Brevet FR2901322A1 — publié le 20071123

A cet effet, l'invention concerne une conduite d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, destinée à véhiculer des gaz d'échappement vers une jonction au niveau de laquelle ces gaz sont mélangés à de l'air pour constituer un mélange d'admission destiné à alimenter une chambre de combustion du moteur. Selon l'invention, la conduite comprend un élément supplémentaire destiné à augmenter la longueur devant être parcourue par les gaz d'échappement pour atteindre la jonction. La longueur de cet élément est choisie pour que le débit de gaz et le débit d'admission soient en phase au niveau de la jonction pour un point de fonctionnement donné du moteur. De la sorte, à l'instant où le débit d'admission est maximal au niveau de la jonction, le débit de gaz d'échappement refoulé dans cette jonction l'est aussi. De même, lorsque le débit d'admission est minimum au niveau de la jonction, le débit de gaz d'échappement l'est aussi. On obtient donc un mélange air/gaz présentant des teneurs en air d'admission et en gaz d'échappement au niveau de la jonction qui sont sensiblement constantes durant la totalité du cycle de fonctionnement du moteur. Selon une autre caractéristique, l'élément supplémentaire est intégré à un échangeur thermique composé par au moins un tube parcouru par les gaz d'échappement et dont la paroi extérieure est en contact avec un circuit de refroidissement. Selon encore une autre caractéristique, l'échangeur comprend plusieurs tubes s'étendant parallèlement les uns aux autres et étant connectés en série. De préférence, les tubes sont disposés côte à côte suivant un premier plan d'assemblage. Avantageusement, les tubes sont disposés en outre suivant un deuxième plan d'assemblage perpendiculaire au premier plan. Selon une autre caractéristique, l'un des tubes de l'échangeur débouche directement dans la jonction. Selon encore une autre caractéristique, la conduite comprend une vanne de régulation des gaz d'échappement située en amont de l'échangeur. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description qui va suivre faite en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est un graphique représentant respectivement les débits de gaz recyclé (traits pleins) et de l'air aspiré (traits interrompus) au niveau d'une jonction dans laquelle débouche une conduite de recirculation de type connu, et du mélange gaz d'échappement/air d'admission aspiré par le cylindre (traits pointillés), en fonction de la position du vilebrequin ; - la figure 2 est un graphique analogue au graphique de la figure 1, réalisé avec une conduite selon l'invention ; -la figure 3 est un histogramme illustrant la dispersion des gaz à recycler au sein des différents cylindres de trois répartiteurs différents, pour la conduite connue de la figure 1 (hachures) et pour la conduite selon l'invention (points) ; - la figure 4 représente un échangeur thermique 30 intégré à une conduite de recirculation de gaz selon l'invention. L'invention est basée sur le constat selon lequel pour un moteur thermique dans lequel une partie des gaz d'échappement est recyclée en mélangeant ces gaz à de 35 l'air d'admission, les débits d'air et de gaz à recycler sont déphasés l'un par rapport à l'autre au niveau de la jonction où ils sont mélangés. Ainsi, le mélange sortant de la jonction a des teneurs qui varient cycliquement selon une période conditionnée par le point de fonctionnement du moteur. Plus particulièrement, le mélange est une succession de mélange à forte teneur en gaz et à faible teneur en air, et de mélange à faible teneur en gaz et à forte teneur en air. En effet, dans un moteur thermique à quatre temps, chaque cylindre décrit un cycle comprenant successivement l'admission, la compression, la détente, et l'échappement. Un cycle complet se déroule sur deux aller-retour de piston, c'est-à-dire deux tours de vilebrequin, de sorte que l'échappement a lieu un tour et demi après l'admission, pour un même cylindre. Dans le cas d'un moteur quatre temps à quatre cylindres, les cycles des cylindres sont décalés d'un demi-tour de vilebrequin les uns par rapport aux autres. On a donc à chaque tour de vilebrequin deux admissions et deux échappements : pendant le premier demi-tour, ont lieu une admission et un échappement, et pendant le second demi-tour, ont lieu une autre admission et un autre échappement. Ainsi, les débits de gaz et du mélange d'admission ont tous deux des amplitudes qui varient avec une fréquence valant le double du régime de rotation du moteur. Mais le débit d'admission s'avère être en retard de phase par rapport au débit d'échappement. En effet, le débit maximal d'échappement est atteint en début de phase d'échappement, car ce maximum correspond sensiblement à l'ouverture d'une soupape d'échappement qui a pour effet de libérer une surpression importante dans le cylindre, cette soupape étant ouverte dès le début de la phase d'échappement. Au contraire, le débit maximal d'admission est atteint en milieu de plage d'admission, c'est-à-dire un quart de tour de vilebrequin après le début de l'admission, car il correspond à l'instant où l'effet d'aspiration est maximal, à savoir lorsque la vitesse du piston est la plus élevée, ce qui se produit lorsque ce piston est à mi-course dans le cylindre. Il s'ensuit que dans un moteur quatre temps à quatre cylindres, les maxima du débit d'admission sont déphasés de 90 par rapport aux maxima du débit d'admission, ce qui revient à dire que le débit d'admission est déphasé de 90 par rapport au débit d'échappement. Une illustration de ce décalage est mise en 15 évidence sur la figure 1. A l'instant où le débit d'admission 1 est maximal, par exemple à l'aspiration du premier cylindre, le débit de gaz 2 à recycler est quasiment nul, si bien que le mélange crée entre l'air et les gaz présente une forte 20 teneur en air et une faible teneur en gaz à recycler. Lorsque le débit d'air 1 est minimum, par exemple en fin d'aspiration du premier cylindre et avant l'aspiration du second cylindre, le débit de gaz à recycler 2 est maximum et ces gaz pénètrent dans le 25 répartiteur, sans être réellement mêlés à l'air, ce dont résulte à la jonction, un mélange air/gaz ayant une faible teneur en air et une forte teneur en gaz à recycler. Ainsi, des mélanges air/gaz de différentes teneurs 30 sont admis dans les différents cylindres du moteur, un cylindre pouvant aspirer un mélange air/gaz à forte teneur en gaz à un instant du cycle, le cylindre adjacent pouvant aspirer un mélange air/gaz à faible teneur en gaz, ce dont résulte une dispersion de la distribution des gaz à recycler dans les différents cylindres, comme l'illustre la figure 3. La solution proposée par l'invention consiste à intégrer à la conduite de recirculation un élément 4 destiné à augmenter la longueur devant être parcourue par les gaz d'échappement entre le point de sortie du moteur et la jonction, pour que le débit de gaz à recycler dans le conduit et le débit du mélange formé par ces gaz et l'air et aspiré par les cylindres, autrement nommé débit d'admission du mélange, soient en phase au niveau de la jonction pour au moins un point de fonctionnement du moteur. Comme l'illustre la figure 2, l'intégration de cet élément à la conduite de recirculation permet la mise en phase du débit d'admission du mélange 1 avec le débit de gaz à recycler 2 au niveau de la jonction. Ainsi, à cette jonction, lorsque le débit d'admission 1 est maximal, le débit de gaz 2 l'est également et lorsque le débit d'admission 1 est minimal, le débit de gaz 2 à recycler est très faible. Les teneurs en air d'admission et en gaz d'échappement du mélange formé à la jonction sont sensiblement constantes au cours du cycle du moteur. Ainsi, comme l'illustre la figure 3, on évite une trop grande dispersion de la distribution des gaz dans les différents cylindres contrairement à l'utilisation d'une conduite de type connue. Les mélanges air/gaz à recycler ont des teneurs comparables d'un cylindre à l'autre (la dispersion des gaz dans les différents cylindres d'un même répartiteur reste inférieure à 6 %). Cet élément 4 présente selon l'invention une longueur de l'ordre du mètre, variable approximativement entre 1 et 4 mètres selon le point de fonctionnement du moteur choisi comme objectif (et du moteur considéré). Ce point de fonctionnement est celui pour lequel on souhaite que le débit d'admission soit en phase avec le débit de gaz au niveau de la jonction. La longueur ajoutée à la conduite de recirculation par cet élément supplémentaire peut être déterminée de façon empirique pour le point de fonctionnement ou régime du moteur, choisi comme référence. La longueur de la conduite avec l'élément supplémentaire, telle que le débit de gaz soit en phase avec le débit d'aspiration au niveau de la jonction, dépend principalement du régime moteur et de la vitesse de circulation des gaz dans la conduite à ce régime, qui conditionnent la longueur d'onde du débit de gaz. Avec l'élément additionnel, la longueur devant être parcourue par les gaz d'échappement entre le point où ils sont refoulés et la jonction de mélange doit être de l'ordre du quart de la longueur d'onde du débit de gaz pour créer un retard de 90 vilebrequin (soit un quart de tour) permettant d'annuler le déphasage au point de jonction. La détermination de la longueur pourra être effectuée de manière empirique en mesurant le déphasage entre les gaz d'échappement en amont de la jonction et le débit d'aspiration, pour ajuster cette longueur de manière à annuler le déphasage, à un régime donné du moteur. Pratiquement, cette longueur se situe entre un et quatre mètres, et il s'avère que la longueur de la conduite doit être d'autant plus importante que le régime moteur choisi est bas. A titre d'exemple, pour un point de fonctionnement d'un moteur Diesel DW12BTED4 d'environ 1600 tours minute ; 4,7 bar de pression moyenne effective, la longueur de l'élément, nécessaire à la mise en phase du débit d'admission avec le débit de gaz à recycler au niveau de la jonction est d'environ 4 mètres. Cette longueur supplémentaire de conduite est avantageusement intégrée dans un échangeur thermique 5 de la conduite de recirculation, entre une vanne d'admission des gaz à recycler (non représentée) et la jonction. Cet échangeur 5 refroidit les gaz avant leur introduction dans le tube d'amenée de l'air. Cet échangeur thermique 5 est en contact avec un circuit de refroidissement liquide non représenté. Selon le mode de réalisation de l'échangeur 5 représenté sur la figure 4, cet échangeur 5 est constitué par l'assemblage en série de neuf tubes identiques 6 présentant une section constante (diamètre 24 millimètres), une longueur de 444 millimètres et qui sont juxtaposés l'un à l'autre, les gaz à recycler parcourant ainsi 4,5 allers-retours. Plus précisément, ces neuf tubes 6 sont disposés par trio selon trois plans XOY superposés selon la direction Z, en étant espacés de 27,3 millimètres suivant la direction X et suivant la direction Z, de façon à définir un encombrement latéral de 82 millimètres sur 82 millimètres. Des organes de liaison 7 sont prévus pour autoriser le cheminement des gaz d'échappement d'un tube au tube adjacent. L'un des trois tubes du premier niveau communique directement avec une extrémité de la conduite de recirculation et fait office de tube d'entrée 6a des gaz dans l'échangeur, l'un des trois tubes du dernier niveau faisant office de tube de sortie 6b des gaz d'échappement directement dans la jonction ou dans une autre extrémité de conduite. Pour réduire la longueur totale de l'échangeur 5, tout en conservant la longueur additionnelle de 4 mètres, il est possible d'utiliser plus de tubes 6 que pour l'exemple de la figure 4, comme onze tubes 6 d'une longueur de 363 millimètres chacun, définissant un encombrement latéral de 82 millimètres sur 110 millimètres, les gaz à recycler parcourant dans l'échangeur 5,5 allers-retours. Une autre solution est d'utiliser treize tubes d'une longueur de 307 millimètres chacun, définissant un encombrement latéral de 110 millimètres sur 110 millimètres et 6,5 allers-retours devant être parcourus par les gaz à recycler. Des zones de stockage de suies (non représentées) sont de préférence prévues à l'intérieur de l'échangeur 5 à l'extrémité du tube d'entrée 6a de l'échangeur 5 et au sein du tube précédent le tube de sortie 6b de l'échangeur 5, afin de limiter l'encrassement. Avantageusement, des moyens (non représentés) peuvent être utilisés pour permettre de court-circuiter au moins un tube de l'échangeur afin de diminuer la longueur du chemin parcouru par les gaz d'échappement au sein de l'échangeur jusqu'à 1 mètre par exemple, pour permettre la mise en phase des débits également pour des régimes plus élevés que le régime de référence. L'invention telle que décrite ci-dessus présente différents avantages, parmi lesquels : - la formation d'une réelle distribution des gaz à recycler entre les cylindres, - l'intégration aisée de la longueur de conduite supplémentaire au sein d'un échangeur, - la possibilité de favoriser l'échange calorifique entre l'échangeur et le circuit de refroidissement qui l'entoure, par l'augmentation de la surface de contact, - un effet acoustique intéressant (gain en remplissage moteur) sur la pleine charge pour le point de fonctionnement choisi. REVENDICATIONS 1. Conduite d'un moteur thermique d'un véhicule automobile, destinée à véhiculer des gaz d'échappement issus de ce moteur vers une jonction au niveau de laquelle ces gaz sont mélangés à de l'air pour constituer un mélange d'admission du moteur, caractérisé en ce qu'elle comprend un élément (4) destiné à augmenter la longueur devant être parcourue par les gaz d'échappement pour atteindre la jonction. 2. Conduite selon la revendication 1, dans laquelle l'élément (4) est intégré à un échangeur thermique (5) composé par au moins un tube (6) parcouru par les gaz d'échappement et dont la paroi extérieure est en contact avec un circuit de refroidissement. 3. Conduite selon la revendication 2, dans laquelle l'échangeur (4) comprend plusieurs tubes (6) s'étendant parallèlement les uns aux autres et étant connectés en série. 4. Conduite selon la revendication 3, dans laquelle les tubes (6) sont disposés côte à côte suivant un premier plan d'assemblage. 5. Conduite selon la revendication 4, dans laquelle les tubes (6) sont disposés en outre suivant un deuxième plan d'assemblage avantageusement perpendiculaire au premier plan. 6. Conduite selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle l'un des tubes (6) de l'échangeur (4) débouche directement dans la jonction. 7. Conduite selon l'une des revendications 2 à 6, comprenant une vanne de régulation des gaz d'échappement située en amont de l'échangeur (5).