Brevet FR2894294A1 — publié le 20070608

Dispositif de vanne de recyclage de gaz d'échappement. La présente invention concerne le domaine du recyclage des gaz d'échappement dans un moteur à combustion interne. Les moteurs à combustion interne sont parfois pourvus d'un circuit permettant de dériver une partie des gaz d'échappement pour les introduire dans le circuit d'admission et les mélanger à l'air d'admission. Par ailleurs, le mode de combustion dit homogène est de plus en plus envisagé pour améliorer les moteurs Diesel. On peut se rapporter à cet égard à l'article de B. Walter et B. Gatellier, dans la revue de l'IFP, volume 58 (2003), n 1, pages 101 à 114. La combustion homogène présente l'avantage de réduire drastiquement la production d'oxyde d'azote et de particules, remédiant ainsi à un défaut des moteurs Diesel conventionnels. Toutefois, la combustion homogène génère un bruit important. Pour diminuer le bruit d'un moteur Diesel à combustion homogène, une possibilité consiste à diluer les gaz dans la chambre de combustion avec des gaz neutres, notamment provenant du recyclage des gaz d'échappement. Les gaz d'échappement recyclés permettent de réchauffer les gaz d'admission, d'où un meilleur phasage de la combustion, de diluer les gaz d'admission, d'où un contrôle de la durée de combustion, et d'avoir des températures de combustion plus faibles, d'où une production d'oxyde d'azote réduite. L'obtention de ces avantages nécessite un contrôle précis de taux de gaz d'échappement recyclés, d'où un besoin d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement très précise et très fiable. Or, les vannes de recyclage des gaz d'échappement actuelles ne donnent pas satisfaction. Une vanne de recyclage des gaz d'échappement peut se présenter sous la forme d'une soupape qui permet de faire passer entre le conduit d'échappement et le conduit d'admission les gaz d'échappement recyclés nécessaires à la combustion. La soupape comprend un disque mobile axialement coopérant avec un siège de soupape. Mais la quantité de gaz d'échappement recyclés n'est pas contrôlée précisément et les soupapes présentent de nombreuses pannes dues à l'encrassement. Les documents US 6 604 542, US 6 886 546, US 6 904 897 et US 2003/0168 111 décrivent des vannes de recyclage de gaz d'échappement à soupapes. Une vanne de recyclage des gaz d'échappement peut également se présenter sous la forme d'un papillon disposé entre l'échappement et l'admission. Toutefois, le papillon reste relativement imprécis et soumis à un fort risque d'encrassement et donc de panne. Les documents GB 2 396 885 et WO 2005/52347 décrivent une vanne de recyclage de gaz d'échappement à papillon. L'invention se propose de remédier aux inconvénients des dispositifs ci-dessus. L'invention propose une vanne de recyclage des gaz d'échappement capable de contrôler précisément la quantité de gaz introduite à l'admission et de fonctionner de façon fiable. L'invention propose une vanne de recyclage des gaz d'échappement de structure simple et à risque de pannes réduit. Selon un aspect de l'invention, le dispositif de vanne de recyclage des gaz d'échappement comprend deux conduits axiaux, un conduit radial obturable, un corps pourvu d'une partie intérieure tubulaire dans laquelle est ménagée au moins une ouverture latérale, un piston annulaire capable d'obturer ladite ouverture latérale partiellement ou totalement, et un racleur disposé dans chaque ouverture latérale. Le racleur est fixé au piston et se déplace dans l'ouverture latérale lors du déplacement du piston. La partie intérieure est en contact avec le piston. Le contrôle de la position du piston permet de contrôler la quantité de gaz passant du conduit radial obturable à l'un des conduits axiaux. Le racleur permet d'éviter le dépôt de calamine dans la ou les ouvertures latérales. La vanne est ainsi auto-nettoyante, d'où un fonctionnement fiable et stable dans le temps. Dans un mode de réalisation, l'ouverture latérale est allongée axialement. Dans un mode de réalisation, le corps comprend une paroi extérieure définissant une chambre, la paroi extérieure étant reliée au conduit radial. Le conduit radial par lequel peuvent être amenés les gaz à recycler est ainsi relié à une chambre annulaire formée autour du piston et de la partie intérieure du corps. Alternativement, le dispositif peut comprendre une seule conduite principale en communication de fluide obturable avec une deuxième conduite. Dans un mode de réalisation, le corps comprend une pièce de base formant l'une des conduites axiales. La partie intérieure peut former une entrée de l'autre conduite axiale. Le piston peut être ouvert à ses deux extrémités. Le corps peut être ouvert à ses deux extrémités. Dans un mode de réalisation, la partie intérieure comprend une pluralité d'ouvertures latérales régulièrement réparties circonférentiellement. Un mélange satisfaisant des gaz recyclés et des gaz frais est ainsi assuré. Dans un mode de réalisation, le racleur comprend une protubérance radiale. La protubérance radiale forme une saillie partant du piston et disposée dans l'ouverture latérale correspondant au racleur. Le colmatage progressif des ouvertures latérales par le dépôt des suies contenues dans les gaz recyclés en provenance de l'échappement est ainsi évité. A chaque mouvement complet du piston, de la position fermée vers la position ouverte ou de la position ouverte vers la position fermée, la majeure partie, voire la presque totalité des ouvertures latérales, est parcourue par les racleurs qui provoquent le décollement d'éventuelles particules de suies et leur remise en suspension dans les gaz recyclés jusqu'à leur admission dans les cylindres et leur combustion. Dans un mode de réalisation préféré, le racleur est monobloc avec le piston. On assure ainsi une construction économique et robuste du racleur et du piston. Dans un mode de réalisation, le racleur occupe un secteur angulaire sensiblement égal au secteur angulaire de l'ouverture latérale. On assure ainsi un raclage efficace de l'ouverture latérale. L'ouverture latérale, d'une part, et le racleur, d'autre part, peuvent présenter des parois longitudinales, soit parallèles l'une à l'autre, soit convergeant vers l'axe des conduites axiales. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'ouverture latérale se présente sous la forme d'un trou oblong. On assure ainsi une section de passage suffisante des gaz recyclés en position ouverte de la vanne. Dans un mode de réalisation, le corps comprend une bride de support de moyen d'actionnement. Le piston peut également comprendre une bride de support de moyen d'actionnement. Les brides peuvent se présenter sous la forme générale d'une étoile à plusieurs branches, par exemple trois. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens d'actionnement en translation du piston. Les moyens d'actionnement peuvent être hydrauliques, pneumatiques, mécaniques, électromagnétiques ou encore électriques. Le dispositif peut comprendre une pluralité d'actionneurs répartis circonférentiellement autour du corps. Alternativement, le dispositif peut comprendre un unique actionneur annulaire disposé autour du corps. Grâce à l'invention, on dispose d'une vanne de recyclage des gaz d'échappement permettant un dosage précis des gaz d'échappement recyclés dans les gaz frais d'admission et dont la fiabilité est très élevée. La vanne de recyclage peut s'appliquer à un moteur Diesel à combustion conventionnelle, à combustion homogène, ou mixte, ou encore à un moteur utilisant d'autres types de carburant. L'utilisation de la vanne de recyclage est particulièrement intéressante dans le cas d'un moteur à combustion homogène ou mixte. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective et partiellement en coupe d'un dispositif selon un aspect de l'invention en position ouverte ; -la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 en position fermée ; - la figure 3 montre le dispositif de la figure 1 en position intermédiaire ; - la figure 4 est une vue en perspective du dispositif de la figure 1 en position ouverte ; et -la figure 5 est une vue schématique d'un moteur à combustion interne pourvu d'un système de recyclage des gaz d'échappement. Comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, le dispositif de vanne 1 comprend un corps 2 formant cylindre prévu pour être stationnaire, un piston 3 et un système d'actionnement 4 disposé entre le corps 2 et le piston 3, pour provoquer le déplacement du piston 3 par rapport au corps 2. Le dispositif de vanne 1 comprend une conduite radiale 5 prévue pour être ouverte ou obturée, une première conduite axiale 6 disposée en position supérieure sur les figures, et une deuxième conduite axiale 7 disposée en position inférieure sur les figures. Les conduites axiales 6 et 7 sont coaxiales et en communication permanente l'une avec l'autre. Le corps 2 comprend une pièce de base 8 monobloc, par exemple réalisée en acier ou en alliage, et pourvue d'une portion de tube 9 dont l'alésage forme la deuxième conduite axiale 7. La portion de tube 9 est pourvue à son extrémité dirigée vers le piston 3 d'un épaulement 10 formant un élargissement de l'alésage. La pièce de base 8 se complète par un rebord annulaire 11 formant une saillie radiale vers l'extérieur à partir de l'extrémité de la portion de tube 9 opposée à l'épaulement 10. La pièce de base 8 est également pourvue d'une bride 12 pourvue de trois branches s'étendant vers l'extérieur à partir du rebord 11 et prévue pour coopérer avec le système d'actionnement 4. A titre de variante, la bride 12 peut être munie d'un autre nombre de branches ou encore se présenter sous la forme d'un anneau circulaire. Le corps 2 comprend également une partie extérieure 13 présentant une forme générale annulaire, à l'exception d'une portion de tube 14 orientée radialement et dont l'alésage forme le conduit radial 5. La partie extérieure 13 présente sur son alésage une rainure annulaire 15 en communication avec le conduit radial 5 et délimitée axialement par deux nervures 16 et 17 formées aux extrémités de la partie extérieure 13. La nervure 16 est en contact avec le rebord radial 11 de la pièce de base 8 et également en contact avec la surface extérieure de la portion de tube 9, à proximité du rebord 11. Un joint d'étanchéité 18 est disposé dans une rainure annulaire ménagée dans l'alésage de la nervure 16 et est en contact avec la portion de tube 9. La nervure 17 est disposée à l'extrémité de la partie extérieure 13 opposée à la nervure 16 et est en contact avec une paroi extérieure du piston 13. Un joint d'étanchéité 19, similaire au joint d'étanchéité 18, est disposé dans une rainure annulaire ménagée dans la nervure 17 et assure l'étanchéité entre la partie extérieure 13 du corps 2 et le piston 3. Le corps 2 comprend également une partie intérieure 20 se présentant sous la forme générale d'une portion de tube pourvue d'une extrémité 21 d'épaisseur réduite pour venir s'emboîter dans l'extrémité de la portion de tube 9 opposée au rebord 11, en contact avec l'épaulement 10. La partie intérieure 20 peut se prolonger axialement au-delà du piston 3 pour être reliée à un circuit d'admission d'air frais, en aval d'un filtre à air, ou encore d'un compresseur de turbocompresseur, non représenté. La partie intérieure 20 est percée d'une pluralité d'ouvertures latérales 21 régulièrement réparties circonférentiellement, allongées axialement et s'étendant d'une extrémité supérieure arrondie proche du piston 3 sur la figure 1, en direction de la pièce de base 8. Les ouvertures latérales 21 peuvent s'étendre jusqu'à l'extrémité inférieure de la partie intérieure 20. En d'autres termes, la partie intérieure 20 comprend une partie annulaire et une pluralité de doigts axiaux s'étendant à partir d'un même bord de la partie annulaire. Les doigts définissent des bords 21a des ouvertures 21. Le piston 3 comprend une jupe 22, une bride 23 et des racleurs 24 formés de façon monobloc. La jupe 22, en forme de cylindre de révolution, présente un alésage de diamètre sensiblement égal au diamètre extérieur de la partie intérieure 20 et un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre de l'alésage de la nervure 17 de la partie extérieure 13. La jupe 22 est en contact de frottement sur son alésage avec la partie intérieure 20 et sur sa surface extérieure avec le joint d'étanchéité 19 de la partie extérieure 13. La bride 23 s'étend à partir de l'extrémité de la jupe 22 située à l'opposé de la bride 12, radialement vers l'extérieur. La jupe 22 est disposée radialement entre la partie extérieure 13 et la partie intérieure 20. Dans le mode de réalisation illustré, la bride 23 se présente sous la forme de trois branches. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation, la bride 23 peut comprendre un autre nombre de branches ou encore une forme annulaire. Les racleurs 24 sont formés à partir de l'extrémité de la jupe 22, opposée à la bride 23. Les racleurs 24 s'étendent radialement vers l'intérieur et sont circonférentiellement régulièrement répartis de façon correspondante aux ouvertures latérales 21, dans lesquelles lesdits racleurs 24 sont en saillie. Les racleurs 24 peuvent se présenter sous la forme d'une protubérance en forme de parallélépipède rectangle. Les faces supérieure et inférieure des racleurs 24 peuvent être des faces radiales. La face intérieure des racleurs 24 peut être plane ou arrondie. Les deux faces latérales peuvent être parallèles ou encore situées dans des plans passant par l'axe des conduites 6 et 7. Dans le mode de réalisation représenté, le système d'actionnement 4 comprend trois vérins 25, hydrauliques ou pneumatiques, à double effet. Les trois vérins 25 sont identiques. Chaque vérin 25 comprend un cylindre 26 solidaire de la bride 12, un piston 27 solidaire de la bride 23, et un collier 28 fixé au cylindre 26 et formant une butée de déplacement pour le piston 27. Le piston 27 comprend une tige passant par le collier 28 et dont l'extrémité libre est fixée à une branche de la bride 23. Le cylindre 26 est pourvu d'une ouverture inférieure 29 et d'une ouverture supérieure 30, permettant respectivement d'introduire un fluide dans une chambre inférieure formée entre le piston 27 et le cylindre 26 pour provoquer l'allongement du vérin 25, et une chambre supérieure formée entre le cylindre 26, le piston 27 et le collier 28 pour provoquer une réduction de la longueur du vérin 25. Les ouvertures, respectivement inférieure 29 et supérieure 30 des trois vérins 25 peuvent être reliées ensemble et connectées à un système de commande hydraulique ou pneumatique assurant l'envoi de fluide sous pression, soit dans les ouvertures inférieures 29, soit dans les ouvertures supérieures 30. Bien entendu, le système d'actionnement 4 peut se présenter sous la forme d'un vérin annulaire, hydraulique ou pneumatique, d'un actionneur électrique ou électromécanique, par exemple un moteur électrique et une vis sans fin, d'un actionneur électromagnétique, par exemple pourvu d'une bobine, d'un actionneur mécanique, par exemple avec un mécanisme à came ou à bras de levier entraîné par un moteur électrique. Il peut également être prévu un ou plusieurs ressorts de rappel, en association avec une bobine ou avec un ou plusieurs vérins hydrauliques ou pneumatiques à simple effet. Le montage du dispositif peut s'effectuer en disposant la partie intérieure 20 dans le piston 3, les racleurs 24 venant frotter sur les bords 21a allongés axialement des ouvertures 21, en montant la partie extérieure 13 sur la pièce de base 8, puis en amenant le sous-ensemble comprenant le piston 3 et la partie intérieure 20 dans le sous-ensemble comprenant la pièce de base 8 et la partie extérieure 13 et en emmanchant en fin de course l'extrémité inférieure 21 de la partie intérieure 20 dans l'extrémité supérieure de la portion de tube 9 de la pièce de base 8. Le système d'actionnement 4 peut être monté au préalable ou non. Tel qu'illustré sur la figure 1, la vanne est en position ouverte. Des gaz d'échappement prévus pour être recyclés, passant par la conduite radiale 5, circulent dans la chambre formée par la rainure 15 de la partie extérieure 13, ladite chambre étant délimitée axialement par les nervures 16 et 17 et l'extrémité inférieure du piston 3, et radialement par la partie extérieure 13, la partie intérieure 20 et la portion de tube 9 de la pièce de base 8. Les gaz d'échappement, une fois dans la chambre 15, passent par les ouvertures 21 de la partie intérieure 20 du corps 2 et se trouvent alors mélangés aux gaz frais provenant de la première conduite axiale 6. Le mélange de gaz frais et de gaz recyclés passe dans la deuxième conduite axiale 7 et peut être envoyé vers les cylindres d'un moteur à combustion interne. Tel qu'illustré sur la figure 2, la vanne est en position fermée. Les racleurs 24 se trouvent disposés à l'extrémité inférieure des ouvertures 21, à proximité immédiate ou en contact avec l'extrémité supérieure de la portion de tube 9 de la pièce de base 8. La jupe 22 du piston 3 entoure complètement les ouvertures 21 et les obture. Les gaz présents dans la chambre formée par la rainure 15 ne peuvent plus s'écouler radialement vers l'intérieur pour rejoindre les gaz frais circulant de la première conduite axiale 6 vers la deuxième conduite axiale 7. La bride 23 du piston 3 est alors disposée à proximité du collier 28 des actionneurs 25. Les pistons 27 sont dans une position rétractée en venant jusqu'à proximité des ouvertures inférieures 29 des cylindres 26. Dans la position illustrée sur la figure 3, la vanne est dans une position intermédiaire, les racleurs 24 étant disposés sensiblement à mi-hauteur des ouvertures 21 et la jupe 22 du piston 3 laissant les ouvertures 21 partiellement ouvertes. Les gaz d'échappement provenant de la conduite axiale 5 peuvent alors s'écouler via la rainure 15 et les ouvertures 21 par un mouvement radial dirigé vers l'intérieur dans la deuxième conduite axiale 7 en se mélangeant avec les gaz frais provenant de la première conduite axiale 7. Toutefois, la section de passage offerte aux gaz recyclés est nettement réduite par rapport à celle offerte dans la position illustrée sur la figure 1, où la jupe 22 du piston 3 est remontée vers le haut et les racleurs 24 sont à proximité immédiate de l'extrémité supérieure des ouvertures 21, assurant ainsi une section de passage maximale. On comprend ainsi qu'il est possible de commander le débit des gaz d'échappement en contrôlant la position du piston 3. Il est aisé de mesurer le débit de gaz passant par le conduit radial 5 en fonction du débit de gaz passant par le premier conduit axial 6, de la position du piston 3, et éventuellement de la température respective des gaz. A partir de ces données, l'on peut commander de façon extrêmement précise le débit des gaz d'échappement recyclés. La vanne peut être commandée par une unité de commande de moteur. Au cours du fonctionnement de la vanne, en particulier en position ouverte, tel qu'illustré sur la figure 1, ou partiellement ouverte, tel qu'illustré sur la figure 3, les gaz d'échappement recyclés chargés de suies peuvent provoquer un colmatage progressif des ouvertures 21 par dépôt de suies, également appelé calamine. A chaque déplacement du piston 3 par rapport au corps 2, les racleurs 24 qui sont en saillie dans les ouvertures 21 et peuvent même dépasser légèrement dans l'alésage de la partie intérieure 20, provoquent un nettoyage par raclage des bords longitudinaux 21a des ouvertures 21 et la remise en circulation dans le flux de gaz des particules de suies ainsi détachées des bords des ouvertures 21. On évite ainsi un colmatage progressif des ouvertures 21, provoquant une augmentation des pertes de charge et une diminution du débit de gaz recyclés. La vanne est ainsi auto-nettoyante, dans la mesure oû l'actionnement de ladite vanne provoque son nettoyage. Bien entendu, il est possible de prévoir qu'au-delà d'une certaine durée en position ouverte ou partiellement ouverte de la vanne, ladite vanne soit fermée pour une brève durée afin de provoquer le nettoyage des ouvertures 21. Un simple aller-retour de la vanne assure le nettoyage. Comme illustré sur la figure 5, la vanne 1 peut être montée dans un moteur à combustion interne, référencé 31 dans son ensemble, et comprenant un circuit d'admission 32, un circuit d'échappement 33, une pluralité de cylindres 34 reliés au circuit d'admission 32 par un collecteur d'admission 35 et reliés au circuit d'échappement 33 par un collecteur d'échappement 36, et un système de recyclage des gaz d'échappement 37 disposé entre le circuit d'échappement 33 et le circuit d'admission 32. Le système de recyclage des gaz d'échappement 37 comprend une conduite 38 reliée au circuit d'échappement 33 pour prélever une partie des gaz d'échappement, un échangeur thermique 39 disposé en sortie de la conduite 38 pour refroidir les gaz d'échappement et une vanne 1 reliée par le conduit obturable à la sortie de l'échangeur 39, par le premier conduit axial au circuit d'admission 32 et par le deuxième conduit axial au collecteur d'admission 35 ou à un conduit menant au collecteur d'admission 35. REVENDICATIONS 1-Dispositif de vanne de recyclage de gaz d'échappement (1), caractérisé par le fait qu'il comprend deux conduits axiaux (6, 7), un conduit radial obturable (5), un corps (2) pourvu d'une partie intérieure (20) tubulaire dans laquelle est ménagée au moins une ouverture latérale (21), un piston (3) annulaire capable d'obturer ladite ouverture latérale partiellement ou totalement, ladite partie intérieure étant en contact avec le piston, et un racleur (24) disposé dans chaque ouverture latérale, ledit racleur étant fixé au piston et se déplaçant dans l'ouverture latérale lors du déplacement du piston. 2-Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite ouverture latérale est allongée axialement. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le corps de forme annulaire cylindrique comprend une paroi extérieure (13) définissant une chambre, ladite paroi extérieure étant reliée au conduit radial (5). 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps comprend une pièce de base (8) formant l'une des conduites axiales, la partie intérieure formant une entrée de l'autre conduite axiale. 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le piston est ouvert à ses deux extrémités et le corps est ouvert à ses deux extrémités. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie intérieure comprend une pluralité d'ouvertures latérales régulièrement réparties circonférentiellement. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le racleur (24) comprend une protubérance radiale. 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le racleur est monobloc avec le piston. 9-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le racleur occupe un secteur angulaire sensiblement égal au secteur angulaire de l'ouverture latérale. 10-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ouverture latérale se présente sous la forme d'un trou oblong. 11-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (2) comprend une bride (12) de support de moyen d'actionnement, le piston comprenant également une bride (23) de support de moyen d'actionnement. 12-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens d'actionnement en translation du piston.