Brevet FR2939478A1 — publié le 20100611

La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne de type diesel. Ce moteur comporte classiquement un ensemble de pistons coulissant dans des cylindres associés qui définissent des chambres de combustion à leur partie interne et coopérant avec des organes d'injection de carburant ainsi qu'avec un circuit d'admission d'air frais et avec un circuit d'évacuation des gaz d'échappement. De façon bien connue en elle-même, le fonctionnement d'un moteur diesel est lié aux cycles d'ouverture et de fermeture d'un ensemble de soupapes d'admission et d'échappement commandées par un arbre à cames et à l'actionnement par les pistons d'un ensemble de bielles qui entraînent la rotation d'un vilebrequin constituant l'arbre moteur. Les moteurs diesel sont en outre très fréquemment équipés d'un turbocompresseur de suralimentation ainsi que d'un circuit de recy- clage des gaz d'échappement. Un turbocompresseur de suralimentation est constitué par une turbine qui est entraînée par les gaz d'échappement et actionne un compresseur monté dans le circuit d'admission. Un tel dispositif présente l'avantage de permettre d'accroître 20 substantiellement la puissance du moteur sans augmenter sa consommation de carburant. Il présente en outre la caractéristique d'être plus compact, plus léger et plus facile à installer qu'un compresseur classique entraîné par l'arbre de sortie du moteur. 25 De plus, il permet de tirer profit de l'énergie cinétique des gaz d'échappement pour comprimer l'air frais introduit dans le circuit d'admission, au lieu de prélever une part de l'énergie du moteur comme le fait un compresseur mécanique. Un turbocompresseur de suralimentation présente toutefois 30 l'inconvénient de correspondre à un dispositif délicat du point de vue mécanique dans la mesure où il fonctionne à des vitesses de rotation très élevées qui doivent impérativement être maîtrisées et où il subit des contraintes thermiques très importantes : en effet la turbine située côté échappement est à une température dépassant les 800°C alors qu'à quel- 35 ques centimètres, côté compresseur, la température de l'air frais est d'environ 20°C. Compte tenu de ces différentes contraintes, les turbocompresseurs de suralimentation doivent être réalisés en des matériaux parti- culiers et par des procédés adaptés et ont pour cette raison un prix particulièrement élevé. Un circuit de recyclage des gaz d'échappement permet de réintroduire une fraction des gaz d'échappement évacués par le circuit d'échappement dans le circuit d'admission du moteur pour la mélanger à l'air frais alimentant les chambres de combustion. Un tel recyclage permet d'abaisser la température de combustion et par suite de réduire notablement les émissions de NOX permet-tant ainsi de préserver l'environnement. Pour préserver le compresseur, la fraction des gaz d'échappement recyclée est classiquement réintroduite en aval de celui-ci, dans la zone haute pression du circuit d'admission d'air frais, ce qui pré-sente de multiples inconvénients. Il est à noter que dans le cadre de cette description, les termes amont et aval se rapportent au sens de circulation des gaz. Un tel lieu de réintroduction était toutefois jusqu'à présent considéré comme inévitable pour satisfaire à un critère imposé par les fabricants de turbocompresseurs de suralimentation impliquant les différences de température au sein du mélange air frais/gaz d'échappement recyclés alimentant le compresseur. En effet, lors de leur réintroduction dans le circuit d'admission du moteur, les gaz d'échappement sont encore à une température relativement élevée. Par suite, leur addition à l'air frais en amont du compres-25 seur pourrait entraîner une fatigue et une usure prématurée de celui-ci, suite aux différences de température ainsi engendrées. La présente invention a pour objet de proposer un moteur à combustion interne du type susmentionné équipé d'un turbocompresseur de suralimentation ainsi que d'un circuit de recyclage d'une fraction des 30 gaz d'échappement de nature à remédier à ces inconvénients. Selon l'invention, un tel moteur à combustion interne est caractérisé en ce qu'il comporte un mélangeur de gaz d'échappement monté dans la partie basse pression du circuit d'admission d'air frais, di- rectement en amont du compresseur et comportant une tubulure de sortie 35 axiale ainsi que d'une part une tubulure d'entrée axiale d'air frais et d'autre part une tubulure d'entrée de la fraction des gaz d'échappement recyclée réalisée de façon à créer à la partie interne du mélangeur une cir- culation annulaire de ces gaz permettant d'obtenir une homogénéisation de la température du mélange air frais/gaz d'échappement recyclés introduit dans le compresseur. La géométrie particulière du mélangeur de gaz d'échappement équipant le moteur à combustion interne conforme à l'invention permet de réaliser, à la partie interne de ce mélangeur, un mélange intensif de l'air frais et des gaz d'échappement recyclés permettent d'obtenir, en sortie, une homogénéisation de température permettant de satisfaire au critère susmentionné imposé par les fabricants de turbocompresseurs de suralimentation. Le montage d'un tel mélangeur dans le circuit d'admission d'air frais permet ainsi pour la première fois d'introduire la fraction des gaz d'échappement recyclée non pas dans la partie haute pression de ce circuit, c'est-à-dire en aval du compresseur, mais au contraire directe-ment en amont de ce dernier et en aval du filtre à air, dans la partie basse pression, ce qui présente de multiples avantages. On a plus précisément pu vérifier que le montage conforme à l'invention du mélangeur de gaz d'échappement dans la partie basse pression du circuit d'admission d'air frais permet de limiter les différences de température au sein du mélange introduit à l'entrée du compresseur à une valeur maximum de 80°C, alors qu'en l'absence de ce mélangeur, cette différence (qui correspondrait à la différence entre la température des gaz d'échappement recyclés et la température de l'air frais circulant dans le circuit d'admission) serait de l'ordre de 125°C. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le mélangeur est équipé à sa périphérie d'une chambre de transfert annulaire dans laquelle débouche la tubulure d'entrée de la fraction des gaz d'échappement recyclée. Cette chambre de transfert n'est pas continue mais est interrompue par un bourrelet faisant saillie sur sa périphérie et communi- que avec la partie centrale du mélangeur par une série de perforations radiales. Compte tenu de cette configuration, le flux de gaz d'échappement recyclés pénétrant dans le mélangeur par sa tubulure d'entrée vient frapper la paroi de la chambre de transfert située au droit de cette tubulure puis se répartit de part et d'autre de celle-ci en deux flux partiels qui butent contre le bourrelet faisant saillie et se subdivisent en une série de jets qui pénètrent à la partie centrale du mélangeur par les perforations radiales réparties sur la périphérie de la chambre de transfert. Cette introduction des gaz d'échappement recyclés sous forme de jets dirigés radialement dans le flux d'air frais circulant à la par- tie centrale du mélangeur provoque un mélange énergique de ces gaz, permettant d'obtenir une homogénéisation de la température au sein du mélange sortant du mélangeur par la tubulure de sortie axiale. Selon une autre caractéristique de l'invention, le mélangeur de gaz d'échappement est constitué par deux pièces en matériau synthétique assemblées au niveau de la chambre de transfert. Cet assemblage peut avantageusement être effectué par soudage, notamment par vibration, surmoulage, miroir, gaz, laser, infra-rouge. Le mélangeur de gaz d'échappement équipant le moteur à 15 combustion interne conforme à l'invention peut ainsi être constitué par un élément moulé réalisable par un processus particulièrement peu onéreux. Il est par ailleurs à noter que, de façon connue en elle-même, les moteurs à combustion interne de type diesel peuvent avantageusement être équipés d'un circuit de recyclage des gaz de fuite ou gaz de 20 carter qui remplissent progressivement le carter du fait de défauts d'étanchéité entre ce dernier et les chambres de combustion du moteur. Pour préserver l'environnement, il est en effet utile de ne pas rejeter directement ces gaz à l'atmosphère, mais de les recycler dans les chambres de combustion via le circuit d'admission d'air frais. 25 Par suite et selon une autre caractéristique de l'invention, le mélangeur de gaz d'échappement comporte une tubulure d'entrée radiale des gaz de carter ainsi recyclés. Cette tubulure d'entrée des gaz de carter recyclés est de préférence située en amont de la tubulure d'entrée de la fraction des gaz 30 d'échappement recyclée. L'invention se rapporte également à un mélangeur de gaz d'échappement destiné au moteur à combustion interne de type diesel décrit ci-dessus. Les caractéristiques du moteur à combustion interne et du 35 mélangeur de gaz d'échappement qui font l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma illustratif de la configuration du moteur à combustion interne conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en perspective du mélangeur de gaz d'échappement équipant ce moteur, la figure 3 est une vue de face de l'une des pièces constitutives de ce mélangeur. Selon la figure 1, le moteur comporte essentiellement un ensemble de pistons 1 coulissant dans des cylindres 2 associés qui définissent des chambres de combustion 3 à leur partie interne. Les chambres de combustion 3 peuvent être ouvertes ou fermées par des soupapes d'échappement ou d'admission 4 commandées par un arbre à cames 5. Le déplacement des pistons 1 actionne des bielles 6 qui commandent la rotation d'un vilebrequin 7 constituant l'arbre moteur. L'ensemble de ces éléments de moteur est fermé par une culasse 8 à sa partie supérieure. Selon la figure 1, le moteur est en outre équipé d'organes d'injection de carburant non représentés ainsi que d'un circuit d'admission d'air frais dans les chambres de combustion 3 selon la flèche A et d'un circuit d'évacuation des gaz d'échappement selon la flèche B. Le circuit d'admission d'air frais A est équipé d'un filtre à air 9 et d'un débitmètre 10. Le circuit d'évacuation des gaz d'échappement est quant à lui équipé d'un filtre à particules 11. Le moteur conforme à l'invention est par ailleurs équipé d'un turbocompresseur de suralimentation comportant une turbine 12 qui est entraînée par les gaz d'échappement circulant dans le circuit d'évacuation B et actionne un compresseur 13 monté dans le circuit d'admission d'air frais A en amont d'un échangeur air/air 14 permettant de refroidir l'air en circulation. Des circuits auxiliaires permettent le recyclage dans le circuit d'admission d'air frais A d'une fraction des gaz d'échappement ainsi que des gaz de carter, respectivement selon les flèches C et D. Pour permettre l'introduction des gaz ainsi recyclés dans la circulation d'air frais, le circuit d'admission A est équipé d'un mélangeur de gaz d'échappement 15 monté directement en amont du compresseur 13 dans la partie basse pression de ce circuit A. Selon les figures 1 et 2, le mélangeur de gaz d'échappement 15 comporte une tubulure d'entrée axiale d'air frais 16 selon la flèche A1, une tubulure d'entrée radiale 17 des gaz de carter recyclés selon la flèche D1, une tubulure d'entrée 18 de la fraction de gaz d'échappement recyclée selon la flèche C1 dont la géométrie sera précisée dans la suite de cet ex-posé ainsi qu'une sortie axiale 19 du mélange gazeux air frais/gaz recyclés selon la flèche A2. Selon la figure 2, le mélangeur de gaz d'échappement 15 est constitué par deux pièces en matériau synthétique assemblées par soudage par vibration, à savoir d'une part une pièce amont 151 équipée de la tubulure d'entrée 16 de l'air frais et de la tubulure d'entrée 17 des gaz de carter recyclés, et d'autre part une pièce aval 152 équipée de la tubulure d'entrée 18 de la fraction de gaz d'échappement recyclée et de la tubulure de sortie 19 du mélange gazeux. 15 Par ailleurs et selon les figures 2 et 3, le mélangeur de gaz d'échappement 15 est équipé à sa périphérie et au niveau de la zone de jonction de la pièce amont 151 et de la pièce aval 152 d'une chambre de transfert annulaire 20 dans laquelle débouche la tubulure d'entrée 18 de la fraction des gaz d'échappement recyclée et qui communique avec la 20 partie centrale du mélangeur 15 par une série de perforations radiales 21 réparties sur sa périphérie. La chambre de transfert 20 n'est pas continue mais est interrompue par un bourrelet 22 faisant saillie sur sa périphérie (figure 3). Selon la figure 3, le flux de gaz d'échappement recyclés pé- 25 nétrant dans le mélangeur 15 par la tubulure d'entrée 18 selon la flèche C1 vient frapper la paroi de la chambre de transfert 20 dans la zone référencée E située au droit de cette tubulure 18 puis se répartit en deux flux partiels dirigés en sens inverse schématisés par les flèches E1 et E2 qui butent contre le bourrelet 22 et se subdivisent en une série de jets non 30 référencés qui pénètrent à la partie centrale du mélangeur 15 dans laquelle circule l'air frais par les perforations radiales 21 réparties sur la périphérie de la chambre de transfert 20. Cette introduction des gaz d'échappement recyclés sous forme de jets dirigés radialement dans le flux d'air frais circulant selon la 35 flèche Al à la partie centrale du mélangeur 15 provoque un mélange éner- gique de ces gaz permettant d'obtenir une homogénéisation de la tempé- rature au sein du mélange sortant du mélangeur 15 par la tubulure de sortie axiale 19 selon la flèche A2 pour pénétrer dans le compresseur 13. REVENDICATIONS1 °) Moteur à combustion interne de type diesel comportant un ensemble de pistons (1) coulissant dans des cylindres (2) associés et coopérant avec des organes d'injection de carburant ainsi qu'avec un circuit d'admission d'air frais (A) et avec un circuit d'évacuation des gaz d'échappement (B), ce moteur étant en outre équipé d'un turbocompresseur de suralimentation comportant une turbine (12) entraînée par les gaz d'échappement et actionnant un compresseur (13) monté dans le circuit d'admission d'air frais (A), ainsi que d'un circuit de recyclage (C) d'une fraction des gaz io d'échappement, caractérisé en ce qu' il comporte un mélangeur de gaz d'échappement (15) monté dans la partie basse pression du circuit d'admission d'air frais (A), directement en amont du compresseur (13) et comportant une tubulure de sortie axiale (19) ainsi 15 que d'une part une tubulure d'entrée axiale (16) d'air frais et d'autre part une tubulure d'entrée (18) de la fraction des gaz d'échappement recyclée réalisée de façon à créer dans la partie interne du mélangeur (15) une circulation annulaire de ces gaz permettant d'obtenir une homogénéisation de la température du mélange air frais/gaz d'échappement recyclés intro- 20 duit dans le compresseur (13). 2°) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur (15) est équipé à sa périphérie d'une chambre de transfert 25 annulaire (20) dans laquelle débouche la tubulure d'entrée (18) de la fraction des gaz d'échappement recyclée, cette chambre de transfert (20) étant interrompue par un bourrelet (22) faisant saillie sur sa périphérie et communiquant avec la partie centrale du mélangeur (15) par une série de perforations radiales (21). 30 3°) Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mélangeur (15) est constitué par deux pièces en matériau synthétique (151, 152) assemblées au niveau de la chambre de transfert (20). 4°) Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que 35 les deux pièces (151, 152) constitutives du mélangeur (15) sont assemblées par soudage, notamment par vibration, surmoulage, miroir, gaz, laser, infrarouge. 5°) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mélangeur (15) comporte une tubulure d'entrée radiale (17) de gaz de carter recyclés. l0 6°) Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tubulure d'entrée (17) des gaz de carter recyclés est située en amont de la tubulure d'entrée (18) de la fraction des gaz d'échappement recyclée, dans le sens de circulation de l'air frais. 15 7°) Mélangeur de gaz d'échappement destiné à un moteur à combustion interne de type diesel selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 20