduit 27 par un conduit de dérivation 62 et est raccordé au conduit d'échappement 66 par un conduit 64. Le circuit de décharge 60 comporte une vanne de décharge 68 grâce à laquelle un éventuel surplus de gaz d'échappement peu être dérivé du conduit 27 vers le conduit d'échappement 66 sans passer par la turbine 54. La compression de l'air atmosphérique dans le compresseur 52 provoque une augmentation de sa température. C'est la raison pour laquelle, le conduit d'admission 24 qui relie la sortie du compresseur 52 au collecteur d'admission 22 comporte de préférence un dispositif refroidisseur d'air 70 afin de limiter l'augmentation de la température des gaz injectés dans les chambres de combustion 12. La sortie du collecteur d'échappement 28 comporte ici un premier tronçon d'extrémité 55 raccordé au conduit d'échappement 27 et un second tronçon d'extrémité 56 raccordé au tronçon d'extrémité d'admission 35 du conduit de recirculation 34. Selon ce mode de réalisation, le collecteur d'échappement 28 du type "Pulse" profite au circuit de recirculation des gaz d'échappement 20 et au turbo-compresseur 50. A cet effet, les orientations et les conformations des io tronçons de raccordement 55 et 56 de la sortie du collecteur "Pulse" sont telles que les tronçons sont orientés dans le sens de l'écoulement des gaz et que leur axe respectif forment un angle aigu 8, comme représenté à la figure 6. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne (10), notamment pour véhicule automobile, du type comportant: - un circuit d'admission d'air (16) comprenant un collecteur d'admission (22) des gaz frais raccordé à un orifice d'alimentation d'au moins une chambre de combustion (12) du moteur (10); un circuit d'échappement (18) comprenant un collecteur d'échappement (28) des gaz brûlés raccordé à un orifice d'échappement d'au moins une chambre de combustion (12) du io moteur (10); - un circuit de recirculation (20) des gaz d'échappement du moteur (10) raccordé par son entrée au collecteur d'échappement (28) et raccordé par sa sortie au collecteur d'admission (22) des gaz frais et comportant un organe de fermeture (36) du circuit de is recirculation (20); caractérisé en ce que le circuit d'échappement (18) comporte des moyens (28) favorisant la formation d'ondes de pression et/ou favorisant un écoulement fluide des gaz d'échappement pour améliorer leur écoulement dans le circuit de recirculation (20) des gaz d'échappement. 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur d'échappement (28) est du type dit "Pulse" qui comporte un conduit principal (30) raccordé à des conduits secondaires (32) orientés dans le sens de l'écoulement des gaz et raccordés aux orifices d'échappement des chambres à combustion (12) du moteur (10), en ce que l'axe (B) du tronçon de sortie (33) de chaque conduit secondaire (32) et l'axe (A) du conduit principal (30) forment un angle aigu (a), et en ce que le conduit principal (30) et l'entrée du circuit de recirculation (20) des gaz d'échappement sont raccordés dans le prolongement et dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement. io 3. Moteur à combustion selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moteur comporte un turbo-compresseur (50) dont la turbine (54) est raccordée au circuit d'échappement (18) du moteur (10) en aval desdits moyens (28) favorisant la formation d'ondes de pression et/ou favorisant un écoulement fluide.